工程热力学大知识点总结.pdf

1、1第一章基 本 概 念第一章基 本 概 念1.基本概念基本概念热力系统热力系统：用界面将所要研究的对象与周围环境分隔开来，这种人为分隔的研究对象，称为热力系统，简称系统。边界边界：分隔系统与外界的分界面，称为边界。外界外界：边界以外与系统相互作用的物体，称为外界或环境。闭口系统闭口系统：没有物质穿过边界的系统称为闭口系统，也称控制质量。开口系统开口系统：有物质流穿过边界的系统称为开口系统，又称控制体积，简称控制体，其界面称为控制界面。绝热系统绝热系统：系统与外界之间没有热量传递，称为绝热系统。孤立系统孤立系统：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换，称为孤立系统。单相系单相系：系统中工质的

2、物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相系。复相系复相系：由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的三相系统。单元系单元系：由一种化学成分组成的系统称为单元系。多元系多元系：由两种以上不同化学成分组成的系统称为多元系。均匀系均匀系：成分和相在整个系统空间呈均匀分布的为均匀系。非均匀系非均匀系：成分和相在整个系统空间呈非均匀分布，称非均匀系。热力状态热力状态：系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况，称为工质的热力状态，简称为状态。平衡状态平衡状态：系统在不受外界影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，系统内外同时建立了热的和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。

3、状态参数状态参数：描述工质状态特性的各种物理量称为工质的状态参数。如温度（T）、压力（P）、比容（）或密度（）、内能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能（f）、自由焓（g）等。基本状态参数基本状态参数：在工质的状态参数中，其中温度、压力、比容或密度可以直接或间接地用仪表测量出来，称为基本状态参数。温度温度：是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量，其物理实质是物质内部大量微观分子热运动的强弱程度的宏观反映。热力学第零定律热力学第零定律：如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡。压力压力：垂直作用于器壁单位面积上的力，称为压力，也称压强。相对压力相对压力：相对于大气环境

4、所测得的压力。如工程上常用测压仪表测定系统中工质的压力即为相对压力。比容比容：单位质量工质所具有的容积，称为工质的比容。密度密度：单位容积的工质所具有的质量，称为工质的密度。强度性参数强度性参数：系统中单元体的参数值与整个系统的参数值相同，与质量多少无关，没有可加性，如温度、压力等。在热力过程中，强度性参数起着推动力作用，称为广义力或势。广延性参数广延性参数：整个系统的某广延性参数值等于系统中各单元体该广延性参数值之和，如系统的容积、2内能、焓、熵等。在热力过程中，广延性参数的变化起着类似力学中位移的作用，称为广义位移。准静态过程准静态过程：过程进行得非常缓慢，使过程中系统内部被破坏了的平衡有

5、足够的时间恢复到新的平衡态，从而使过程的每一瞬间系统内部的状态都非常接近平衡状态，整个过程可看作是由一系列非常接近平衡态的状态所组成，并称之为准静态过程。可逆过程可逆过程：当系统进行正、反两个过程后，系统与外界均能完全回复到初始状态，这样的过程称为可逆过程。膨胀功膨胀功：由于系统容积发生变化（增大或缩小）而通过界面向外界传递的机械功称为膨胀功，也称容积功。热量热量：通过热力系边界所传递的除功之外的能量。热力循环热力循环：工质从某一初态开始，经历一系列状态变化，最后又回复到初始状态的全部过程称为热力循环，简称循环。2.常用公式常用公式状态参数状态参数:1212xxdx 0dx状态参数是状态的函数

6、，对应一定的状态，状态参数都有唯一确定的数值，工质在热力过程中发生状态变化时，由初状态经过不同路径，最后到达终点，其参数的变化值，仅与初、终状态有关，而与状态变化的途径无关。温度温度：1BTwm22式中22wm分子平移运动的动能，其中 m 是一个分子的质量，w是分子平移运动的均方根速度；B比例常数；T气体的热力学温度。2tT 273压力压力：1nBTwmnp322322式中 P单位面积上的绝对压力；n分子浓度，即单位容积内含有气体的分子数VNn，其中 N 为容积 V 包含的气体分子总数。2fFp 3式中F整个容器壁受到的力，单位为牛（N）；f容器壁的总面积（m2）。3gpBp（PB）HBp（P

