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1、工 程 热 力 学 总复习第一章基本概念第一章基本概念v热力系统：热力系统：人为地分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。v外界：外界：系统周围物质的统称。v边界边界(界面界面)：热力系与外界的分界面。界面可以是真实，也可以是虚拟的；可以是固定，也可以是变化（运动）的。v闭口系统闭口系统:与外界无物质交换，又称控制质量。v开口系统开口系统:与外界有物质交换，又称控制体积。v绝热系统绝热系统:与外界无热量交换。v孤立系统孤立系统:与外界无能量交换又无物质交换。可以理解成闭口+绝热，但是实际上孤立系统是不存在的。v状态：状态：把系统中某一瞬间表现的工质热力性质的宏观状况，称为工质的热力状态，简称
2、状态。v状态参数：状态参数：描述工质状态特性的一些宏观物理量称为工质的状态参数。具有以下特征：1.状态确定，则状态参数也确定，反之亦然单值函数。2.状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关点函数。3.其微元差是全微分。常用的状态参数：P、T、V、U、H和S;基本状态参数，需要掌握基本状态参数，需要掌握温标转换温标转换压力测量（转换）压力测量（转换）比体积与密度的转换。比体积与密度的转换。系统在不受外界的影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，这时系统的状态称为热力平衡状态热力平衡状态，简称平衡状态。系统内部及系统与外界之间的一切不平衡势差（力差、温差、化学势差）消失是系统实现热力平衡状
3、态的充要条件充要条件。平衡与稳定平衡与稳定：如果系统是在外界作用下保持状态不变，则不属于平衡状态，如稳态导热。稳定不一定平衡，但平衡一定稳定稳定不一定平衡，但平衡一定稳定。平衡与均匀平衡与均匀：侧重点不一样，平衡强调时间上稳定不变，均匀强调空间各点的参数值相同。平衡不一定均匀，单相平衡态则一定均匀平衡不一定均匀，单相平衡态则一定均匀。vv准平衡过程和准平衡过程和准平衡过程和准平衡过程和可逆过程可逆过程可逆过程可逆过程。vv可逆可逆可逆可逆准平衡过程无摩擦和其它任何损耗准平衡过程无摩擦和其它任何损耗vv只有准平衡过程才能在坐标图中用连续的曲线表示。只有准平衡过程才能在坐标图中用连续的曲线表示。只
4、有准平衡过程才能在坐标图中用连续的曲线表示。只有准平衡过程才能在坐标图中用连续的曲线表示。vv功和热是过程量功和热是过程量功和热是过程量功和热是过程量，其在状态参数坐标图上的表示。，其在状态参数坐标图上的表示。，其在状态参数坐标图上的表示。，其在状态参数坐标图上的表示。sT1s1T12s2T2vp1v1p12v2p2动力循环动力循环:热效率热效率制冷循环：制冷系数制冷循环：制冷系数制热循环：制热系数制热循环：制热系数第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律热热力力学学第第一一定定律律的的能能量量方方程程式式在在工工程程上上应应用用很很广广，但但首首先先要要对对其不同的形式进行有较为全面的认识
