工程熱力學復習資料

工程熱力學復習資料?一、基本概念（一）熱力系統(tǒng)1.定義：人為分割出來，作為熱力學研究對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。2.分類閉口系統(tǒng)：與外界無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。開口系統(tǒng)：與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。絕熱系統(tǒng)：與外界無熱量交換的系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)：與外界既無物質(zhì)交換又無能量交換的系統(tǒng)。（二）狀態(tài)參數(shù)1.定義：描述熱力系統(tǒng)狀態(tài)的宏觀物理量，如壓力（p）、溫度（T）、比體積（v）、內(nèi)能（U）、焓（H）、熵（S）等。2.基本狀態(tài)參數(shù)壓力：垂直作用于單位面積上的力。溫度：衡量物體冷熱程度的物理量。比體積：單位質(zhì)量工質(zhì)所占的體積。3.狀態(tài)參數(shù)的特性單值性：系統(tǒng)處于一定狀態(tài)時，狀態(tài)參數(shù)有唯一確定的值。全微分性：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無關(guān)，只與初末狀態(tài)有關(guān)。（三）熱力過程1.定義：熱力系統(tǒng)從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)的路徑。2.常見熱力過程定容過程：比體積保持不變的過程。定壓過程：壓力保持不變的過程。定溫過程：溫度保持不變的過程。絕熱過程：與外界無熱量交換的過程。（四）熱力循環(huán)1.定義：工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化后又回到初態(tài)的封閉熱力過程。2.分類正向循環(huán)：將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的循環(huán)，如熱機循環(huán)。逆向循環(huán)：消耗機械能將熱量從低溫物體傳向高溫物體的循環(huán)，如制冷循環(huán)和熱泵循環(huán)。二、熱力學第一定律（一）內(nèi)能1.定義：組成熱力系統(tǒng)的微觀粒子所具有的能量總和，包括分子動能、分子勢能等。2.內(nèi)能是狀態(tài)參數(shù)：內(nèi)能的大小只取決于系統(tǒng)的狀態(tài)，與過程無關(guān)。（二）熱量1.定義：熱力系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量。2.熱量的計算：對于可逆過程，$q=\int_{1}^{2}Tds$。（三）功1.定義：熱力系統(tǒng)通過邊界與外界交換的機械能量。2.功的計算膨脹功：$w=\int_{1}^{2}pdv$（適用于可逆過程）。技術(shù)功：$w_t=\int_{1}^{2}vdp$（適用于可逆過程）。（四）熱力學第一定律基本表達式1.閉口系統(tǒng)：$\DeltaU=QW$2.開口系統(tǒng)：$\DeltaH=QW_t$（五）穩(wěn)定流動能量方程1.表達式：$q=\Deltah+w_t+\Deltake+\Deltape$2.應用：分析各種熱工設備的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，如汽輪機、燃氣輪機、水泵等。三、理想氣體的性質(zhì)（一）理想氣體狀態(tài)方程1.表達式：$pv=RT$（$R$為氣體常數(shù)）2.適用條件：當氣體壓力較低、溫度較高，分子間距離較大，分子間作用力可忽略時，可近似看作理想氣體。（二）理想氣體的內(nèi)能、焓和比熱容1.內(nèi)能：$U=mc_vT$（$c_v$為定容比熱容）2.焓：$H=mc_pT$（$c_p$為定壓比熱容）3.比熱容關(guān)系：$c_p=c_v+R$（三）理想氣體熱力過程1.定容過程過程方程：$v=const$參數(shù)變化：$p_1/T_1=p_2/T_2$，$q_v=\DeltaU=mc_v(T_2T_1)$，$w=0$2.定壓過程過程方程：$p=const$參數(shù)變化：$v_1/T_1=v_2/T_2$，$q_p=\DeltaH=mc_p(T_2T_1)$，$w=p(v_2v_1)$3.定溫過程過程方程：$T=const$參數(shù)變化：$p_1v_1=p_2v_2$，$q=T\DeltaS=W=mc_pT\ln\frac{v_2}{v_1}=mc_vT\ln\frac{p_1}{p_2}$4.