7、B）式中 B当地大气压力Pg高于当地大气压力时的相对压力，称表压力；H 低于当地大气压力时的相对压力，称为真空值。比容比容:1mVv m3/kg式中V工质的容积m工质的质量21v式中工质的密度kg/m3v工质的比容m3/kg热力循环热力循环:wq或0u，0du循环热效率循环热效率:12121101qqqqqqwt式中q1工质从热源吸热；q2工质向冷源放热；w0循环所作的净功。制冷系数制冷系数：212021qqqwq式中q1工质向热源放出热量；q2工质从冷源吸取热量；w0循环所作的净功。供热系数：供热系数：211012qqqwq式中q1工质向热源放出热量q2工质从冷源吸取热量w0循环所作的净功4

8、3.重要图表重要图表图 1-1 热力系统图 1-2 边界可变形系统图 1-3 开口系统图 1-4 孤立系统图 1-5 U 形压力计测压图 1-6 各压力间的关系5图 1-14 任意循环在vp 图上的表示(a)正循环；(b)逆循环第二章气体的热力性质第二章气体的热力性质1.基本概念基本概念理想气体理想气体：气体分子是由一些弹性的、忽略分子之间相互作用力（引力和斥力）、不占有体积的质点所构成。比热比热：单位物量的物体，温度升高或降低 1K（1）所吸收或放出的热量，称为该物体的比热。定容比热定容比热：在定容情况下，单位物量的物体，温度变化 1K（1）所吸收或放出的热量，称为该物体的定容比热。定压比热

9、定压比热：在定压情况下，单位物量的物体，温度变化 1K（1）所吸收或放出的热量，称为该物体的定压比热。定压质量比热定压质量比热：在定压过程中，单位质量的物体，当其温度变化 1K（1）时，物体和外界交换的热量，称为该物体的定压质量比热。定压容积比热定压容积比热：在定压过程中，单位容积的物体，当其温度变化 1K（1）时，物体和外界交换的热量，称为该物体的定压容积比热。定压摩尔比热定压摩尔比热：在定压过程中，单位摩尔的物体，当其温度变化 1K（1）时，物体和外界交换的热量，称为该物体的定压摩尔比热。定容质量比热定容质量比热：在定容过程中，单位质量的物体，当其温度变化 1K（1）时，物体和外界交换的热

10、量，称为该物体的定容质量比热。定容容积比热定容容积比热：在定容过程中，单位容积的物体，当其温度变化 1K（1）时，物体和外界交换的热量，称为该物体的定容容积比热。定容摩尔比热定容摩尔比热：在定容过程中，单位摩尔的物体，当其温度变化 1K（1）时，物体和外界交换的热量，称为该物体的定容摩尔比热。混合气体的分压力混合气体的分压力：维持混合气体的温度和容积不变时，各组成气体所具有的压力。道尔顿分压定律道尔顿分压定律：混合气体的总压力 P 等于各组成气体分压力 Pi之和。混合气体的分容积混合气体的分容积：维持混合气体的温度和压力不变时，各组成气体所具有的容积。阿密盖特分容积定律阿密盖特分容积定律：混合

11、气体的总容积 V 等于各组成气体分容积 Vi之和。混合气体的质量成分混合气体的质量成分：混合气体中某组元气体的质量与混合气体总质量的比值称为混合气体的质6量成分。混合气体的容积成分混合气体的容积成分：混合气体中某组元气体的容积与混合气体总容积的比值称为混合气体的容积成分。混合气体的摩尔成分混合气体的摩尔成分：混合气体中某组元气体的摩尔数与混合气体总摩尔数的比值称为混合气体的摩尔成分。对比参数对比参数：各状态参数与临界状态的同名参数的比值。对比态定律对比态定律：对于满足同一对比态方程式的各种气体，对比参数rp、rT和rv中若有两个相等，则第三个对比参数就一定相等，物质也就处于对应状态中。2.常用

12、公式常用公式理想气体状态方程理想气体状态方程：1RTpv 式中p绝对压力Pav比容m3/kgT热力学温度K适用于 1 千克理想气体。2mRTpV 式中V质量为 mkg 气体所占的容积适用于 m 千克理想气体。3TRpVM0T式中VM=Mv气体的摩尔容积，m3/kmol；R0=MR通用气体常数，J/kmolK适用于 1 千摩尔理想气体。4TnRpV0式中VnKmol 气体所占有的容积，m3；n气体的摩尔数，Mmn，kmol适用于 n 千摩尔理想气体。5通用气体常数：R083140RJ/KmolKR0与气体性质、状态均无关。6气体常数：RMMRR83140J/kgKR 与状态无关，仅决定于气体性质