5、：其不同的形式进行有较为全面的认识：从闭口系推导，与开口系方程形式不同，实质相同从闭口系推导，与开口系方程形式不同，实质相同在闭口、开口系均成立，应用于闭口在闭口、开口系均成立，应用于闭口系时，不存在推动功系时，不存在推动功p p1 1v v1 1、p p2 2v v2 2，轴轴功功w wi i要变为膨胀功要变为膨胀功w w，开口、闭口系统；稳定、不稳定流开口、闭口系统；稳定、不稳定流动；可逆、不可逆过程。动；可逆、不可逆过程。第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律一、动力机：一、动力机：w wi i=-=-h=hh=h1 1-h-h2 2=w=wt t工质在其中膨胀，其对外输出的净功等于
6、工质进出口焓降二、压气机：二、压气机：w wC C=-w wi i=h=hh=h2 2h h1 1=w wt t工质在其中被压缩，外界对其做功全部转变为工质焓增。三、换热器：三、换热器：q q=h h=h h2 2-h-h1 1工质与外界交换的热量主要用于改变其的焓值。四、管道：四、管道：1/21/2（c cf2f22 2c cf1f12 2）=h h1 1-h-h2 2工质的焓降用于增加其自身动能。五、节流：五、节流：h h1 1=h h2 2节流前后工质的焓值保持不变。第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律第三章第三章 气体和蒸汽性质气体和蒸汽性质 比热定义比热定义迈耶公式迈耶公式比热
7、容比比热容比(绝热指数绝热指数)，按分子运动理论按分子运动理论非定值非定值第三章第三章 气体和蒸汽性质气体和蒸汽性质第四章第四章 气体和蒸汽的热力过程气体和蒸汽的热力过程定容过程定容过程：过程方程式过程方程式p,v,Tp,v,T关系关系u,h,su,h,s计算计算能量交换能量交换V=ConstantV第四章第四章 理想气体的热力过程理想气体的热力过程定压过程定压过程：过程方程式过程方程式p,v,Tp,v,T关系关系u,h,su,h,s计算计算能量交换能量交换p=ConstantP第四章第四章 理想气体的热力过程理想气体的热力过程定温过程定温过程：过程方程式过程方程式p,v,Tp,v,T关系关系
8、u,h,su,h,s计算计算能量交换能量交换T=ConstantT第四章第四章 理想气体的热力过程理想气体的热力过程定熵过程定熵过程：过程方程式过程方程式p,v,Tp,v,T关系关系u,h,su,h,s计算计算能量交换能量交换S第四章第四章 理想气体的热力过程理想气体的热力过程多变过程多变过程：过程方程式过程方程式p,v,Tp,v,T关系关系u,h,su,h,s计算计算能量交换能量交换要会求多变过程比热容要会求多变过程比热容sTvp四个基本热力四个基本热力过程在p-v,T-s图上的表示各种特征多变过程在多变过程在p-vp-v和和T-sT-s图上表示图上表示在T-s图上用图形面积表示u和和h和和
9、w,wt加热汽化过程在加热汽化过程在pv图和图和Ts图上可归纳为：图上可归纳为：一点：临界点 二线：饱和水线和饱和蒸汽线；三区：过冷水区、湿蒸汽区及过热蒸汽区；五态：过冷水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽及过热蒸汽。pTabcdeabcdeabcdeabcdeabcdeabcde饱和水线饱和水线饱和水线饱和水线饱和蒸汽线饱和蒸汽线饱和蒸汽线饱和蒸汽线临界点临界点临界点临界点pcr=22.064MPaTcr=647.14K第五章第五章 热力学第二定律热力学第二定律开尔文表述开尔文表述克劳修斯表述克劳修斯表述卡诺定理卡诺定理开尔文普朗克说开尔文普朗克说法法不可能制造出从单一热源吸热、不可能制造出从
