完整版工程热力学大总结 第五版.docx
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完整版工程热力学大总结第五版
第一章基本概念
1.基本概念
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：
分隔系统与外界的分界面，称为边界。
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：
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：
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：
系统与外界之间没有热量传递，称为绝热系统。
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：
系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相系。
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：
由一种化学成分组成的系统称为单元系。
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：
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：
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：
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：
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。
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
（u）或密度（p）、内能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能（f）、自由焓（g）等。
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：
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：
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：
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：
相对于大气环境所测得的压力。
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：
单位质量工质所具有的容积，称为工质的比容。
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：
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：
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、
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：
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：
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：
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：
通过热力系边界所传递的除功之外的能量。
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
状态参数：
2
dxx2x1dx0
i
状态参数是状态的函数，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：
2
BT
mw
2
2_
式中叱一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
2
方根速度；
B—比例常数；
T—气体的热力学温度。
2.T273t
压力：
2
2
1.P
mwn
32
式中P—单位面积上的绝对压力;
N
n—分子浓度，即单位容积内含有气体的分子数n，其中N为容积V包含的气体
分子总数。
F
2-Pf
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）。
3.pBPg（P>B）
pBH（P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：
1.vVm3/kg
m
式中V—工质的容积
m—工质的质量
2.v1
式中一工质的密度kg/m3
v—工质的比容m3/kg
热力循环：
*q*w
w0q1q21
tI
q1q
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。
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。
Woq1q2
3.重要图表
式中
q1—工质向热源放出热量
q2—工质从冷源吸取热量
wo—循环所作的净功
供热系数:
2
qi
qi
边界
真空气缸
活塞
水平
图1-1热力系统
控制界血
1[
<
—1
2
1
\/
1
冷空气l
V
1
执空气
/11«\
r
/\
1
1
/A
1
2
加热器
图1-3开口系统
I—咿门
L•
系
Lj
b*/统「s-I
if•*
T：
：
■/>/.<：
7
****■■
\；m・'J
M二二/
假想边界
图1-2边界可变形系统
孤立系统边界
图1-4孤立系统
出口設
正圧
P
大气圧力H
电
工
1\
1
¥J
-
AJr;
1
电
*
I贝LL
0绝对真空
图1-6各压力间的关系
（a）正循环；（b）逆循环
第二章气体的热力性质
1.基本概念
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：
单位物量的物体，温度升高或降低1K（1C）所吸收或放出的热量，称为该物体的比热。
定容比热：
在定容情况下，单位物量的物体，温度变化1K（1C）所吸收或放出的热量，称为该物
体的定容比热。
定压比热：
在定压情况下，单位物量的物体，温度变化1K（1C）所吸收或放出的热量，称为该物
体的定压比热。
1K（1C）时，物体和外界交换的
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
热量，称为该物体的定压质量比热。