絕熱過程過程方程：$pv^k=const$（$k=c_p/c_v$為絕熱指數(shù)）參數(shù)變化：$T_1v_1^{k1}=T_2v_2^{k1}$，$T_1p_1^{\frac{k1}{k}}=T_2p_2^{\frac{k1}{k}}$，$q=0$，$w=\frac{p_1v_1p_2v_2}{k1}=\frac{mc_v(T_1T_2)}{k1}$四、氣體和蒸汽的流動（一）穩(wěn)定流動基本方程1.連續(xù)性方程：$\rho_1A_1c_1=\rho_2A_2c_2$（適用于一維穩(wěn)定流動）2.能量方程：$h_1+\frac{c_1^2}{2}+q=h_2+\frac{c_2^2}{2}+w$3.動量方程：$\sumF=\dot{m}(c_2c_1)$（二）噴管流動1.噴管的作用：使流體壓力降低，流速增加，將熱能轉(zhuǎn)換為動能。2.噴管類型漸縮噴管：適用于亞音速流動。縮放噴管（拉伐爾噴管）：適用于超音速流動。3.噴管內(nèi)參數(shù)變化：根據(jù)能量方程和連續(xù)性方程分析噴管內(nèi)壓力、溫度、流速等參數(shù)的變化。五、熱力學第二定律（一）自發(fā)過程的方向性1.熱傳遞的方向性：熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體。2.功熱轉(zhuǎn)換的方向性：機械能可以全部轉(zhuǎn)換為熱能，但熱能不可能全部轉(zhuǎn)換為機械能而不產(chǎn)生其他影響。（二）熱力學第二定律的表述1.克勞修斯表述：熱量不可能自發(fā)地不花代價地從低溫物體傳向高溫物體。2.開爾文普朗克表述：不可能制造出從單一熱源吸熱，使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其他任何變化的熱力發(fā)動機。（三）熵1.定義：熵是系統(tǒng)無序程度的度量，$ds=\frac{\deltaq}{T}$（可逆過程）。2.熵增原理：孤立系統(tǒng)的熵只能增大，或者不變，絕不能減小，這一規(guī)律稱為熵增原理。（四）熵變計算1.可逆過程熵變：對于可逆過程，根據(jù)$ds=\frac{\deltaq}{T}$進行積分計算。2.不可逆過程熵變：通過設計一個初末狀態(tài)相同的可逆過程來計算熵變，因為熵是狀態(tài)參數(shù)，其變化量只與初末狀態(tài)有關(guān)。（五）熵產(chǎn)1.定義：$s_g=s_2s_1s_f$，其中$s_g$為熵產(chǎn)，$s_2s_1$為系統(tǒng)熵變，$s_f$為熵流。2.熵產(chǎn)與過程不可逆性的關(guān)系：熵產(chǎn)大于零表示過程不可逆，熵產(chǎn)越大，過程的不可逆程度越高。（六）火用和火無1.火用：在一定環(huán)境條件下，系統(tǒng)可能做出的最大有用功，稱為火用。2.火無：不能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰浚Q為火無。3.火用分析：通過火用分析可以評估能量利用的合理性和完善程度，指導熱力系統(tǒng)的優(yōu)化設計和運行。六、動力循環(huán)（一）朗肯循環(huán)1.組成：由鍋爐、汽輪機、冷凝器和給水泵組成。2.工作過程定壓加熱過程：水在鍋爐中定壓加熱成為過熱蒸汽。絕熱膨脹過程：過熱蒸汽在汽輪機中絕熱膨脹做功。定壓放熱過程：乏汽在冷凝器中定壓放熱凝結(jié)成水。絕熱壓縮過程：凝結(jié)水在給水泵中絕熱壓縮送回鍋爐。3.熱效率計算：$\eta_{R}=\frac{w_{net}}{q_{in}}=\frac{h_1h_2}{h_1h_4}$，其中$w_{net}$為循環(huán)凈功，$q_{in}$為吸熱量。（二）提高朗肯循環(huán)熱效率的方法1.提高蒸汽初參數(shù)：提高蒸汽的初壓和初溫，可使循環(huán)熱效率提高。2.降低蒸汽終參數(shù)：降低乏汽壓力，可使循環(huán)熱效率提高。3.采用再熱循環(huán)：在汽輪機中間抽出部分蒸汽進行再熱，可提高循環(huán)熱效率。4.采用回熱循環(huán)：利用汽輪機抽汽加熱給水，可提高循環(huán)熱效率。（三）燃氣輪機循環(huán)1.組成：由壓氣機、燃燒室和燃氣輪機組成。2.工作過程絕熱壓縮過程：空氣在壓氣機中絕熱壓縮。定壓加熱過程：壓縮空氣在燃燒室中定壓加熱。絕熱膨脹過程：高溫燃氣在燃氣輪機中絕熱膨脹做功。定壓放熱過程：乏氣在大氣中定壓放熱。3.熱效率計算：$\eta_{gt}=\frac{w_{net}}{q_{in}}=\frac{h_3h_4(h_2h_1)}{h_3h_2}$（四）蒸汽燃氣聯(lián)合循環(huán)1.組成：將蒸汽動力循環(huán)和燃氣輪機循環(huán)組合而成。2.優(yōu)點：綜合利用了蒸汽和燃氣的優(yōu)點，提高了能源利用率，具有更高的熱效率。七、制冷循環(huán)（一）蒸汽壓縮制冷循環(huán)1.組成：由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器組成。2.