10、单一热源吸热、使之全部转化为功而不留下其他任何使之全部转化为功而不留下其他任何变化的循环工作的热力发动机。变化的循环工作的热力发动机。克劳修斯克劳修斯说说法法热不可能自发地、不付代价地热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。从低温物体传至高温物体。卡诺定理卡诺定理定理一：定理一：在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种工质也无关。类无关，与采用哪种工质也无关。定理二：定理二：在温度同为在温度同为T T1 1的热源和同为的
11、热源和同为T T2 2的冷源间工作的一切不的冷源间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环。可逆循环，其热效率必小于可逆循环。在两个热源间工作的一切可逆循环，它们的热效率相同，在两个热源间工作的一切可逆循环，它们的热效率相同，与工质的性质无关，只决定于热源和冷源的温度，且都等与工质的性质无关，只决定于热源和冷源的温度，且都等于卡诺循环的热效率于卡诺循环的热效率t；温度界限相同，但具有多于两个热源的可逆循环，其热温度界限相同，但具有多于两个热源的可逆循环，其热效率低于卡诺循环；效率低于卡诺循环；不可逆循环的热效率小于同样条件下的可逆循环。不可逆循环的热效率小于同样条件下的可逆循环。克劳修斯积
12、分克劳修斯积分0 0，可逆可逆循环循环 0,0,0,不可能不可能，可逆可逆,不可逆不可逆,不可能不可能熵的影响因素有：换热、不可逆损耗、物流熵的影响因素有：换热、不可逆损耗、物流rTQd0循环过程循环过程闭口系统闭口系统绝热闭口系绝热闭口系第五章第五章 热力学第二定律热力学第二定律第五章第五章 热力学第二定律热力学第二定律熵变熵变熵流熵流熵产熵产不可逆不可逆可逆可逆不可能不可能第七章第七章 气体和蒸汽的流动气体和蒸汽的流动气体在绝热流动过程中，因某种物体的阻碍而使流速降低为气体在绝热流动过程中，因某种物体的阻碍而使流速降低为零的过程称为零的过程称为绝热滞止过程绝热滞止过程。滞止焓滞止焓 滞止温
13、度：滞止温度：第七章 气体和蒸汽的流动压力波的传播过程作定熵过程处理压力波的传播过程作定熵过程处理：因此，音速不是一个固定不变的常数，它与气体的性质及其因此，音速不是一个固定不变的常数，它与气体的性质及其状态有关，也是状态参数。在喷管中，各个截面上气体的状状态有关，也是状态参数。在喷管中，各个截面上气体的状态是在不断变化着的，所以各个截面上的音速也在不断变化态是在不断变化着的，所以各个截面上的音速也在不断变化-当地音速当地音速马赫数马赫数第七章 气体和蒸汽的流动图图8-3 喷管喷管 (dp0,dcf0)Ma1Ma1Ma1dA0 渐扩渐扩dA0 缩放缩放Ma1 Ma1喷管喷管dA0dA0dcf0
14、渐缩渐缩临界截面临界截面 渐扩渐扩缩放（拉伐尔）缩放（拉伐尔）扩压管是使工质流过后，速度降低而压力升高扩压管是使工质流过后，速度降低而压力升高的设备。气体的设备。气体在扩压管中的能量转换过程，正好和喷管中的过程相反在扩压管中的能量转换过程，正好和喷管中的过程相反喷管的计算喷管的计算（状态判断、出口面积、出口速度）和选型（状态判断、出口面积、出口速度）和选型cr=0.528双原子理想气体，若比热容取定值双原子理想气体，若比热容取定值k=1.4cr=0.546过热蒸汽过热蒸汽k=1.3cr=0.577干饱和蒸汽干饱和蒸汽k=1.135关键：状态判断关键：状态判断(习题习题8-2)流量按流量按最小截
