工程熱力學(xué)大總結(jié)-第五版?摘要：本總結(jié)圍繞工程熱力學(xué)第五版教材展開，涵蓋了基本概念、熱力系統(tǒng)、熱力過程、熱力學(xué)定律以及實際氣體等重要內(nèi)容。通過梳理知識點、總結(jié)關(guān)鍵公式與結(jié)論，旨在幫助讀者系統(tǒng)地復(fù)習(xí)工程熱力學(xué)，加深對該學(xué)科的理解，為解決相關(guān)工程實際問題提供理論支持。一、基本概念（一）熱力系統(tǒng)1.定義：人為選取的、用于研究的有限物質(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.特性狀態(tài)一定，參數(shù)一定：系統(tǒng)處于某一確定狀態(tài)時，其狀態(tài)參數(shù)具有確定值。狀態(tài)變化，參數(shù)變化：系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變時，至少有一個狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化。狀態(tài)參數(shù)是點函數(shù)：其變化量只與初末狀態(tài)有關(guān)，與變化途徑無關(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)的歷程。2.常見過程定容過程：比體積不變，$v=const$，$q_v=\Deltau$。定壓過程：壓力不變，$p=const$，$q_p=\Deltah$。定溫過程：溫度不變，$T=const$，$pv=const$，$\Deltau=0$，$q=w$。絕熱過程：$q=0$，$pv^k=const$，$T_1/T_2=(v_2/v_1)^{k1}=(p_2/p_1)^{\frac{k1}{k}}$，其中$k=c_p/c_v$為絕熱指數(shù)。二、熱力學(xué)第零定律（一）內(nèi)容如果兩個熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個都與第三個熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處于熱平衡。（二）意義為溫度的測量提供了理論依據(jù)，引出了溫度這個狀態(tài)參數(shù)，使得不同物體之間的熱平衡關(guān)系得以量化描述。三、熱力學(xué)第一定律（一）內(nèi)容熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γσ部梢赞D(zhuǎn)變?yōu)闊幔幌囊欢ǖ墓Ρ禺a(chǎn)生一定的熱，一定的熱消失時，也必產(chǎn)生一定的功。對于一個熱力系統(tǒng)，在經(jīng)歷一個熱力過程時，系統(tǒng)儲存能量的變化等于外界對系統(tǒng)傳遞的熱量與系統(tǒng)對外界做功之差。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：$\DeltaU=QW$（閉口系統(tǒng)）；$\DeltaU+\Delta(mE_k)+\Delta(mE_p)=QW$（開口系統(tǒng)）。（二）能量方程1.閉口系統(tǒng)能量方程定容過程：$q_v=\Deltau$定壓過程：$q_p=\Deltah$定溫過程：$q=w=p_1v_1\ln\frac{v_2}{v_1}=p_2v_2\ln\frac{p_1}{p_2}$絕熱過程：$w=\Deltau=c_v(T_1T_2)$2.開口系統(tǒng)能量方程（穩(wěn)定流動能量方程）：$q=\Deltah+\frac{1}{2}(c_{f2}^2c_{f1}^2)+g(z_2z_1)+w_{shaft}$，其中$c_f$為流速，$z$為高度，$w_{shaft}$為軸功。（三）內(nèi)能、焓1.內(nèi)能：是系統(tǒng)內(nèi)部能量的總和，包括分子動能、分子勢能等，是狀態(tài)函數(shù)，與溫度有關(guān)。2.焓：定義為$H=U+pV$，也是狀態(tài)函數(shù)，在定壓過程中，焓的變化等于熱量，$q_p=\DeltaH$。四、熱力學(xué)第二定律（一）內(nèi)容1.克勞修斯說法：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。2.開爾文說法：不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響。（二）熵1.定義：熵是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，它表示系統(tǒng)的無序程度。數(shù)學(xué)表達(dá)式為$dS=\frac{\deltaQ}{T}$（可逆過程）。對于不可逆過程，有$dS>\frac{\deltaQ}{T}$。2.熵增原理：孤立系統(tǒng)的熵永不減少，即$\DeltaS_{iso}\geq0$。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡態(tài)時，熵達(dá)到最大值。（三）熵變計算1.單純狀態(tài)變化理想氣體：$\DeltaS=m(c_p\ln\frac{T_2}{T_1}R\ln\frac{p_2}{p_1})=m(c_v\ln\frac{T_2}{T_1}+R\ln\frac{v_2}{v_1})$定溫過程：$\DeltaS=\frac{Q}{T}$2.