13、。771 12212p vp vTT比热比热：1比热定义式：dTqc表明单位物量的物体升高或降低 1K 所吸收或放出的热量。其值不仅取决于物质性质，还与气体热力的过程和所处状态有关。2质量比热、容积比热和摩尔比热的换算关系：04.22cMcc式中 c质量比热，kJ/Kgk c容积比热，kJ/m3kMc摩尔比热，kJ/Kmolk3定容比热：vvvvTudTdudTqc表明单位物量的气体在定容情况下升高或降低 1K 所吸收或放出的热量。4定压比热：dTdhdTqcpp表明单位物量的气体在定压情况下升高或降低 1K 所吸收或放出的热量。5梅耶公式：RccvpRccvp00RMRMcMcvp6比热比：

14、vpvpvpMcMccccc1Rcv1nRcp道尔顿分压定律道尔顿分压定律：VTniinpppppp,1321阿密盖特分容积定律阿密盖特分容积定律：PTniinVVVVVV,1321质量成分：质量成分：iimgm1211nniigggg8容积成分：容积成分：iiVrV1211nniirrrrr摩尔成分：摩尔成分：iinxn1211nniixxxxx容积成分与摩尔成分关系：容积成分与摩尔成分关系：iiinrxn质量成分与容积成分：质量成分与容积成分：iiiiiiiimn MMMgxrmnMMMiiiiiiiMRgrrrMR折合分子量：折合分子量：111niinniiiiiiin MmMx MrM

15、nn1211211nniiniMggggMMMM折合气体常数：折合气体常数：0010001nniiniiiiiiRmn RRnRMRg RMmmm0012112211211nninniniRRRrrrrMrMr Mr MRRRR分压力的确定分压力的确定iiiVppr pViiiiiiiRMpgpgpgpMR混合气体的比热容混合气体的比热容：121nnniiicgg cg c12c+g c+混合气体的容积比热容：混合气体的容积比热容：121nnniiicrr crc12c+rc+9混合气体的摩尔比热容混合气体的摩尔比热容：11nniiiiiiiMcMg cx M c混合气体的热力学能、焓和熵混合

16、气体的热力学能、焓和熵1niiUU或1niiiUmu1niiHH或1niiiHmh1niiSS或1ni iiSm s范德瓦尔范德瓦尔(Van der Waals)方程方程2apvbRTv对于对于 1kmol 实际气体实际气体02MMapVbR TV压缩因子：压缩因子：idvpvzvRT对比参数：对比参数：rcTTT，rcppp，rcvvv3.重要图表常用气体在理想状态下的定压摩尔比热与温度的关系常用气体在理想状态下的定压摩尔比热与温度的关系23123(/()poMcaaTa Ta TkJkmol k气体分子式0a3110a 6210a 9310a 温度范围（K）最大误差%空气氢H28.1062

17、8.101.9665-1.91594.8023-4.0038-1.9661-0.8704273180027318000.721.01氧O225.17715.2022-5.06181.311727318001.19氮N228.907-1.57138.0805-28.725627318000.59一氧化碳CO28.2601.67515.3717-2.221927318000.89二氧化碳CO222.25759.8084-35.01007.469327318000.64710水蒸气H2O32.2381.923410.5549-3.595227318000.53乙烯C2H24.1261155.0213

18、-81.545516.975529815000.30丙烯C3H43.7457234.0107-115.127821.735329815000.44甲烷CH419.88750.241612.6860-11.011327315001.33乙烷C2H65.413178.0872-69.37498.714729815000.70丙烷C3H8-4.233306.264-158.631632.145529815000.28几种气体在理想气体状态下的平均定压质量比热容t()O2N2H2CO空气CO2H2O00.9151.03914.1951.0401.0040.8151.8591000.9231.04014

19、.3531.0421.0060.8661.8732000.9351.04314.4211.0461.0120.9101.8943000.9501.04914.4461.0541.0190.9491.9194000.9651.05714.4771.0631.0280.9831.9485000.9791.06614.5091.0751.0391.0131.9786000.9931.07614.5421.0861.0501.0402.0097001.0051.08714.5871.0981.0611.0642.0428001.0161.09714.6411.1091.0711.0852.075900

