工程熱力學(xué)知識點(diǎn)講解演講人：2025-03-15目錄工程熱力學(xué)概述熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換原理熱力學(xué)第一定律與能量守恒熱力學(xué)第二定律與熵增原理理想氣體與實(shí)際氣體性質(zhì)對比蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)原理01工程熱力學(xué)概述PART熱力學(xué)研究熱現(xiàn)象中物質(zhì)系統(tǒng)在平衡時(shí)的性質(zhì)和建立能量的平衡關(guān)系以及狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)與外界相互作用的學(xué)科。工程熱力學(xué)熱力學(xué)分支之一，主要研究熱能與機(jī)械能和其他能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用。熱力學(xué)與工程熱力學(xué)關(guān)系研究熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程以及轉(zhuǎn)換效率，如蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等熱力設(shè)備的工作原理。熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換研究熱量在物體中傳遞的規(guī)律，包括導(dǎo)熱、對流和輻射三種方式。熱能傳遞規(guī)律研究熱力設(shè)備中的熱力過程，分析能量的轉(zhuǎn)換、利用和損失，尋求提高能量利用效率的途徑。熱力過程分析工程熱力學(xué)研究內(nèi)容利用熱力學(xué)原理，將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備工作。利用熱力學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)制冷劑的循環(huán)和壓縮，達(dá)到降溫和調(diào)節(jié)空氣的目的。研究如何提高熱力設(shè)備的效率，減少能量損失，實(shí)現(xiàn)能源的合理利用和節(jié)約。在航天器和汽車的設(shè)計(jì)中，利用熱力學(xué)原理進(jìn)行熱管理和熱控制，確保設(shè)備在高溫或低溫環(huán)境下的正常運(yùn)行。工程熱力學(xué)在機(jī)械工程中的應(yīng)用熱力發(fā)動(dòng)機(jī)制冷與空調(diào)熱能利用與節(jié)能航天與汽車工程02熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換原理PART通過燃燒產(chǎn)生熱能，使水變成蒸汽，蒸汽推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。蒸汽機(jī)燃料在氣缸內(nèi)燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)猓細(xì)馔苿?dòng)活塞做功，從而將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。內(nèi)燃機(jī)利用鍋爐產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)或機(jī)械裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。蒸汽輪機(jī)熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能過程當(dāng)兩個(gè)物體發(fā)生摩擦?xí)r，機(jī)械能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，例如剎車系統(tǒng)中的剎車片和剎車盤摩擦產(chǎn)生熱量。摩擦生熱機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能過程氣體被壓縮時(shí)，其溫度和壓力都會(huì)升高，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，如內(nèi)燃機(jī)中的壓縮沖程。壓縮生熱電流通過電阻時(shí)，電能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，這也是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的一種方式，如電動(dòng)機(jī)過載時(shí)發(fā)熱。電流的熱效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換效率及影響因素轉(zhuǎn)換效率定義能量轉(zhuǎn)換效率是指某一過程中有效利用的能量與輸入總能量的比值。影響因素能量轉(zhuǎn)換效率受多種因素影響，包括轉(zhuǎn)換設(shè)備的類型、技術(shù)水平、運(yùn)行狀況以及環(huán)境因素等。例如，蒸汽機(jī)的效率受蒸汽壓力、溫度以及冷凝器效果的影響；內(nèi)燃機(jī)的效率受燃料種類、燃燒效率、機(jī)械損失等因素的影響。提高轉(zhuǎn)換效率的方法提高能源利用率、改進(jìn)轉(zhuǎn)換設(shè)備、減少能量損失等是提高能量轉(zhuǎn)換效率的有效途徑。例如，采用高效燃燒技術(shù)、優(yōu)化蒸汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、使用低電阻導(dǎo)線等都可以提高能量轉(zhuǎn)換效率。03熱力學(xué)第一定律與能量守恒PART熱力學(xué)第一定律表述內(nèi)能變化的三種方式熱力學(xué)第一定律還可以表述為，一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功之和。系統(tǒng)從外界吸收熱量，內(nèi)能增加；系統(tǒng)對外界做功，內(nèi)能減少。能量守恒的初步概念熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)領(lǐng)域中的具體表現(xiàn)，它揭示了熱現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)換和傳遞的守恒性。熱量和功的關(guān)系熱力學(xué)第一定律說明了熱量和功之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，即物體內(nèi)能的增加等于吸收的熱量和外界對物體所做功的總和。030201閉口系統(tǒng)在閉口系統(tǒng)中，能量不能創(chuàng)生也不能消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，或者從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)換和傳遞過程中總能量保持不變。