熱力過程可逆過程：通過$dS=\frac{\deltaQ}{T}$積分計算。不可逆過程：通過設(shè)計相同初末態(tài)的可逆過程來計算熵變，因為熵是狀態(tài)函數(shù)，與過程無關(guān)。五、理想氣體（一）狀態(tài)方程$pv=RT$，其中$R$為氣體常數(shù)，$R=\frac{R_m}{M}$，$R_m$為通用氣體常數(shù)，$R_m=8.314\J/(mol\cdotK)$，$M$為氣體摩爾質(zhì)量。（二）比熱容1.定容比熱容：$c_v=\frac{du}{dT}$2.定壓比熱容：$c_p=\frac{dh}{dT}$3.關(guān)系：$c_pc_v=R$，$k=\frac{c_p}{c_v}$（三）熱力過程計算根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程以及上述比熱容關(guān)系，結(jié)合不同熱力過程的特點（如定容、定壓、定溫、絕熱等），利用能量方程和狀態(tài)參數(shù)變化公式進(jìn)行過程中功、熱量、內(nèi)能變化、焓變化以及熵變化的計算。例如，絕熱過程中，根據(jù)$pv^k=const$和理想氣體狀態(tài)方程可推導(dǎo)出各參數(shù)變化關(guān)系；定溫過程中，$q=w=p_1v_1\ln\frac{v_2}{v_1}=p_2v_2\ln\frac{p_1}{p_2}$等。六、實際氣體（一）范德瓦爾方程$(p+\frac{a}{v^2})(vb)=RT$，其中$a$、$b$為范德瓦爾常數(shù)，用于修正理想氣體狀態(tài)方程中分子間引力和分子本身體積的影響。（二）壓縮因子$Z=\frac{pv}{RT}$，反映實際氣體與理想氣體的偏差程度。$Z=1$時為理想氣體；$Z>1$表示氣體比理想氣體難壓縮；$Z<1$表示氣體比理想氣體易壓縮。（三）對比態(tài)原理引入對比參數(shù)：對比壓力$p_r=\frac{p}{p_c}$，對比溫度$T_r=\frac{T}{T_c}$，對比體積$v_r=\frac{v}{v_c}$，其中$p_c$、$T_c$、$v_c$為臨界壓力、臨界溫度和臨界比體積。處于相同對比態(tài)的不同氣體，具有大致相同的壓縮因子和其他熱力性質(zhì)。七、熱力循環(huán)（一）正向循環(huán)1.定義：工質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰幔瑢ν庾龉Γ虻蜏責(zé)嵩捶艧幔错槙r針方向進(jìn)行的循環(huán)。2.熱效率：$\eta_t=\frac{w_{net}}{q_1}=1\frac{q_2}{q_1}$，其中$w_{net}$為循環(huán)凈功，$q_1$為從高溫?zé)嵩次盏臒崃浚?q_2$為向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃俊＃ǘ┠嫦蜓h(huán)1.制冷循環(huán)：消耗功，從低溫?zé)嵩次鼰幔蚋邷責(zé)嵩捶艧幔沟蜏責(zé)嵩礈囟冉档停瑢崿F(xiàn)制冷目的。制冷系數(shù)$\varepsilon=\frac{q_2}{w}=\frac{T_2}{T_1T_2}$。2.熱泵循環(huán)：消耗功，從低溫?zé)嵩次鼰幔蚋邷責(zé)嵩捶艧幔糜诠帷９嵯禂?shù)$\varepsilon'=\frac{q_1}{w}=\frac{T_1}{T_1T_2}$。（三）卡諾循環(huán)1.組成：由兩個定溫過程和兩個絕熱過程組成。2.熱效率：$\eta_{t,c}=1\frac{T_2}{T_1}$，是一切熱機(jī)效率的最高極限。（四）回?zé)嵫h(huán)利用汽輪機(jī)中做了部分功的蒸汽來加熱進(jìn)入鍋爐的給水，提高循環(huán)熱效率。例如朗肯循環(huán)采用回?zé)岷螅墒篃嵝实玫斤@著提高。八、蒸汽動力循環(huán)（一）朗肯循環(huán)1.組成：由鍋爐、汽輪機(jī)、冷凝器和給水泵組成。工質(zhì)在鍋爐中定壓吸熱汽化，在汽輪機(jī)中絕熱膨脹做功，在冷凝器中定壓放熱凝結(jié)，在給水泵中絕熱壓縮升壓回到鍋爐。2.熱效率：$\eta_{t,R}=1\frac{h_2h_1}{h_3h_2}$，其中$h_1$、$h_2$、$h_3$分別為給水泵出口、汽輪機(jī)出口和鍋爐出口蒸汽的焓值。（二）提高朗肯循環(huán)熱效率的方法1.提高蒸汽初參數(shù)：提高蒸汽壓力$p_1$和溫度$T_1$，可使循環(huán)平均吸熱溫度提高，從而提高熱效率。2.降低蒸汽終參數(shù)：降低冷凝器壓力$p_2$，可使循環(huán)平均放熱溫度降低，提高熱效率。3.采用回?zé)嵫h(huán)：如上述所述，利用抽汽加熱給水，減少冷源損失，提高熱效率。九、內(nèi)燃機(jī)循環(huán)（一）奧托循環(huán)1.組成：由進(jìn)氣、壓縮、燃燒加熱、膨脹和排氣過程組成，是汽油機(jī)的理想循環(huán)。2.熱效率：$\eta_{t,O}=1\frac{1}{(v_1/v_2)^{k1}}$，其中$v_1/v_2$為壓縮比。壓縮比越大，熱效率越高，但受爆震等因素限制。（二）狄塞爾循環(huán)1.組成：由進(jìn)氣、壓縮、燃燒加熱、膨脹和排氣過程組成，是柴油機(jī)的理想循環(huán)。2.熱效率：$\eta_{t,D}=1\frac{1}{k}\frac{(v_1/v_2)^k1}{(v_3/v_2)1}$，其中$v_1/v_2$為壓縮比，$v_3/v_2$為預(yù)脹比。十、總結(jié)工程熱力學(xué)第五版涵蓋了豐富