工程熱力學大總結_第五版 第一章基本概念 1.基本概念 熱力系統(tǒng)：用界面將所要研究的對象與周圍環(huán)境分隔開來，這種人為分隔的研究對象，稱為熱力系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)。 邊界：分隔系統(tǒng)與外界的分界面，稱為邊界。 外界：邊界以外與系統(tǒng)互相作用的物體，稱為外界或環(huán)境。 閉口系統(tǒng)：沒有物質(zhì)穿過邊界的系統(tǒng)稱為閉口系統(tǒng)，也稱控制質(zhì)量。 開口系統(tǒng)：有物質(zhì)流穿過邊界的系統(tǒng)稱為開口系統(tǒng)，又稱控制體積，簡稱控制體，其界面稱為控制界面。 絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界之間沒有熱量傳遞，稱為絕熱系統(tǒng)。 孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界之間不發(fā)生任何能量傳遞和物質(zhì)交換，稱為孤立系統(tǒng)。 單相系：系統(tǒng)中工質(zhì)的物理、化學性質(zhì)都均勻一致的系統(tǒng)稱為單相系。 復相系：由兩個相以上組成的系統(tǒng)稱為復相系，如固、液、氣組成的三相系統(tǒng)。 單元系：由一種化學成分組成的系統(tǒng)稱為單元系。 多元系：由兩種以上不同化學成分組成的系統(tǒng)稱為多元系。 均勻系：成分和相在整個系統(tǒng)空間呈均勻分布的為均勻系。 非均勻系：成分和相在整個系統(tǒng)空間呈非均勻分布，稱非均勻系。 熱力狀態(tài)：系統(tǒng)中某霎時表現(xiàn)的工質(zhì)熱力性質(zhì)的總狀況，稱為工質(zhì)的熱力狀態(tài)，簡稱為狀態(tài)。 平衡狀態(tài)：系統(tǒng)在不受外界影響的條件下，假如宏觀熱力性質(zhì)不隨時間而變化，系統(tǒng)內(nèi)外同時建立了熱的和力的平衡，這時系統(tǒng)的狀態(tài)稱為熱力平衡狀態(tài)，簡稱為平衡狀態(tài)。 狀態(tài)參數(shù)：描繪工質(zhì)狀態(tài)特性的各種物理量稱為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。如溫度〔T〕、壓力〔P〕、比容〔υ〕或密度〔ρ〕、內(nèi)能〔u〕、焓〔h〕、熵〔s〕、自由能〔f〕、自由焓〔g〕等。 基本狀態(tài)參數(shù)：在工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)中，其中溫度、壓力、比容或密度能夠直接或間接地用儀表測量出來，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。 溫度：是描繪系統(tǒng)熱力平衡狀況時冷熱程度的物理量，其物理本質(zhì)是物質(zhì)內(nèi)部大量微觀分子熱運動的強弱程度的宏觀反映。 熱力學第零定律：如兩個物體分別和第三個物體處于熱平衡，則它們相互之間也必然處于熱平衡。 壓力：垂直作用于器壁單位面積上的力，稱為壓力，也稱壓強。 相對壓力：相對于大氣環(huán)境所測得的壓力。如工程上常用測壓儀表測定系統(tǒng)中工質(zhì)的壓力即為相對壓力。 比容：單位質(zhì)量工質(zhì)所具有的容積，稱為工質(zhì)的比容。 密度：單位容積的工質(zhì)所具有的質(zhì)量，稱為工質(zhì)的密度。 強度性參數(shù)：系統(tǒng)中單元體的參數(shù)值與整個系統(tǒng)的參數(shù)值一樣，與質(zhì)量多少無關，沒有可加性，如 溫度、壓力等。在熱力經(jīng)過中，強度性參數(shù)起著推動力作用，稱為廣義力或勢。 廣延性參數(shù)：整個系統(tǒng)的某廣延性參數(shù)值等于系統(tǒng)中各單元體該廣延性參數(shù)值之和，如系統(tǒng)的容積、內(nèi)能、焓、熵等。在熱力經(jīng)過中，廣延性參數(shù)的變化起著類似力學中位移的作用，稱為廣義位移。準靜態(tài)經(jīng)過：經(jīng)過進行得非常緩慢，使經(jīng)過中系統(tǒng)內(nèi)部被毀壞了的平衡有足夠的時間恢復到新的平衡態(tài)，進而使經(jīng)過的每一霎時系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)都非常接近平衡狀態(tài)，整個經(jīng)過可看作是由一系列非常接近平衡態(tài)的狀態(tài)所組成，并稱之為準靜態(tài)經(jīng)過。 