工作過程壓縮過程：制冷劑蒸汽在壓縮機中絕熱壓縮成為高溫高壓蒸汽。冷凝過程：高溫高壓蒸汽在冷凝器中定壓放熱凝結(jié)成液體。節(jié)流過程：高壓液體通過節(jié)流閥節(jié)流降壓成為低溫低壓液體。蒸發(fā)過程：低溫低壓液體在蒸發(fā)器中定壓吸熱蒸發(fā)成為蒸汽。3.制冷系數(shù)計算：$\varepsilon=\frac{q_0}{w}=\frac{h_1h_4}{h_2h_1}$，其中$q_0$為制冷量，$w$為壓縮機耗功。（二）吸收式制冷循環(huán)1.工作原理：利用吸收劑對制冷劑的吸收和釋放作用來實現(xiàn)制冷。2.組成：由發(fā)生器、吸收器、溶液泵、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器等組成。3.特點：以熱能為動力，適用于有廢熱可利用的場合，但制冷系數(shù)較低。（三）熱泵循環(huán)1.工作原理：熱泵循環(huán)是逆向制冷循環(huán)，將低溫熱源的熱量傳遞到高溫熱源。2.供熱系數(shù)計算：$\varepsilon'=\frac{q_1}{w}=\frac{h_2h_1}{h_2h_3}$，其中$q_1$為供熱量，$w$為壓縮機耗功。3.應用：用于供熱、空調(diào)等領域，可提高能源利用效率。八、復習重點與難點（一）重點1.基本概念的理解，如熱力系統(tǒng)、狀態(tài)參數(shù)、熱力過程、熱力循環(huán)等。2.熱力學第一定律和第二定律的應用，包括能量方程的推導和計算，熵變的計算等。3.理想氣體的性質(zhì)和熱力過程，以及各種動力循環(huán)和制冷循環(huán)的工作原理和性能分析。（二）難點1.熵變的計算和熵產(chǎn)的概念，尤其是不可逆過程熵變的計算。2.復雜熱力循環(huán)的分析和計算，如蒸汽燃氣聯(lián)合循環(huán)等。3.熱力學第二定律的理解和應用，特別是對各種表述的深入理解以及在實際問題中的應用。九、復習方法（一）理解基本概念深入理解熱力系統(tǒng)、狀態(tài)參數(shù)、過程和循環(huán)等基本概念的物理意義和相互關(guān)系，通過舉例和對比加深理解。（二）掌握公式推導對于重要的公式，如能量方程、熵變公式等，要掌握其推導過程，理解公式的適用條件和物理意義，這樣才能靈活運用公式進行計算。（三）多做練習題通過做大量的練習題，熟悉各種題型和解題方法，提高解題能力和對知識點的掌握程度。（四）總結(jié)歸納將所學的知識點進行總結(jié)歸納，形成知識體系，便于記憶和理解。對比不同熱力過程和循環(huán)的特點和區(qū)別，加深對知識點的理解。（五）結(jié)合實際將工程熱力學的知識與實際工程問題相結(jié)合，如熱機、制冷設備等，提高對知識的應用能力和學習興趣。十、模擬試題及答案（一）選擇題1.熱力學能是系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，其大小取決于（）A.系統(tǒng)的溫度B.系統(tǒng)的壓力C.系統(tǒng)的比體積D.系統(tǒng)的狀態(tài)答案：D2.理想氣體定溫過程中，下列哪個參數(shù)不變（）A.壓力B.比體積C.溫度D.內(nèi)能答案：C3.下列哪種情況屬于可逆過程（）A.摩擦生熱B.氣體自由膨脹C.等溫壓縮D.電阻發(fā)熱答案：C（二）填空題1.閉口系統(tǒng)與外界無（）交換，開口系統(tǒng)與外界有（）交換。答案：物質(zhì)；物質(zhì)2.理想氣體狀態(tài)方程為（）。答案：$pv=RT$3.熵增原理適用于（）系統(tǒng)。答案：孤立（三）簡答題1.簡述熱力學第二定律的克勞修斯表述和開爾文普朗克表述。答：克勞修斯表述：熱量不可能自發(fā)地不花代價地從低溫物體傳向高溫物體。開爾文普朗克表述：不可能制造出從單一熱源吸熱，使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其他任何變化的熱力發(fā)動機。2.畫出朗肯循環(huán)的Ts圖，并簡述其工作過程。答：朗肯循環(huán)的Ts圖如下：Ts圖)工作過程：（1）定壓加熱過程：水在鍋爐中定壓加熱成為過熱蒸汽。（2）絕熱膨脹過程：過熱蒸汽在汽輪機中絕熱膨脹做功。（3）定壓放熱過程：乏汽在冷凝器中定壓放熱凝結(jié)成水。（4）絕熱壓縮過程：凝結(jié)水在給水泵中絕熱壓縮送回鍋爐。（四）計算題1.某理想氣體從初態(tài)$p_1=1MPa$，$T_1=300K$，經(jīng)定溫膨脹到$p_2=0.5MPa$，求該過程中氣體吸收的熱量和對外做的功。已知該氣體的氣體常數(shù)$R=287J/(kg·K)$。解：根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程$p_1v_1=RT_1$，可得初態(tài)比體積$v_1=\frac{RT_1}{p_1}=\frac{287×300}{1×10^6}=0.0861m^