15、面最小截面（即收缩喷管的出口截面，（即收缩喷管的出口截面，缩放喷管的喉部截面）来计算缩放喷管的喉部截面）来计算0aq mcb图图8-7 8-7 喷管流量喷管流量q qm m临界临界临界临界流量流量喷管两种计算喷管两种计算设计计算设计计算校核计算校核计算已知已知进口参数进口参数(p1、t1)、出口背、出口背压压(pb)、流量、流量qm 喷管形状、尺寸喷管形状、尺寸(A2、Acr)、进口参数、进口参数(p1、t1)、出口、出口背压背压(pb)求求喷管形状、尺寸喷管形状、尺寸(A2)、出口参数出口参数(t2、cf2)出口参数出口参数(t2、cf2)、流量流量qm 关键关键p2=pbp2pcr 渐缩喷
16、管渐缩喷管p2pcr 缩放喷管缩放喷管缩放喷管缩放喷管p2=pb渐缩喷管渐缩喷管p2=pcr(p2pcr)；p2=pb(p2pcr）第七章 气体和蒸汽的流动了解背压变化时喷管内流动过程：渐缩喷管渐缩喷管1.p1.pb b p pcrcr，气体能够气体能够完全膨胀，完全膨胀，p p2 2=p pb b 。AB2.2.p pb bp pcrcr，刚好完全膨胀，刚好完全膨胀，p p2 2=p pb b=p pcrcr 。达到当。达到当地地声速声速c cf,crf,cr，和，和最大流量最大流量q qm,maxm,max。AC3.3.p pb b p pcrcr，膨胀不足膨胀不足。p p2 2=p pc
17、rcr和和c cf,crf,cr、q qm,maxm,max 。ACDDpABCp0p2pbpcrDp0p2pbpABCGEFp0缩放喷管缩放喷管1.p1.pb b设计出口压力设计出口压力p p2 2:ABC。2.2.p pb bppp2 2:过度膨胀过度膨胀:EG:EG。三种理想压缩过程两个极限的压气过程：即两个极限的压气过程：即绝热绝热压缩压缩和和等温压缩等温压缩。+多变压缩多变压缩过程（过程（1nk1nk），压），压缩过程有热量传出，气体温度缩过程有热量传出，气体温度也有所升高。也有所升高。特点：特点：vpP11P22T2s2nsTP11P22s2n2T图图 压缩过程的压缩过程的p-v图
18、和图和T-s图图第八章压气机的热力过程多级压缩和级间冷却的优点：多级压缩和级间冷却的优点：耗功耗功、终温、终温、高压气缸比、高压气缸比体积体积，直径，直径。最佳压缩比：最佳压缩比：每级压气机所需的功相等。每级压气机所需的功相等。每个气缸中气体压缩后所达到每个气缸中气体压缩后所达到的最高温度相同（的最高温度相同（T2=T3）。）。每级向外排热量相等，而且每每级向外排热量相等，而且每一级的中间冷却器向外排热量也相一级的中间冷却器向外排热量也相等。等。VpP11P223egf23Pm3T图图 两级压缩、中间冷却压两级压缩、中间冷却压气机示意图（气机示意图（b）第八章压气机的热力过程V Vc c就是就
19、是余隙容积余隙容积容积效率容积效率增压比增压比,V V;V Vc c/V/Vh h,V V。显然，当显然，当或或V Vc c/V/Vh h增大到某一值时，可能使增大到某一值时，可能使V V0 0。即即余隙容积余隙容积的存在限制了的存在限制了增压比的提高。增压比的提高。Vp4132gf06V=V1-V4Vh=V1-V3VcV4-V6第八章压气机的热力过程活塞式压缩机的评价指标：叶轮式压气机的评价指标：叶轮式压气机的评价指标：定温效率定温效率绝热效率绝热效率可逆定温压缩过程耗功可逆定温压缩过程耗功实际压缩过程耗功实际压缩过程耗功可逆绝热压缩过程耗功可逆绝热压缩过程耗功实际压缩过程耗功实际压缩过程耗
20、功压缩比压缩比(compression ratio)定容增压比定容增压比(pressure ratio)定压预胀比定压预胀比(cutoff ratio)第九章第九章 气体动力循环气体动力循环第九章气体动力循环绝热膨胀绝热膨胀绝热压缩绝热压缩定压吸热定压吸热定容吸热定容吸热定容放热定容放热绝热膨胀绝热膨胀绝热压缩绝热压缩定压吸热定压吸热定容吸热定容吸热定容放热定容放热混合加热循环混合加热循环第九章气体动力循环定容加热循环定容加热循环绝热膨胀绝热膨胀绝热压缩绝热压缩定容放热定容放热绝热膨胀绝热膨胀绝热压缩绝热压缩定容吸热定容吸热定容放热定容放热定容吸热定容吸热第九章气体动力循环定压加热循环定压加热