可逆經(jīng)過：當系統(tǒng)進行正、反兩個經(jīng)過后，系統(tǒng)與外界均能完全回復到初始狀態(tài)，這樣的經(jīng)過稱為可逆經(jīng)過。 膨脹功：由于系統(tǒng)容積發(fā)生變化〔增大或縮小〕而通過界面向外界傳遞的機械功稱為膨脹功，也稱容積功。 熱量：通過熱力系邊界所傳遞的除功之外的能量。 熱力循環(huán)：工質(zhì)從某一初態(tài)開場，經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化，最后又回復到初始狀態(tài)的全部經(jīng)過稱為熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。 2.常用公式 狀態(tài)參數(shù): 121 2xxdx-=? ?=0dx 狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的函數(shù)，對應一定的狀態(tài)，狀態(tài)參數(shù)都有唯一確定的數(shù)值，工質(zhì)在熱力經(jīng)過中發(fā)生 狀態(tài)變化時，由初狀態(tài)經(jīng)過不同途徑，最后到達終點，其參數(shù)的變化值，僅與初、終狀態(tài)有關，而與狀態(tài)變化的途徑無關。溫度： 1．BTwm=2 2 式中 2 2 wm—分子平移運動的動能，其中m是一個分子的質(zhì)量，w是分子平移運動的均方根速度； B—比例常數(shù)； T—氣體的熱力學溫度。 2．tT+=273 壓力： 1．nBTwmn p3 2 2322==式中P—單位面積上的絕對壓力； n—分子濃度，即單位容積內(nèi)含有氣體的分子數(shù)V N n= ，其中N為容積V包含的氣體分子總數(shù)。 2．f Fp= 式中 F—整個容器壁遭到的力，單位為?！睳〕； f—容器壁的總面積〔m2〕。 3．gpBp+= 〔P>B〕HBp-= 〔P 供熱系數(shù)：2 11 012qqqwq-= = ε式中 q1—工質(zhì)向熱源放出熱量 q2—工質(zhì)從冷源汲取熱量 w0—循環(huán)所作的凈功 3.重要圖表 第二章氣體的熱力性質(zhì) 1.基本概念 理想氣體：氣體分子是由一些彈性的、忽略分子之間互相作用力〔引力和斥力〕、不占有體積的質(zhì)點所構成。 比熱：單位物量的物體，溫度升高或降低1K〔1℃〕所吸收或放出的熱量，稱為該物體的比熱。 定容比熱：在定容情況下，單位物量的物體，溫度變化1K〔1℃〕所吸收或放出的熱量，稱為該物體的定容比熱。 定壓比熱：在定壓情況下，單位物量的物體，溫度變化1K〔1℃〕所吸收或放出的熱量，稱為該物體的定壓比熱。 定壓質(zhì)量比熱：在定壓經(jīng)過中，單位質(zhì)量的物體，當其溫度變化1K〔1℃〕時，物體和外界交換的 熱量，稱為該物體的定壓質(zhì)量比熱。 定壓容積比熱：在定壓經(jīng)過中，單位容積的物體，當其溫度變化1K〔1℃〕時，物體和外界交換的熱量，稱為該物體的定壓容積比熱。 定壓摩爾比熱：在定壓經(jīng)過中，單位摩爾的物體，當其溫度變化1K〔1℃〕時，物體和外界交換的熱量，稱為該物體的定壓摩爾比熱。 定容質(zhì)量比熱：在定容經(jīng)過中，單位質(zhì)量的物體，當其溫度變化1K〔1℃〕時，物體和外界交換的熱量，稱為該物體的定容質(zhì)量比熱。 定容容積比熱：在定容經(jīng)過中，單位容積的物體，當其溫度變化1K〔1℃〕時，物體和外界交換的熱量，稱為該物體的定容容積比熱。 定容摩爾比熱：在定容經(jīng)過中，單位摩爾的物體，當其溫度變化1K〔1℃〕時，物體和外界交換的熱量，稱為該物體的定容摩爾比熱。 混合氣體的分壓力：維持混合氣體的溫度和容積不變時，各組成氣體所具有的壓力。道爾頓分壓定律：混合氣體的總壓力P等于各組成氣體分壓力Pi之和。 混合氣體的分容積：維持混合氣體的溫度和壓力不變時，各組成氣體所具有的容積。阿密蓋特分容積定律：混合氣體的總容積V等于各組成氣體分容積Vi之和。 混合氣體的質(zhì)量成分：混合氣體中某組元氣體的質(zhì)量與混合氣體總質(zhì)量的比值稱為混合氣體的質(zhì)量成分。 混合氣體的容積成分：混合氣體中某組元氣體的容積與混合氣體總容積的比值稱為混合氣體的容積成分。 混合氣體的摩爾成分：混合氣體中某組元氣體的摩爾數(shù)與混合氣體總摩爾數(shù)的比值稱為混合氣體的摩爾成分。 