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(υ)或密度(ρ)、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
1
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 dx,0 dx,x,x,,211
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 :
2mw,BT1( 2
2mw式中 —分子平移运动的动能，其中m是一个分子的质量，是分子平移运动的均w2
方根速度;
B—比例常数;
T—气体的热力学温度。
2( T,273，t
压 力 :
22mw2p,n,nBT1( 323
式中 P—单位面积上的绝对压力;
2
Nn—分子浓度，即单位容积内含有气体的分子数，其中N为容积V包含的气体n,V
分子总数。
F2( p,f
式中 F—整个容器壁受到的力，单位为牛(N);
2 f—容器壁的总面积(m)。
p,B，p3( (P>B) g
(P 1的超音速气流时，这种沿气流方向喷管截面积逐渐扩大的喷管称为渐扩喷管。
缩放喷管:如需要将M < 1的亚音速气流增大到M > 1的超音速气流，则喷管截面积应由df < 0逐渐转变为df > 0，即喷管截面积应由逐渐缩小转变为逐渐扩大，这种喷管称为渐缩渐扩喷管，或简称缩放喷管，也称拉伐尔(Laval)喷管。
节流:节流过程是指流体(液体、气体)在管道中流经阀门、孔板或多孔堵塞物等设备时，由于局部阻力，使流体压力降低的一种特殊流动过程。这些阀门、孔板或多孔堵塞物称为节流元件。若节流过程中流体与外界没有热量交换，称为绝热节流，常常简称为节流。在热力设备中，压力调节、流量调节或测量流量以及获得低温流体等领域经常利用节流过程，而且由于流体与节流元件换热极少，可以认为是绝热节流。
冷效应区:在转回曲线与温度纵轴围成的区域内所有等焓线上的点恒有,> 0，发生在这个区域内j
的绝热节流过程总是使流体温度降低，称为冷效应区。
热效应区:在转回曲线之外所有等焓线上的点，其,< 0，发生在这个区域的微分绝热节流总是使j
流体温度升高，即压力降低dp，温度增高dT，称为热效应区。
喷管效率:是指实际过程气体出口动能与定熵过程气体出口动能的比值。
2(常用公式
连续性方程:
，，，m,m,......,m,常数,12,fcfcfc 1122,,,......,,常数,vvv12,
mm式中，， ——各截面处的质量流量(kg/s); m12
2f，f，f ——各截面处的截面积(m); 12
c，c，c ——各截面处的气流速度(m/s); 12
3v，v，v ——各截面处气体的比容的(m/kg)。 12
对微元稳定流动过程，连续性方程可表示为
fc,，dm,d(),0,v, ,dcdfdv,，,,0,cfv,
绝热稳定流动能量方程式:
22cc,21,,hh 122
对于微元绝热稳定流动过程，可写成
41
2cdd,,h 2
定熵过程方程式:
,pv,常数
对于微元定熵过程有
dpvd，,,0 pv
只适用于理想气体的比热容比κ为常数(定比热容)的可逆绝热过程。对于变比热容的定熵过程，κ应取过程范围内的平均值。
可压缩性流体音速的计算式:
,,,,pp,,2av,,, ,,,,,,,v,,,,ss
理想气体的音速计算
apvRT,,,,
马赫数
cM, a
c是给定状态的气体流速，a是该状态下的音速。根据马赫数的大小，可以把气流速度分为三档:当M,1，称为亚音速，当M,1，称为音速，当M,1，称为超音速。
气体流速变化与状态参数间的关系:
ccvpdd,,
在管道内作定熵流动时，dc与dp的符号相反;即气流速度增加(d0)c,，必导致气体的压力下降(d0)p,(d0)c,(d0)p,，这就是喷管中的气体流动特性;而气体速度下降，将导致气体的压力升高，这是扩压管中的气体流动特性。
