工程熱力學大總結(jié)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(guān)，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(guān)，而與狀態(tài)變化的途徑無關(guān)。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 圖1-5U形壓力計測壓 圖1-6各壓力間的關(guān)系 p圖上的表示 圖1-14任意循環(huán)在v (a)正循環(huán)；(b)逆循環(huán) 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(gòu)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?cè)莘eV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?cè)莘e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(guān)。6．氣體常數(shù)：R M MRR8314 0= = J/kg·KR與狀態(tài)無關(guān)，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(guān)。 2．質(zhì)量比熱、容積比熱和摩爾比熱的換算關(guān)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(guān)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 v vv=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(guān)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