工程熱力學知識點總結(jié)說明：本總結(jié)以工程熱力學核心知識體系為脈絡，涵蓋基礎概念、核心定律、工質(zhì)性質(zhì)、熱力過程與循環(huán)等關(guān)鍵模塊，突出理論核心與工程應用關(guān)聯(lián)，適用于課程復習與工程實踐參考。一、基本概念與熱力學系統(tǒng)1.1熱力學基本術(shù)語1.系統(tǒng)（熱力系統(tǒng)）：人為劃分的研究對象，與外界有明確邊界。根據(jù)系統(tǒng)與外界的物質(zhì)和能量交換，分為三類：-閉口系統(tǒng)（控制質(zhì)量）：無物質(zhì)交換，有能量交換（如密閉容器內(nèi)的氣體加熱）；-開口系統(tǒng)（控制體積）：有物質(zhì)和能量交換（如汽輪機、鍋爐）；-孤立系統(tǒng)：無物質(zhì)和能量交換（理想化模型，實際不存在）。2.外界與邊界：系統(tǒng)之外的物體為外界；分隔系統(tǒng)與外界的界面為邊界（可固定、可移動，真實或虛擬）。3.工質(zhì)：實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的工作物質(zhì)（如蒸汽動力循環(huán)中的水蒸氣、制冷循環(huán)中的制冷劑），需具備流動性、膨脹性、穩(wěn)定性等特性。4.熱力學狀態(tài)：系統(tǒng)在某一時刻的物理狀況，由狀態(tài)參數(shù)描述（如溫度、壓力、體積等）。5.平衡狀態(tài)：系統(tǒng)各部分參數(shù)不隨時間變化，且與外界平衡（熱平衡、力平衡、相平衡、化學平衡），是熱力學分析的基礎假設。1.2狀態(tài)參數(shù)1.分類：-強度參數(shù)：與系統(tǒng)質(zhì)量無關(guān)（溫度T、壓力p、比體積v等），不可疊加；-廣延參數(shù)：與系統(tǒng)質(zhì)量成正比（體積V、內(nèi)能U、焓H、熵S等），可疊加；單位質(zhì)量的廣延參數(shù)為比參數(shù)（如比內(nèi)能u=U/m，比焓h=H/m）。2.核心狀態(tài)參數(shù)：-溫度（T）：描述系統(tǒng)冷熱程度的物理量，微觀上是分子平均動能的標志；國際單位K（開爾文），與攝氏溫度t的關(guān)系：T=t+273.15；-壓力（p）：單位面積上的作用力，工程上常用絕對壓力p?、表壓力p?、真空度p?；關(guān)系：p?=p?+p???（大氣壓），p?=p???-p?（p?<p???時）；單位：Pa（帕斯卡）、kPa、MPa；-比體積（v）：單位質(zhì)量工質(zhì)的體積，與密度ρ互為倒數(shù)（v=1/ρ），反映工質(zhì)的稀疏程度。二、熱力學第一定律（能量守恒定律）2.1核心原理能量既不能創(chuàng)造，也不能消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，或從一個系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一個系統(tǒng)，總能量保持不變。工程熱力學中重點關(guān)注熱能與機械能的轉(zhuǎn)換。2.2閉口系統(tǒng)能量方程1.基本表達式：Q=ΔU+W，其中：-Q：系統(tǒng)與外界的熱量交換（Q>0為系統(tǒng)吸熱，Q<0為放熱）；-ΔU=U?-U?：系統(tǒng)內(nèi)能變化（U為廣延參數(shù)，u為比內(nèi)能）；-W：系統(tǒng)對外界做的功（W>0為系統(tǒng)對外做功，W<0為外界對系統(tǒng)做功）。2.比參數(shù)形式：q=Δu+w（q=Q/m，w=W/m）。3.應用要點：閉口系統(tǒng)無物質(zhì)交換，能量交換僅通過熱量和體積功（膨脹功/壓縮功）實現(xiàn)；對于可逆過程，體積功w=∫pdv（1→2）。2.3開口系統(tǒng)能量方程（穩(wěn)定流動能量方程）1.穩(wěn)定流動假設：系統(tǒng)參數(shù)不隨時間變化，流入與流出質(zhì)量相等（m?=m?=m），能量累積為零。2.基本表達式：H?+(c?2)/2+gz?+Q=H?+(c?2)/2+gz?+W?，其中：-H=U+pV（焓，廣延參數(shù)），h=u+pv（比焓，工程中常用，簡化開口系統(tǒng)能量計算）；-(c2)/2：宏觀動能（c為流速）；-gz：重力勢能（g為重力加速度，z為高度）；-W?