东南大学专业课工程热力学完美笔记

专业课复习资料（最新版）专业课复习资料（最新版）封封面面第一章第一章 基基 本本 概概 念念 1.基本概念基本概念 热力系统热力系统：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。 边界边界：分隔系统与外界的分界面，称为边界。 外界外界：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。 单元系单元系：由一种化学成分组成的系统称为单元系。 多元系多元系：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 （ ） 或密度（ ） 、内能（u） 、焓（h） 、熵（s） 、自由能（f） 、自由焓（g）等。 基本状态参数基本状态参数：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。 比容比容：单位质量工质所具有的容积，称为工质的比容。 密度密度：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 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。 热量热量：通过热力系边界所传递的除功之外的能量。 热力循环热力循环：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.常用公式常用公式 状态参数状态参数: 1212xxdx0dx 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。 温温 度度 ： 1BTwm22式中 22wm分子平移运动的动能，其中 m 是一个分子的质量，w是分子平移运动的均方根速度； B比例常数； T气体的热力学温度。 2tT273 压压 力力 ： 1nBTwmnp32 2322 式中 P单位面积上的绝对压力； n分子浓度，即单位容积内含有气体的分子数VNn ，其中 N 为容积 V 包含的气体分子总数。 2fFp 式中 F整个容器壁受到的力，单位为牛（N） ； f容器壁的总面积（m2） 。 3gpBp （P>B） HBp （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：缩放喷管：如需要将 M 1 的超音速气流，则喷管截面积应由 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：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：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j > 0，发生在这个区域内 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：热效应区：在转回曲线之外所有等焓线上的点，其j < 0，发生在这个区域的微分绝热节流总是使 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常用公式常用公式 连续性方程：连续性方程： 常数常数vfc vcf vcfmmm22211121式中1m h6、h8第一、第二次抽汽的焓； h7、h9第一、第二次抽汽压力下饱和水的焓； h3乏汽压力下凝结水的焓。 再热循环热效率再热循环热效率: 131'62'312 t 1131'6hhhhhhqq qhhhh或 161'2'131'6thhhh hhhh定容加热循环热效率：定容加热循环热效率： 1 t,v11 221121111111T TTv Tv 式中，12v v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。 定压加热循环热效率：定压加热循环热效率： t.p1111 混合加热循环热效率：混合加热循环热效率： t,c111111 燃气轮机的理想循环热效率：燃气轮机的理想循环热效率： t(1)11 3重要图表重要图表 图 10-1 朗肯循环 图 10-2 平均吸热温度 图 10-3 提高初压的 T-s 图 图 10-4 提高初温的 T-s 图 图 10-5 降低放热温度的 T-s 图 图 10-6 极限回热循环 图 10-7 抽汽回热循环 图 10-8 再热循环 图 10-9 背压式热电循环 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 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 图 10-16 两级压缩、膨胀、回热燃气轮机循环装置及其 Ts 图 第十一章第十一章 蒸汽动力循环装置蒸汽动力循环装置 水蒸气是工业上最早使用来作为动力机的工质。在蒸汽动力装置中水时而处于液 态，时而处于气态。因而蒸汽动力装置循环不同于气体动力循环。此外，水和水蒸气 不能燃烧，只能从外界吸收热量，所以蒸汽循环必须配备锅炉，因此装置设备也不同 于气体动力装置。由于燃烧产物不参与循环，故而蒸汽动力装置可利用各种燃料，如 煤、渣油，甚至可燃垃圾。 § 111 简单蒸汽动力装置循环 朗肯循环 1、工质为水蒸气的卡诺循环 由第二定律可知，在相同温限内卡诺循环的热效率最高，而采用气体作工质的循环中， 定温过程（加热及放热）难以实现，并且气体绝热线及等温线在 p-v 图上斜率接近，因此有iw较小。 在采用蒸汽做工质时，由于水的汽化和凝结，当压力不变时温度也不变，因而有了定 温放热和定温吸热的可能。 又因为定温即是定压， 其在 p-v 图上与绝热线斜率相差较大，因而可提高iw，所以蒸汽机原则上可采用卡诺循环，如图中 56785 所示。而实际的蒸汽动力装置中不采用上冻循环，其主要原因有以下几点： 在压缩机中绝热压缩 85 过程难以实现； 徨仅局限于饱和区，上限温度受临界温度的限制，故即使实现卡诺循环，其热效率也 不高； 膨胀末期，湿蒸汽干度过小，含水分甚多，不利于动力机安全。 所以，实际蒸汽动力循环均以朗肯循环为其基础。 2、朗肯（Rankine）循环 朗肯循环是最简单也是最基本的蒸汽动力循环，它由锅 炉、汽轮机、冷凝器和水泵 4 个基本的、也是主要的设备 组成。 右图中为该装置的示意图。 水在锅炉中被加热汽化， 直至成为过热蒸汽后， 进入汽轮机膨胀作功， 作功后的低 压蒸汽进入冷凝器被冷凝成水，凝结后的水在水泵中 被压缩升压后，再回到锅炉中，完成一个循环。 为了突出主要矛盾，分析主要参数对循环的影响，与前述循环一样，首先对实际 循环进行简化和理想化， 略去摩阻及温差传热等不可逆因素， 理想化后的循环由右图(a) 所示的热力过程组成，对应的 T-s 图如图(b)所示。 朗肯循环的能量分析与计算如下： 循环的吸热量： 411-hhq 循环的放热量： 322-hhq 水蒸气流经汽轮机时，对外作出的功为： 21-hhwT 水在水泵中升压所消耗的功为： 34-hhwp 由 于 水 的不 可 压缩 性 ，在 压缩 过 程中的 容 积 变化 可 以忽 略 。水 泵中 升 压2134-pp-ppp，因此泵功可以用下式近似计算： pvwp 那么循环热效率t为： 41342111)( - )( -hh-hh-hh q-wwqwpTnet t 由于水泵耗功相对于汽轮机作出的功而言极小，这样热效率可近似表示为： 4121 -hh-hht 而以上各点的参数可由已知条件查水和水蒸气热力性质图或表得到。 3、有摩阻的实际循环 实际上，蒸汽动力装置中全部过程都是不可逆过程，尤其是蒸汽经过汽轮机的绝热膨 胀与理想可逆过程的差别较为显著，在以下讨论中，仅仅考虑到汽轮机中有摩阻损耗 的实际循环。所以在 Ts 图中，原来的可逆绝热过程 12 由不可逆绝热过程 12act 所代替，则蒸汽经过汽轮机时实际所作技术功为： )( - )(222121-hh-hh-hhwactactt,act 少作的功为冷凝器中多排出的热量)(22-hhact用T表示汽轮机内蒸汽实际作功t,actw与理论作功tw之比，称为汽轮机的相对内效率，即： 2121 -hh-hh ww,acttt,act T oTT, a c th- h-hh-hh)1 ()(1 (22122oh 理想绝热焓降， 92. 085. 0T 实际循环净功net,actw为： p , a c tt , a c tn e t , a c t-www 水