管道截面变化的规律:
ddfc2,,(1)M fc
理想气体的当地音速:
aRT,,cc
42
3(重要图表
图9-1 喷管中个参数沿轴向变化的示意图 图9-2 定熵滞止过程
图9-3 质量流量随压力比的变化 图9-4 水蒸气h-s图上的定熵过程
43
图9-6 渐缩喷管中的变工况流动
图9-7 渐缩渐扩喷管中的变工况流动
图9-9 蒸气引射器示意图
图9-8 定熵过程与实际的绝热过程
44
图9-10 绝热节流前后参数变化 图9-11 气体绝热节流过程
图9-13 焦耳,汤姆逊绝热节流试验装置
图9-12 水蒸气绝热节流过程
45
图9-14 绝热节流的T-p图
喷管和扩压管流速变化与截面变化的关系 表9-1
第十章 动力循环
1(基本概念
热机:将热能转化为机械能的设备叫做热力原动机，简称热机。
动力循环:热机的工作循环称为动力循环。根据热机所用工质的不同，动力循环可分为蒸汽动力循环和燃气动力循环两大类。
奥托循环:定容加热理想循环是汽油机实际工作循环的理想化，又称为奥托循环。
狄塞尔(Diesel)循环:定压加热理想循环是柴油机实际工作循环的理想化。
燃气轮机:燃气轮机装置是一种以空气和燃气为工质、旋转式的热力发动机。燃气轮机装置主要由
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三部分组成，即燃气轮机、压气机和燃烧室。 2(常用公式
朗肯循环的热效率:
w,w收获wq,qs.ts.p012,,,,,t消耗qqq111 h,h,h,h()(),1323,h,h,13
h,h常水泵消耗轴功与汽轮机作功量相比甚小，可忽略不计，因此，于是可简化为 ,33
h,h12,, th,h13
二级回热循环热效率:
hhahhaahh,，,,，,,,11，，，，，，，，，，,1616812820 ,,,tqhh,117
式中 h、h——汽轮机入口蒸气与乏汽的焓; 12
h、h——第一、第二次抽汽的焓; 68
h、h——第一、第二次抽汽压力下饱和水的焓; 79
h——乏汽压力下凝结水的焓。 3
再热循环热效率:
hhhhhh,，,,,，，，，，，qq,131'62'312 ,,,tqhhhh,，,，，，，1131'6
hhhh,，,，，，，161'2'或 ,,thhhh,，,，，，，131'6
定容加热循环热效率:
T1111,,,,,,,,, 1111t,v,,1,,1TT,2,,2v1,,T1v2,,
v1,,式中，称为压缩比，是个大于1的数，表示工质在燃烧前被压缩的程度。 v2
定压加热循环热效率:
,,,1 ,,1,t.p,1,,1，，,,,
混合加热循环热效率:
47
,11,,, ,,1,t,c,1,,，,11，，，，,,,,,
燃气轮机的理想循环热效率:
1,,,1 t(1),,,,
3(重要图表
图10-1 朗肯循环
48
图10-3 提高初压的T-s图 图10-2 平均吸热温度
图10-5 降低放热温度的T-s图 图10-4 提高初温的T-s图
49
图10-6 极限回热循环
图10-7 抽汽回热循环
50
图10-8 再热循环
图10-9 背压式热电循环
51
图10-10 调节抽汽式热电循环
图10-11 四冲程汽油机定容加热循环图
图10-12 柴油机定压加热循环
52
图10-13 高速柴油机的混合加热循环
图10-14 燃气轮机装置理论循环(布雷顿循环)
图10-15 具有回热的燃气轮机循环及其装置
53
图10-16 两级压缩、膨胀、回热燃气轮机循环装置及其Ts图 ,
第十一章 制 冷 循 环
1(基本概念
制冷:对物体进行冷却，使其温度低于周围环境的温度，并维持这个低温称为。