1K（1C）时，物体和外界交换的
1K（1C）时，物体和外界交换的
1K（1C）时，物体和外界交换的
1K（1C）时，物体和外界交换的
1K（1C）时，物体和外界交换的
定压容积比热：
在定压过程中，单位容积的物体，当其温度变化热量，称为该物体的定压容积比热。
定压摩尔比热：
在定压过程中，单位摩尔的物体，当其温度变化热量，称为该物体的定压摩尔比热。
定容质量比热：
在定容过程中，单位质量的物体，当其温度变化热量，称为该物体的定容质量比热。
定容容积比热：
在定容过程中，单位容积的物体，当其温度变化热量，称为该物体的定容容积比热。
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
热量，称为该物体的定容摩尔比热。
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：
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：
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：
混合气体的总容积V等于各组成气体分容积V之和。
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量
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：
各状态参数与临界状态的同名参数的比值。
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Pr、Tr和Vr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.常用公式
理想气体状态方程：
1．PVRT
式中p—绝对压力Pa
V—比容m3/kg
T—热力学温度K
适用于1千克理想气体。
2．pVmRT
式中V—质量为mkg气体所占的容积
适用于m千克理想气体。
3．pVMR0T
式中Vm=Mv—气体的摩尔容积，m3/kmol;
Ro=MR—通用气体常数，J/kmol•K
适用于1千摩尔理想气体。
4.pVnRgT
式中
V—nKmol气体所占有的容积，m3;
n气体的摩尔数，n—,kmol
M
适用于
n千摩尔理想气体。
5.通用气体常数：
Ro
Ro8314J/Kmol•K
Ro与气体性质、状态均无关。
6.气体常数：
R
J/kg•K
Ro8314
R-
MM
R与状态无关，仅决定于气体性质。
PlViP2V2
TiT2
比热：
q
1.比热定义式：
c—
dT
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：
C'座C°
22.4
式中c—质量比热，kJ/Kg•k
c'—容积比热，kJ/m3•k
Me—摩尔比热，kJ/Kmol•k
3.定容比热:
CV
qvduvdTdT
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:
CP
qpdh
dTdT
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:
CpCv
°R
MCpMcvMRR0
6.比热比:
CvC'v
MCp
MC；
R
C—1
nR
CP
道尔顿分压定律:
Pi
P2
P3
Pn
n
Pi
1T,V
阿密盖特分容积定律
V2
V3
Vn
n
Vi
1
T,P
质量成分:
gi
mi
容积成分:
摩尔成分:
Xi
容积成分与摩尔成分关系:
质量成分与容积成分:
折合分子量:
g1
ni
g2
ri
gi
X1
X2
niMi
gn
ri
niMi
nM
gi
gi
Xn
xi
n
xiMi
i1
ri
Xi
1
ni
ri
Xi
Mi
M
Mi
*M
n
riMi
i1
glg2M1M2
gn
gi
折合气体常数：
R
Ro
n尺
n
i0
nR
m一
i1Mi
n
giR
i1
M
m
m
m
R
Ro
R0
1
1
M
r1M1
r2M
2LL
rnMnr1
R1
r2LL
R2
rn
Rn
n主
i1Ri
Mn
i1Mi
分压力的确定
PiVlPrip
V
PigiLgp
i
n
混合气体的比热容：
cgCi+g2C2+LLgncngici
i1
n
混合气体的容积比热容：
c'r1c'+r2C2+LLrnc'nrc'i
i1
nn
混合气体的摩尔比热容：
Me
M
i
gQ
1
xiM
i1
iG
混合气体的热力学能、焓和熵
U
n
Ui
i1
或
U
n
miU
i1
H
n
Hi
i1
或
H
n
mihi
i1
S
n
S
i1
或
S
n
miSi
i1
范德瓦尔（VanderWaals）方程
对于Ikmol实际气体
a
VM2
Vmb
RoT
压缩因子:
对比参数:
vz
Vid
PV
RT
T
p
V
Tr
Pr
Vr
Tc
Pc
Vc
3.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
MCpaoa,Ta2T2a3T3（kJ/（kmol*））
气体
分子式
a。
a1103
a2106
as109
温度范围
（K）
最大误差
%
空气
28.106
1.9665
4.8023
-1.9661
273~1800
0.72
氢
H
28.10
-1.9159
-4.0038
-0.8704
273~1800
1.01
氧
02
25.177
15.2022
-5.0618
1.3117
273~1800
1.19
氮
n2
28.907
-1.5713
8.0805
-28.7256
273~1800
0.59
一氧化碳
CO
28.260
1.6751
5.3717
-2.2219
273~1800
0.89
二氧化碳
CO2
22.257
59.8084
-35.0100
7.4693
273~1800
0.647
水蒸气
H2O
32.238
1.9234
10.5549
-3.5952
273~1800
0.53
乙烯
C2H2
4.1261
155.0213
-81.5455
16.9755
298~1500
0.30
丙烯
C3H4
3.7457
234.0107
-115.1278
21.7353
298~1500
0.44
甲烷
CH4
19.887
50.2416
12.6860
-11.0113
273~1500
1.33
乙烷
C2H6
5.413
178.0872
-69.3749
8.7147
298~1500
0.70
丙烷
C3H8
-4.233
306.264
-158.6316
32.1455
298~1500
0.28
几种气体在理想气体状态下的平均定压质量比热容
t「c）
02
N2
H2
CO
空气
CO2
H2O
0
0.915
1.039
14.195
1.040
1.004
0.815
1.859
100
0.923
1.040