21、循环绝热膨胀绝热膨胀绝热压缩绝热压缩定压吸热定压吸热定容放热定容放热绝热膨胀绝热膨胀绝热压缩绝热压缩定压吸热定压吸热定容放热定容放热 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较一、压缩比相同，吸热量相同时的比较一、压缩比相同，吸热量相同时的比较 或或二、循环二、循环pmax、Tmax相同时的比较相同时的比较 或或燃气轮机布雷顿(Brayton)循环 热效率热效率：绝热膨胀绝热膨胀3 32 21 14 4pfe0v绝热压缩绝热压缩定压吸热定压吸热定压放热定压放热3 3n n2 21 14 4m ms sT0p2p1绝热压缩绝热压缩定压吸热定压吸热定压放热定压放热绝热
22、膨胀绝热膨胀朗肯循环在卡诺循环的基础上构建的朗肯循环；po48p1p26172v3(2)5To43(2)856127s12：汽轮机中绝热膨胀：汽轮机中绝热膨胀23：冷凝器中定压冷凝：冷凝器中定压冷凝34：给水泵中绝热压缩：给水泵中绝热压缩456：锅炉中定压加热：锅炉中定压加热61：过热器中定压加热：过热器中定压加热第十章第十章 蒸汽动力循环装置蒸汽动力循环装置1 1、初温、初温T T1 1对热效率的影响。对热效率的影响。T43(2)O5611a22as图图11-3 初温初温t1对对t的影响的影响优点：优点：循环吸热温度循环吸热温度 ，有利于汽机安全。，有利于汽机安全。缺点：缺点：对耐热及强度要
23、求高，目前最高初温对耐热及强度要求高，目前最高初温一般在一般在550左右，很少超过左右，很少超过600;汽机出口尺寸大汽机出口尺寸大1T2ax2avth2、初压p1对热效率的影响T5a6a1a15643(2)2a2s98O图图11-4 初压初压p1对对t的影响的影响7缺点：缺点：对强度要求高对强度要求高 不不利于汽轮机安全。一般利于汽轮机安全。一般要求出口干度大于要求出口干度大于88。提提高高初初压压将将使使绝绝热热膨膨胀胀终终点点的的干干度度下下降降。因因为为提提高高初初温温能能提提高高乏乏汽汽的的干干度度,所所所所以以以以提提提提高高高高初初初初压压压压和提高初温应同步进行。和提高初温应同
24、步进行。和提高初温应同步进行。和提高初温应同步进行。th2av2ax1T优点：优点：循环吸热温度循环吸热温度 ，汽轮机出口尺寸小，汽轮机出口尺寸小再热循环再热后膨胀到相同的背压时的干度x2增高，给提高初压创造了条件。再热循环本身不一定提高循环热效率，循环热效率与再热压力有关。效率随着再热压力的升高而升高（平均吸热温度），但再热压力对x2的改善作用较少。并且再热压力减少再热循环占基本循环的比例。Ts0543(2)6b1ac2图图11-9 再热循环的再热循环的T-s图图即分子、分母均加上（即分子、分母均加上（h ha a-h hb b）。第十一章制冷循环制冷系数：热泵系数：逆向卡诺循环工程上把制冷
25、系数称为制冷装置的工作性能系数，用工程上把制冷系数称为制冷装置的工作性能系数，用COPCOP表示。表示。第十一章制冷循环工程上气体的定温加热和定温排热不易实现，故用定压加热和定工程上气体的定温加热和定温排热不易实现，故用定压加热和定压排热代替，可视为布雷顿循环的逆循环，压排热代替，可视为布雷顿循环的逆循环，3vo142p944s1o3T20T71cT9658定压放热定压放热定压加热定压加热绝热膨胀绝热膨胀绝热压缩绝热压缩回热式空气制冷循环同温限，使同温限，使增压比可以降低！增压比可以降低！可以使用大流量、可以使用大流量、压比不能很高的压比不能很高的叶轮式叶轮式压气机和膨胀机，压气机和膨胀机，循