空气压缩式制冷:将常温下较高压力的空气进行绝热膨胀，获得低温低压的空气。 蒸汽喷射制冷循环:用引射器代替压缩机来压缩制冷剂，以消耗蒸汽的热能作为补偿来实现制冷的目的。 蒸汽喷射制冷装置:由锅炉、引射器(或喷射器)、冷凝器、节流阀、蒸发器和水泵等组成。吸收式制冷:利用制冷剂液体气化吸热实现制冷，它是直接利用热能驱动，以消耗热能为补偿将热量从低温物体转移到环境中去。吸收式制冷采用的工质是两种沸点相差较大的物质组成的二元溶液，其中沸点低的物质为制冷剂，沸点高的物质为吸收剂。
热泵:是一种能源提升装置，以消耗一部分高位能(机械能、电能或高温热能等)为补偿，通过热力循环，把环境介质(水、空气、土壤)中贮存的不能直接利用的低位能量转换为可以利用的高位能。 影响制冷系数的主要因素:降低制冷剂的冷凝温度(即热源温度)和提高蒸发温度(冷源温度)，都可使制冷系数增高。
2(常用公式
q收获2,,,制冷系数: 1w消耗0
11空气压缩式制冷系数 ,,,1,,1T2,,1,,p2T,1,,1p1,,
T1,,或 1TT,21
卡诺循环的制冷系数:
54
T1,, 1,cTT,31
3(重要图表
图11-1 空气压缩式制冷循环
图11-2空气回热压缩制冷循环
55
图11-3蒸汽压缩制冷循环
图11-4 制冷剂1gp—h图 图11-5 制冷循环1gp—h图
图11-7蒸发温度对制冷系数的影响
56
图11-6 冷凝温度对制冷系数的影响
图11-11蒸汽喷射制冷循环
图11-12吸收式制冷循环
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图11-13 热泵示意图
图11-14 使用相同制冷剂的两级串联制冷系统
58
图11-15 带有闪蒸室的两级压缩制冷系统
图11-16 单级压缩机对一冷藏室一冷冻室的系统图和T-s图
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图11-17 林德,汉普森液化系统
第十二章 化学热力学基础
1(基本概念
系统:对具有化学反应的热力系统而言，此时的系统是指参与化学反应物质的总和，在化学热力学中也称为物系。
理论空气量:保证可燃成分完全燃烧所需的最小空气量。
，过量空气系数:实际空气量m与理论空气量的比，称为过量空气系数(或称空气过剩系数)，用m
符号α表示。
空气燃料比:燃烧或气化时空气量与燃料量的比值称为空气燃料比(或称空燃比)，用AF表示。
燃料空气比:将燃料量与空气量的比值称为燃料空气比(或称燃空比)，用FA表示。
反应热:反应热是指化学反应过程中系统与外界交换的热量。
反应热效应:在反应过程中，系统不做有用功，生成物的温度与反应物的温度相等时系统所吸收或放出的热量，称为反应热效应，或简称热效应。
标准反应热效应:当系统在标准状态下进行定温化学反应，或反应前后系统的生成物与反应物的温度均为298K，又不产生有用功，则此时的反应热称为标准反应热效应，又简称标准热效应。
60
热料的热值: 燃料在完全燃烧过程中所能释放出的热能称为燃料的热值，也称为的发热量或燃烧热。标准状态下的热值称为标准热值(标准燃烧热)。燃料热值在数值上与反应热效应相等，但符号相反，热效应为负值，热值为正值。
盖斯定律:反应热效应与反应的途径无关，不管这个化学反应过程是通过一个阶段完成，或经过几个阶段完成，只要反应前系统的状态与反应后系统的状态相同，那么它们的反应热效应必然相等。
0h生成焓:生成反应中，生成1kmol的化合物的反应热效应称为该化合物的生成焓，用符号表示，T其单位是kJ/kmol。
标准生成焓:如生成反应在标准状态下进行，则所测得的标准反应热效应称为标准生成焓，用符号0h来表示，其单位是kJ/kmol。 298
理论燃烧温度:燃料如在绝热条件下进行完全燃烧，则可以得到最高的燃烧温度，称为理论燃烧温度。
热力学第三定律:当温度趋近于绝对零度时，凝聚系统(即固体和液体)，在可逆定温过程中熵的变化等于零。
2(重要公式
过量空气系数:
mn ,,,mn00
式中n,n——实际空气量及理论空气量的摩尔数。 0
闭口系统热力学第一定律表达式:
Q=(U,U)，W,(U,U)，W+W 2121exa