能量守恒在系統(tǒng)中的應(yīng)用開口系統(tǒng)與外界交換對于開口系統(tǒng)，雖然系統(tǒng)與外界有物質(zhì)和能量的交換，但是交換的能量仍然滿足能量守恒定律，即系統(tǒng)吸收的能量等于系統(tǒng)放出的能量與系統(tǒng)內(nèi)能的變化之和。能量守恒在熱力學(xué)第一定律中的體現(xiàn)在熱力學(xué)第一定律的公式中，能量守恒體現(xiàn)在熱量和功的轉(zhuǎn)換以及內(nèi)能的變化上，保證了能量在轉(zhuǎn)換和傳遞過程中的守恒性。能量轉(zhuǎn)換與傳遞的分析方法在分析能量轉(zhuǎn)換時(shí)，首先要判斷是熱能轉(zhuǎn)換為其他形式的能（如機(jī)械能、電能等），還是其他形式的能轉(zhuǎn)換為熱能。這通常可以通過觀察能量的流向和變化來確定。能量轉(zhuǎn)換的判別能量傳遞主要有三種方式，即熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。熱傳導(dǎo)是通過物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)來傳遞能量；熱對流是通過流體的宏觀運(yùn)動(dòng)來傳遞能量；熱輻射是通過電磁波來傳遞能量。在分析能量傳遞時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的傳遞方式。能量傳遞的方式在分析能量轉(zhuǎn)換和傳遞的過程中，要始終遵循能量守恒定律，即系統(tǒng)初態(tài)的總能量等于系統(tǒng)末態(tài)的總能量。通過列寫能量守恒方程，可以求解出未知量，如溫度、熱量、功等。能量守恒定律的應(yīng)用01020304熱力學(xué)第二定律與熵增原理PART不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化。克勞修斯表述開爾文表述熵表述不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響。孤立系統(tǒng)的熵不會(huì)減少，總是增大或者不變。熱力學(xué)第二定律表述在孤立系統(tǒng)中，自發(fā)過程總是朝著熵增大的方向進(jìn)行，即系統(tǒng)總的無序度增加。熵增原理的定義用于判斷自發(fā)過程的方向，確定系統(tǒng)在沒有外部干預(yù)時(shí)的演化趨勢。熵增原理的應(yīng)用通過計(jì)算系統(tǒng)初態(tài)和末態(tài)的熵值，確定系統(tǒng)熵變的大小和方向。系統(tǒng)熵變的計(jì)算方法熵增原理及其在系統(tǒng)中的應(yīng)用010203可逆過程能夠逆向進(jìn)行的熱力學(xué)過程，在逆過程中系統(tǒng)恢復(fù)原狀而不產(chǎn)生任何影響。不可逆過程不能逆向進(jìn)行的熱力學(xué)過程，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)熵的增加，產(chǎn)生不可逆的變化。不可逆過程舉例熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)等自發(fā)過程都是不可逆的，因?yàn)樗鼈兌忌婕跋到y(tǒng)無序度的增加。不可逆過程與可逆過程的比較05理想氣體與實(shí)際氣體性質(zhì)對比PART理想氣體狀態(tài)方程及性質(zhì)理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程（IdealGasLaw），又稱理想氣體定律、普適氣體定律，是描述理想氣體在處于平衡態(tài)時(shí)，壓強(qiáng)、體積、溫度間關(guān)系的狀態(tài)方程。理想氣體性質(zhì)理想氣體是一個(gè)物理模型，假設(shè)分子無體積，無相互作用力，且分子間碰撞不造成能量損失。理想氣體具有可壓縮性和可膨脹性，且服從理想氣體定律。理想氣體定律的應(yīng)用理想氣體定律在工程熱力學(xué)中被廣泛應(yīng)用于計(jì)算氣體的狀態(tài)參數(shù)，如壓力、溫度、體積等，以及進(jìn)行熱力過程的模擬和分析。實(shí)際氣體與理想氣體的差異分子體積與相互作用實(shí)際氣體分子本身占有容積，且分子間存在相互作用力，這使得實(shí)際氣體的行為與理想氣體有所偏離。壓縮性與膨脹性溫度與壓力的關(guān)系實(shí)際氣體的壓縮性和膨脹性受到分子間相互作用力的影響，其壓力與體積的關(guān)系并不完全遵循理想氣體定律。實(shí)際氣體的溫度與壓力關(guān)系更為復(fù)雜，不能簡單地用理想氣體定律進(jìn)行描述。實(shí)際氣體狀態(tài)方程及性質(zhì)介紹實(shí)際氣體狀態(tài)方程實(shí)際氣體狀態(tài)方程（actualgasequationofstate）是指一定量實(shí)際氣體達(dá)到平衡態(tài)時(shí)其狀態(tài)參量之間函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表示，考慮了分子間相互作用力和分子體積的影響。范德瓦爾斯方程范德瓦爾斯方程是一種常用的實(shí)際氣體狀態(tài)方程，它考慮了分子間相互作用力和分子體積的影響，能夠更準(zhǔn)確地描述實(shí)際氣體的行為。實(shí)際氣體的性質(zhì)與應(yīng)用實(shí)際氣體的性質(zhì)受到其分子結(jié)構(gòu)、分子間相互作用力以及溫度、壓力等狀態(tài)參數(shù)的影響。了解實(shí)際氣體的性質(zhì)對于工程熱力學(xué)中的氣體處理、管道設(shè)計(jì)、壓縮機(jī)和膨脹機(jī)等設(shè)備的性能分析和優(yōu)化具有重要意義。06蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)原理PART效率影響因素蒸汽動(dòng)力循環(huán)效率受到多種因素的影響，如鍋爐效率、蒸汽輪機(jī)效率、冷凝器效率和給水泵效率等。蒸汽動(dòng)力循環(huán)的基本過程蒸汽動(dòng)力循環(huán)包括鍋爐加熱、蒸汽輪機(jī)做功、冷凝器冷凝和給水泵提升壓力等過程。蒸汽動(dòng)力循環(huán)的效率蒸汽動(dòng)力循環(huán)的效率由熱源溫度和熱阱溫度決定，提高熱源溫度或降低熱阱溫度都能提高效率。蒸汽動(dòng)力循環(huán)過程及效率分析制冷循環(huán)包括壓縮、冷凝、膨脹和蒸發(fā)等過程，通過制冷劑在封閉系統(tǒng)中的循環(huán)來實(shí)現(xiàn)制冷。制冷循環(huán)的基本過程制冷循環(huán)的效率取決于制冷劑的種類、制冷循環(huán)的壓縮比和蒸發(fā)溫度等因素。制冷循環(huán)的效率制冷循環(huán)中，熱量從低溫環(huán)境轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境，通過冷凝器排出，從而實(shí)現(xiàn)制冷效果。制