20、1.0261.10814.7061.1201.0811.1042.11010001.0351.11814.7761.1301.0911.1222.14411001.0431.12714.8531.1401.1001.1382.17712001.0511.13614.9341.1491.1081.1532.21113001.0581.14515.0231.1581.1171.1662.24314001.0651.15315.1131.1661.1241.1782.27415001.0711.16015.2021.1731.1311.1892.30516001.0771.16715.2941.18

21、01.1381.2002.33517001.0831.17415.3831.1871.1441.2092.36318001.0891.18015.4721.1921.1501.2182.39119001.0941.18615.5611.1981.1561.2262.41720001.0991.19115.6491.2031.1611.2332.44221001.1041.19715.7361.2081.1661.2412.46622001.1091.20115.8191.2131.1711.2472.48923001.1141.20615.9021.2181.1761.2532.5122400

22、1.1181.21015.9831.2221.1801.2592.53325001.1231.21416.0641.2261.1821.2642.554密度（kg/m3)1.42861.25050.089991.25051.29321.96480.8042几种气体的临界参数和范德瓦尔常数几种气体的临界参数和范德瓦尔常数物质名称cT（K）cp（MPa）310a(MPa.m6/kmol2）310b（m3/kmol）11HeH2N2O2CO2NH3H2OCH4CO5.333.3126.2154.8304.2405.5647.3190.7133.00.229011.297023.394565.0766

23、37.3869611.2983022.129704.640913.495893.576724.9304136.8115137.6429365.2920424.3812552.1069228.5001147.547924.0526.6838.6331.6842.7837.3030.3942.6939.53几种气体的临界压缩因子几种气体的临界压缩因子物质HeH2N2O2CO2NH3H2OCOCH4cz0.3000.3040.2970.2920.2740.2380.2300.2940.290图 2-5 通用压缩因子图第三章热力学第一定律第三章热力学第一定律1.基本概念基本概念热力学第一定律热力学第一

24、定律:能量既不能被创造，也不能被消灭，它只能从一种形式转换成另一种形式，或从一个系统转移到另一个系统，而其总量保持恒定，这一自然界普遍规律称为能量守恒与转换定律。把这一定律应用于伴有热现象的能量和转移过程，即为热力学第一定律。第一类永动机第一类永动机：不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机，称为第一类永动机。热力学能热力学能：热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和。外储存能外储存能：也是系统储存能的一部分，取决于系统工质与外力场的相互作用（如重力位能）及以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量（宏观动能）。这两种能量统称为外储存能。轴功轴功：系统通过机械轴与外界传递的

25、机械功称为轴功。流动功（或推动功）流动功（或推动功）：当工质在流进和流出控制体界面时，后面的流体推开前面的流体而前进，这样后面的流体对前面的流体必须作推动功。因此，流动功是为维持流体通过控制体界面而传递的机械功，它是维持流体正常流动所必须传递的能量。12焓焓：流动工质向流动前方传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量。对于流动工质，焓=内能+流动功，即焓具有能量意义；对于不流动工质，焓只是一个复合状态参数。稳态稳流工况稳态稳流工况：工质以恒定的流量连续不断地进出系统，系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化，称稳态稳流工况。技术功技术功：在热力过程中可被直接利用

26、来作功的能量，称为技术功。动力机动力机：动力机是利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备。压气机压气机：消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备称为压气机。节流节流：流体在管道内流动，遇到突然变窄的断面，由于存在阻力使流体压力降低的现象。2.常用公式常用公式外储存能外储存能：1宏观动能：221mcEk2重力位能：mgzEp式中g重力加速度。系统总储存能系统总储存能：1pkEEUE或mgzmcUE2212gzcue2213UE 或ue（没有宏观运动，并且高度为零）热力学能变化热力学能变化：1dTcduv，21dTcuv适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程2)(12TTcuv适用于理想气体一切过程或

27、者实际气体定容过程（用定值比热计算）3102000121221tctcdtcdtcdtcutvmtvmtvtvttv适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用平均比热计算）4把 Tfcv的经验公式代入21dTcuv积分。适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用真实比热公式计算）5niiiniinumUUUUU112113由理想气体组成的混合气体的热力学能等于各组成气体热力学能之和，各组成气体热力学能又可表示为单位质量热力学能与其质量的乘积。621pdvqu适用于任何工质，可逆过程。7qu 适用于任何工质，可逆定容过程821pdvu适用于任何工质，可逆绝热过程。90U适用于闭口系统任何