或
Q=(U,U)，W,(U,U)，W+WpRpRexa
式中 Q ——化学反应过程中，系统与外界交换的热量，称为反应热。反应热Q的符号仍和
以前一样，吸热为正，放热为负;
U,U——化学反应系统中生成物的总内能，即指化学反应所有生成物的内能总和，U,U2p2p
,?nu，n指某一种生成物的摩尔数，u是指某一种生成物的摩尔内能; pppp
U,U——化学反应系统中反应物的总内能，指参与化学反应所有反应物内能的总和，即U1R1
,U,?nu，n指某一种反应物的摩尔数，u是指某一种反应物的摩尔内能; RRRRR
W——化学反应系统与外界交换的总功。总功可分为两部分:一部分是系统容积变化所做的膨
胀功W;另一部分是系统所做的有用功W，如燃料电池中产生的电能等。因此，总功W=W+w。 exaexa
61
开口系统热力学第一定律表达式:
H,Hi，W ,,0tPR
HiH式中Q和W分别为开口系统与外界交换的反应热和技术功，和分别为反应前后进出t,,0RP
系统的总焓。
生成焓计算式:
000hh,h,， 298TT任意温度下反应热计算式:
00(H)(H)Q=, TPTR
00(h)(h)或 Q,, nnTPTR,,PR
0000(h)(h)(,h)(,h) ,[+],[+] nnPR298TP298TR,,PR
0(H)式中 ——全部生成物在标准压力及T下的生成焓(kJ); TP
0(H) ——全部反应物在标准压力及T下的生成焓(kJ); TR
0(,h) ——系统中某一种生成物由298K变化到T时，1kmol物理焓的变化(kJ/kmol); TP
0(,h)——系统中某一种反应物由298K变化到T时，1kmol物理焓的变化(kJ/kmol); TR
非定温下反应热计算式:
00Q,, n(h)n(h),,PTPRTR12
0000(h)(h) ,[+],[+] n(,h)n(,h)PR298298,,PTPRTR12
0式中 ——系统中某一生成物温度为T时，1kmol的生成焓(kJ/kmol); (h)2TP2
0 ——系统中某一生成物温度为T时，1kmol的生成焓(kJ/kmol); (h)1TR1
0 ——系统中某一种生成物由298K变化到T时，1kmol的物理焓的变化(,h)2TP2
(kJ/kmol);
0——系统中某一种反应物由298K变化到T时，1kmol的物理焓的变化(kJ/kmol)。 (,h)1TR1
理论燃烧温度计算式:
000(h)(h)(h), nnn298PRTP298,,,RPP,
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化学平衡常数:
ccBB12 K,cccAA12
平衡常数:
,,12ppBB12 K,p,,12ppAA12
ppp p式中、、、表示在化学平衡时各种气态物质的分压力。 AABB1122
第十三章 溶液热力学基础 1(基本概念
溶体:由两种或两种以上物质所组成的均匀混合物称为溶体。溶体分三类:气态溶体(即气体混合
物)、液态溶体(或称溶液)及固态溶体(或称固溶体)。
理想溶液:在一定的温度和压力下，溶液中任一种物质在任何浓度下均遵守拉乌尔(Raoult，F. M. )
定律的溶液称为理想溶液。
共沸溶液:平衡时液相与气相的浓度相同的溶液称为共沸溶液。在共沸成分下，溶液的性质像纯物
质一样，它在定压定温下沸腾。
2(常用公式
拉乌尔定律:表达式
n00ippp=x= iiiin
式中p――组分i的蒸气分压力; i
0p――在溶液相同温度下，组分i单独存在时的饱和蒸气压力; i
x――组分i在溶液中的摩尔浓度。 i
相律的数学表达式:
F=C-φ+2
式中 F――独立变数的数目，即自由度数目;
C――系统中组分的数目;
Φ――平衡系统中的相数目。
63
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