：軸功（系統(tǒng)通過軸對外輸出的功，如汽輪機軸功，W?>0為系統(tǒng)對外輸出軸功）。3.簡化形式（工程常用）：對于多數(shù)熱力設備（如鍋爐、汽輪機、換熱器），動能和勢能變化極?。é?c2/2)≈0，Δ(gz)≈0），能量方程簡化為：-換熱器（無軸功）：q=h?-h?；-汽輪機/壓縮機（絕熱，Q≈0）：w?=h?-h?（汽輪機w?>0，壓縮機w?<0）。三、熱力學第二定律（能量轉(zhuǎn)換方向性定律）3.1核心問題熱力學第一定律僅說明能量守恒，未揭示能量轉(zhuǎn)換的方向性和限度；第二定律明確：自發(fā)過程具有方向性（如熱量從高溫傳向低溫，機械能可完全轉(zhuǎn)為熱能，反之不可自發(fā)實現(xiàn)）。3.2經(jīng)典表述1.克勞修斯表述：不可能將熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化（解釋制冷循環(huán)需外界輸入功）。2.開爾文-普朗克表述：不可能制造一種循環(huán)熱機，只從單一熱源吸熱，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓ǚ穸ǖ诙愑绖訖C）。3.實質(zhì)：所有自發(fā)過程都是不可逆的，能量轉(zhuǎn)換存在限度。3.3熵與熵增原理1.熵的定義（可逆過程）：dS=δQ?/T，比熵ds=δq?/T（S為廣延參數(shù)，熵是狀態(tài)參數(shù)，與過程無關(guān)）。2.熵增原理：對于孤立系統(tǒng)，ΔS????≥0，其中：-ΔS????=0：可逆過程；-ΔS????>0：不可逆過程；-熵增原理揭示了自發(fā)過程的方向性，是判斷過程能否自發(fā)進行的依據(jù)。3.任意過程熵變計算：ds=c?ln(T?/T?)-Rln(p?/p?)（理想氣體），或通過熱力學圖表（如蒸汽焓熵圖）查取。3.4熱力循環(huán)經(jīng)濟性指標1.熱效率（循環(huán)熱機經(jīng)濟性）：η?=W???/Q??，其中W???=Q??-Q???（循環(huán)凈功，Q??為循環(huán)吸熱，Q???為循環(huán)放熱）；η?<1，反映熱量轉(zhuǎn)換為功的限度。2.制冷系數(shù)（制冷循環(huán)）：ε=Q?/W???，其中Q?為從低溫熱源吸熱，W???為外界輸入凈功（ε越大，制冷效率越高）。3.供熱系數(shù)（熱泵循環(huán)）：ε'=Q?/W???，其中Q?為向高溫熱源放熱（ε'=ε+1，熱泵效率高于制冷）。四、理想氣體的性質(zhì)與熱力過程4.1理想氣體假設與狀態(tài)方程1.理想氣體：忽略分子間作用力和分子本身體積的理想化氣體（實際氣體在低壓、高溫下可近似為理想氣體，如空氣、煙氣）。2.理想氣體狀態(tài)方程：-基本形式：pV=mRT或pv=RT；-通用氣體常數(shù)R：與氣體種類有關(guān)（如空氣R=287J/(kg·K)）；-摩爾形式：pV?=R?T（V?為摩爾體積，R?=8314J/(kmol·K)，通用氣體常數(shù)，與氣體種類無關(guān)）。4.2理想氣體的內(nèi)能與焓1.特性：理想氣體內(nèi)能u和焓h僅與溫度有關(guān)（u=f(T)，h=f(T)），與壓力、體積無關(guān)。2.比熱容：-定容比熱容c?：v=常數(shù)時，c?=(?u/?T)?，Δu=∫c?dT（1→2）；-定壓比熱容c?：p=常數(shù)時，c?=(?h/?T)?，Δh=∫c?dT（1→2）；-邁耶公式：c?-c?=R；-比熱容比k=c?/c?（空氣k≈1.4）。4.3理想氣體基本熱力過程（可逆過程）1.四大基本過程（定容、定壓、定溫、絕熱）對比：過程名稱過程方程體積功w熱量qΔu/Δh熵變ds定容過程（v=常數(shù)）p/T=常數(shù)0（無體積變化）Δu=c?ΔTΔu=c?ΔT；Δh=c?ΔTc?ln(T?/T?)定壓過程（p=常數(shù)）v/T=常數(shù)pΔv=RΔTΔh=c?ΔTΔu=c?ΔT；Δh=c?ΔTc?ln(T?/T?)定溫過程（T=常數(shù)）pv=常數(shù)RTln(v?/v?)=RTln(p?/p?)w（Δu=0）Δu=0；Δh=0Rln(v?/v?)=-Rln(p?