14.353
1.042
1.006
0.866
1.873
200
0.935
1.043
14.421
1.046
1.012
0.910
1.894
300
0.950
1.049
14.446
1.054
1.019
0.949
1.919
400
0.965
1.057
14.477
1.063
1.028
0.983
1.948
500
0.979
1.066
14.509
1.075
1.039
1.013
1.978
600
0.993
1.076
14.542
1.086
1.050
1.040
2.009
700
1.005
1.087
14.587
1.098
1.061
1.064
2.042
800
1.016
1.097
14.641
1.109
1.071
1.085
2.075
900
1.026
1.108
14.706
1.120
1.081
1.104
2.110
1000
1.035
1.118
14.776
1.130
1.091
1.122
2.144
1100
1.043
1.127
14.853
1.140
1.100
1.138
2.177
1200
1.051
1.136
14.934
1.149
1.108
1.153
2.211
1300
1.058
1.145
15.023
1.158
1.117
1.166
2.243
1400
1.065
1.153
15.113
1.166
1.124
1.178
2.274
1500
1.071
1.160
15.202
1.173
1.131
1.189
2.305
1600
1.077
1.167
15.294
1.180
1.138
1.200
2.335
1700
1.083
1.174
15.383
1.187
1.144
1.209
2.363
1800
1.089
1.180
15.472
1.192
1.150
1.218
2.391
1900
1.094
1.186
15.561
1.198
1.156
1.226
2.417
2000
1.099
1.191
15.649
1.203
1.161
1.233
2.442
2100
1.104
1.197
15.736
1.208
1.166
1.241
2.466
2200
1.109
1.201
15.819
1.213
1.171
1.247
2.489
2300
1.114
1.206
15.902
1.218
1.176
1.253
2.512
2400
1.118
1.210
15.983
1.222
1.180
1.259
2.533
2500
1.123
1.214
16.064
1.226
1.182
1.264
2.554
密度p（kg/m3）
1.4286
1.2505
0.08999
1.2505
1.2932
1.9648
0.8042
几种气体的临界参数和范德瓦尔常数
物质名称
Tc
（K）
Pc
（MPa）
a103
（MPa.m6/kmol2）
b103
（m3/kmol）
He
5.3
0.22901
3.5767
24.05
H2
33.3
1.29702
24.9304
26.68
N2
126.2
3.39456
136.8115
38.63
O2
154.8
5.07663
137.6429
31.68
CO2
304.2
7.38696
365.2920
42.78
NH3
405.5
11.29830
424.3812
37.30
H2O
647.3
22.12970
552.1069
30.39
CH4
190.7
4.64091
228.5001
42.69
CO
133.0
3.49589
147.5479
39.53
几种气体的临界压缩因子
物质
He
H2
n2
O2
CO2
NH3
H2O
CO
CH4
Zc
0.300
0.304
0.297
0.292
0.274
0.238
0.230
0.294
0.290
图2-5通用压缩因子图
第三章热力学第一定律
1.基本概念
热力学第一定律：
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：
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：
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：
系统通过机械轴与外界传递的机械功称为轴功。
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。
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：
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：
在热力过程中可被直接利用来作功的能量，称为技术功。
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：
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：
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
外储存能：
宏观动能:
Ek
12me
2
重力位能:
系统总储存能
热力学能变化
2
5dT
1
适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程
2.uCv仃2T1）
适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用定值比热计算）
t2t2t1tt
3.uCvdtCvdtCvdtCvmft?
"0X
t,00
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）
2
4.把CvfT的经验公式代入uCvdT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）
nn
5．UU1U2UnUimiui
i1i1
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。
2
6．uqpdv
1适用于任何工质，可逆过程。
7．uq适用于任何工质，可逆定容过程
2
8．updv
1适用于任何工质，可逆绝热过程。
9．U0适用于闭口系统任何工质绝热、对外不作功的热力过程等热力学能或理想气体定温过程。
10．UQW
适用于mkg质量工质，开口、闭口，任何工质，可逆、不可逆过程。
11.uqw
适用于1kg质量工质，开口、闭口，任何工质，可逆、不可逆过程
12.duqpdv适用于微元，任何工质可逆过程13．uh
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