28、工质绝热、对外不作功的热力过程等热力学能或理想气体定温过程。10WQU适用于 mkg 质量工质，开口、闭口，任何工质，可逆、不可逆过程。11.wqu适用于 1kg 质量工质，开口、闭口，任何工质，可逆、不可逆过程12.pdvqdu适用于微元，任何工质可逆过程13pvhu热力学能的变化等于焓的变化与流动功的差值。焓的变化焓的变化：1pVUH适用于 m 千克工质2pvuh适用于 1 千克工质3 TfRTuh适用于理想气体4dTcdhp，dTchp21适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程5)(12TTchp适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程，用定值比热计算6102000

29、121221tctcdtcdtcdtchtpmtpmtptpttp适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程用平均比热计算7把 Tfcp的经验公式代入21dTchp积分。14适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程，用真实比热公式计算8niiiniinhmHHHHH1121由理想气体组成的混合气体的焓等于各组成气体焓之和，各组成气体焓又可表示为单位质量焓与其质量的乘积。9热力学第一定律能量方程CVSdEWmgzChmgzChQ11211222222121适用于任何工质，任何热力过程。10swgdzdcqdh221适用于任何工质，稳态稳流热力过程11swqdh适用于任何工质稳态

30、稳流过程，忽略工质动能和位能的变化。1221vdpqh适用于任何工质可逆、稳态稳流过程，忽略工质动能和位能的变化。1321vdph适用于任何工质可逆、稳态稳流绝热过程，忽略工质动能和位能的变化。14qh 适用于任何工质可逆、稳态稳流定压过程，忽略工质动能和位能的变化。150h适用于任何工质等焓或理想气体等温过程。熵的变化熵的变化：121Tqs适用于任何气体，可逆过程。2gfsssfs为熵流，其值可正、可负或为零；gs为熵产，其值恒大于或等于零。312lnTTcsv（理想气体、可逆定容过程）412lnTTcsp（理想气体、可逆定压过程）52112lnlnppRvvRs（理想气体、可逆定温过程）6

31、0s（定熵过程）15121212121212lnlnlnlnlnlnppcvvcppRTTcvvRTTcsvppv适用于理想气体、任何过程功量功量：膨胀功（容积功）膨胀功（容积功）：1pdvw 或21pdvw适用于任何工质、可逆过程20w适用于任何工质、可逆定容过程321wp vv适用于任何工质、可逆定压过程412lnvvRTw 适用于理想气体、可逆定温过程5uqw适用于任何系统，任何工质，任何过程。6qw 适用于理想气体定温过程。7uw适用于任何气体绝热过程。8dTCwv21适用于理想气体、绝热过程9kkppkRTTTRkvpvpkuw1121212211111111适用于理想气体、可逆绝热

32、过程101611111111121212211nppnRTTTRnvpvpnwnn适用于理想气体、可逆多变过程流动功流动功:1122vpvpwf推动 1kg 工质进、出控制体所必须的功。技术功技术功:1stwzgcw221热力过程中可被直接利用来作功的能量，统称为技术功。2stwgdzdcw221适用于稳态稳流、微元热力过程32211vpvpwwt技术功等于膨胀功与流动功的代数和。4vdpwt适用于稳态稳流、微元可逆热力过程521vdpwt适用于稳态稳流、可逆过程热量热量：1TdSq 适用于任何工质、微元可逆过程。221Tdsq适用于任何工质、可逆过程3WUQ适用于 mkg 质量任何工质，开口

33、、闭口，可逆、不可逆过程4wuq适用于 1kg 质量任何工质，开口、闭口，可逆、不可逆过程5pdvduq适用于微元，任何工质可逆过程。621pdvuq17适用于任何工质可逆过程。7CVSdEWmgZChmgZChQ11211222222121适用于任何工质，任何系统，任何过程。8swgdzdcdhq221适用于微元稳态稳流过程9twhq适用于稳态稳流过程10uq适用于任何工质定容过程1112TTcqv适用于理想气体定容过程。12hq适用于任何工质定压过程1312TTcqp适用于理想气体、定压过程140q适用于任何工质、绝热过程151112nTTcnknqv适用于理想气体、多变过程3.重要图表重要图表18图图 31 轴功轴功图图 32 流动功流动功图图 33 闭口系统的能量转换闭口系统的能量转换图图 37 技术功技术功图图 35 开口系统开口系统19第四章理想气体的热力过程及气体压缩第四章理