26、环既有较高的制冷循环既有较高的制冷系数，又有较大的制冷量。系数，又有较大的制冷量。此外，由于不应用回热时，在压气机中至此外，由于不应用回热时，在压气机中至少要把工质从少要把工质从TC压缩到压缩到T0以上才有可能以上才有可能制冷（因工质要放热给大气环境）。而制冷（因工质要放热给大气环境）。而在气体液化等低温工程中，在气体液化等低温工程中，TC和和T0之之间的温差很大，这就要求压气机有很高间的温差很大，这就要求压气机有很高的的，叶轮式压气机很难满足这种要求。，叶轮式压气机很难满足这种要求。应用回热则解决这一困难。应用回热则解决这一困难。由于由于减少，压缩过程和膨胀过程的不可减少，压缩过程和膨胀过程
27、的不可逆损失的影响也可减小。逆损失的影响也可减小。gk m065534312nsTT0TcTmax压缩蒸汽制冷循环利用压缩蒸汽制冷循环的利用压缩蒸汽制冷循环的2个特点：个特点：1.湿蒸汽区的定压即等温；湿蒸汽区的定压即等温；2.蒸汽定压比热容比空气大。蒸汽定压比热容比空气大。一般不使用理论上一般不使用理论上最经济最经济的逆向的逆向卡诺制冷循环卡诺制冷循环7-3-4-6-7：1.避免避免7的湿蒸汽状态的湿蒸汽状态12.使用简单、可靠节流阀使用简单、可靠节流阀4-5的不可的不可逆过程代替膨胀机的逆过程代替膨胀机的4-6膨胀过程。膨胀过程。图图12-6 压缩蒸气制冷循环压缩蒸气制冷循环T-s图图 0
28、88 0 6 571s1TcT052T43671.1.质量分数质量分数i、摩尔分数、摩尔分数xi、体积分数、体积分数j i及其转换关系及其转换关系2.2.折合摩尔质量和折合气体常数折合摩尔质量和折合气体常数3.3.分压力定律和分体积定律分压力定律和分体积定律4.4.理想气体的比热容、热力学能、焓和熵理想气体的比热容、热力学能、焓和熵热力学能、焓和熵是广延性参数，具有可加性。热力学能、焓和熵是广延性参数，具有可加性。第十二章理想气体混合物和湿空气第十二章理想气体混合物和湿空气未饱和空气，饱和空气，绝对湿度，相对湿度，含湿量，干球温度和湿球温度，露点等概念未饱和空气：未饱和空气：由过热水蒸气和干空
29、气组成的湿空气。饱和空气：饱和空气：由饱和水蒸气和空气所组成的湿空气。绝对湿度：绝对湿度：每立方米湿空气所含有的水蒸气的质量。相对湿度：相对湿度：未饱和湿空气的绝对湿度和饱和湿空气的绝对湿度的比值，表示了湿空气中水蒸气含量的饱和程度,反映了湿空气的吸湿能力反映了湿空气的吸湿能力。含湿量：含湿量：相对于单位质量干空气的湿空气所含有的水蒸气的质量,用d表示，其单位常用g/kg(干空气)。干球温度：干球温度：温包直接和湿空气接触，其测得温度称为温包直接和湿空气接触，其测得温度称为干球温度干球温度t湿球温度：湿球温度：温包用保持浸润的湿纱布包着，测得温度称温包用保持浸润的湿纱布包着，测得温度称湿球温度湿球温度tw。露点：露点：水蒸气的分压力pv所对应的饱和温度。图5-9 干湿球温度计t=tw=tdTstwtdtttw td三种温度的关系三种温度的关系第十二章理想气体混合物和湿空气相对湿度相对湿度含湿量含湿量d：1kg干空气所带的水蒸气的质量。干空气所带的水蒸气的质量。第十二章理想气体混合物和湿空气第十二章理想气体混合物和湿空气湿空气的比体积：湿空气的比体积：湿空气的湿空气的比焓：比焓：1kg1kg干空气的焓干空气的焓1kg1kg水蒸气的焓水蒸气的焓含湿量含湿量