比照參數(shù)：各狀態(tài)參數(shù)與臨界狀態(tài)的同名參數(shù)的比值。 比照態(tài)定律：對于知足同一比照態(tài)方程式的各種氣體，比照參數(shù)rp、rT和rv中若有兩個相等，則第三個比照參數(shù)就一定相等，物質(zhì)也就處于對應狀態(tài)中。 2.常用公式 理想氣體狀態(tài)方程： 1．RTpv= 式中p—絕對壓力 Pav—比容 m3/kg T—熱力學溫度 K 適用于1千克理想氣體。2．mRTpV= 式中 V—質(zhì)量為mkg氣體所占的容積 適用于m千克理想氣體。3．TRpVM0= 式中VM=Mv—氣體的摩爾容積，m3/kmol； R0=MR—通用氣體常數(shù)，J/kmol·K 適用于1千摩爾理想氣體。4．TnRpV0= 式中 V—nKmol氣體所占有的容積，m3； n—氣體的摩爾數(shù)，M m n= ，kmol 適用于n千摩爾理想氣體。 5．通用氣體常數(shù)：R0 83140=R J/Kmol·K R0與氣體性質(zhì)、狀態(tài)均無關。6．氣體常數(shù)：R M MRR8314 0= = J/kg·KR與狀態(tài)無關，僅決定于氣體性質(zhì)。7．1122 12 pvpvTT=比熱： 1．比熱定義式：dT q cδ= 表明單位物量的物體升高或降低1K所吸收或放出的熱量。其值不僅取決于物質(zhì)性質(zhì)，還與氣體熱力的經(jīng)過和所處狀態(tài)有關。 2．質(zhì)量比熱、容積比熱和摩爾比熱的換算關系：04 .22'ρcMc c==式中c—質(zhì)量比熱，kJ/Kg·k'c—容積比熱，kJ/m3·k Mc—摩爾比熱，kJ/Kmol·k 3．定容比熱：v vv vTudTdudT qc??? ????== = δ表明單位物量的氣體在定容情況下升高或降低1K所吸收或放出的熱量。4．定壓比熱：dT dhdTqcp p= = δ 表明單位物量的氣體在定壓情況下升高或降低1K所吸收或放出的熱量。 5．梅耶公式： Rccvp=-Rccvp0''ρ=- 0RMRMcMcvp==- 6．比熱比：v pv pv pMcMccccc= = = ''κ 1 -= κκR cv1 -= κnR cp道爾頓分壓定律：V Tn iinpppppp,1321??????=++++=∑= 阿密蓋特分容積定律：P Tn iinVVVVVV,1321??????=++++=∑=質(zhì)量成分： i imgm = 121 1n niigggg=++ +==∑ 容積成分：i iVrV = 121 1n niirrrrr==++ ==∑ 摩爾成分：i inxn = 121 1n niixxxxx==++ +==∑ 容積成分與摩爾成分關系： i iinrxn = =質(zhì)量成分與容積成分： iiiiiiiimnMMMgxrmnMMM = === iiii iiiMR grrrMRρρ ===折合分子量：1 1 1 n ii nn iiiiiiinM m MxMrMn n =======∑∑∑ 12112 1 1 n niin i MggggMMMM== = +++ ∑折合氣體常數(shù)：0 1 00 1 n n i in iii iiiRmnRRnRMRgRMm m m ====== = =∑∑∑ 00 12 1122112 1 1n ninn in i RRRrrrrMrMrMrMRRRR== = = = ++ ++++∑ 分壓力確實定i iiVpprpV = =iii iiiiRM pgpgpgpMR ρρ===混合氣體的比熱容：121n nniiicggcgc==+=∑12c+gc+ 混合氣體的容積比熱容：121 '''n nniiicrrcrc==+=∑12c'+rc'+ 混合氣體的摩爾比熱容：1 1 n n ii i ii iiMcM gcxMc====∑∑ 混合氣體的熱力學能、焓和熵1 n i iUU == ∑或1 n iiiUmu==∑ 1 niiHH==∑或1 n iiiHmh==∑ 1 n i iSS == ∑或1 n iiiSms==∑ 范德瓦爾(VanderWaals)方程 ()2apvbRTv? ? + -=??? 對于1kmol實際氣體 ()02M MapVbRTV?? + -=??? 壓縮因子： idvpvzvRT = = 比照參數(shù)：rcTTT= ，rcppp=，rc vvv=3.重要圖表 常用氣體在理想狀態(tài)下的定壓摩爾比熱與溫度的關系 23123(/())poMcaaTaTaTkJkmolk=+++ 幾種氣體在理想氣體狀態(tài)下的平均定壓質(zhì)量比熱容