/p?)絕熱過程（q=0）pv?=常數(shù)；T?/p^(k-1)=常數(shù)；T/v^(k-1)=常數(shù)Δu=c?(T?-T?)0Δu=c?ΔT；Δh=c?ΔT0（可逆絕熱為定熵過程）2.多變過程：涵蓋四大基本過程的通用過程，方程為pv?=常數(shù)（n為多變指數(shù)）；當n=0為定壓過程，n=1為定溫過程，n=k為絕熱過程，n→∞為定容過程。五、實際氣體與蒸汽性質(zhì)5.1實際氣體與理想氣體的差異實際氣體分子間存在作用力（內(nèi)聚力）和分子體積，高壓、低溫下偏差顯著（如蒸汽、制冷劑），需用實際氣體狀態(tài)方程（如范德華方程、R-K方程）或熱力學圖表（焓熵圖h-s、壓容圖p-v）描述。5.2水蒸汽的產(chǎn)生過程（定壓加熱）1.三個階段：-未飽和水→飽和水：定壓加熱，溫度升高至飽和溫度t?（對應壓力p下的沸點），未飽和水變?yōu)轱柡退?飽和水→干飽和蒸汽：繼續(xù)定壓加熱，飽和水汽化，溫度保持t?不變，形成飽和水與飽和蒸汽的混合物（濕飽和蒸汽），直至完全變?yōu)楦娠柡驼羝?干飽和蒸汽→過熱蒸汽：繼續(xù)定壓加熱，溫度升高超過t?，蒸汽為過熱蒸汽（工程中動力設備多使用過熱蒸汽，提升循環(huán)效率）。2.關(guān)鍵參數(shù)：-干度x：濕飽和蒸汽中干飽和蒸汽的質(zhì)量分數(shù)（x=0為飽和水，x=1為干飽和蒸汽）；-濕飽和蒸汽比參數(shù)：h=h'+x(h''-h')，v=v'+x(v''-v')，s=s'+x(s''-s')（h'、v'、s'為飽和水參數(shù)，h''、v''、s''為干飽和蒸汽參數(shù)）。5.3水蒸汽圖表應用1.常用圖表：h-s圖（焓熵圖）最常用，可直接查取h、s、t、v、x等參數(shù)，用于熱力過程（如汽輪機膨脹）的功和熱量計算。2.應用步驟：根據(jù)已知參數(shù)（如p、t、x）確定狀態(tài)點，在圖表上查找對應參數(shù)，代入能量方程計算。六、熱力循環(huán)6.1循環(huán)分類與評價指標1.分類：動力循環(huán)（將熱能轉(zhuǎn)為機械能，如蒸汽動力循環(huán)、燃氣動力循環(huán)）、制冷循環(huán)（將熱量從低溫傳向高溫，消耗功）、熱泵循環(huán)（向高溫供熱，消耗功）。2.評價指標：動力循環(huán)用熱效率η?，制冷循環(huán)用制冷系數(shù)ε，熱泵循環(huán)用供熱系數(shù)ε'（見3.4節(jié)）。6.2蒸汽動力循環(huán)（朗肯循環(huán)）1.基本組成（四大設備）：-鍋爐：水定壓加熱變?yōu)檫^熱蒸汽（過程1→2）；-汽輪機：過熱蒸汽絕熱膨脹對外做功（過程2→3）；-凝汽器：乏汽（汽輪機排出的蒸汽）定壓放熱，凝結(jié)為飽和水（過程3→4）；-水泵：飽和水絕熱壓縮，壓力升高至鍋爐壓力（過程4→1）。2.熱效率計算：η?=(w???)/q??=(h?-h?-(h?-h?))/(h?-h?)；由于水泵耗功(w?=h?-h?)遠小于汽輪機做功(w?=h?-h?)，可近似為η?≈(h?-h?)/(h?-h?)。3.提高效率的措施：提高蒸汽初溫初壓、降低乏汽壓力（凝汽器真空度）、采用回熱循環(huán)（利用乏汽余熱加熱給水）、再熱循環(huán)（高壓蒸汽膨脹后再加熱，再低壓膨脹）。6.3燃氣動力循環(huán)（奧托循環(huán)、狄塞爾循環(huán)）1.奧托循環(huán)（汽油機循環(huán)）：定容加熱循環(huán)，四個過程：絕熱壓縮（1→2）→定容加熱（2→3）→絕熱膨脹（3→4）→定容放熱（4→1）；熱效率η?=1-1/(ε^(k-1))（ε為壓縮比，ε=v?/v?）。2.狄塞爾循環(huán)（柴油機循環(huán)）：定壓加熱循環(huán)，四個過程：絕熱壓縮（1→2）→定壓加熱（2→3）→絕熱膨脹（3→4）→定容放熱（4→1）；熱效率η?=1-[1/(ε^(k-1))]×[(ρ?-1)/(k(ρ-1))]（ρ為預脹比，ρ=v?/v?）。6.4制冷循環(huán)（蒸汽壓縮制冷循環(huán)）1.基本組成：壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器。2.四個過程：-蒸發(fā)器：制冷劑定壓吸熱汽化（1→2，從低溫環(huán)境吸熱）；-壓縮機：制冷劑絕熱壓縮，壓力、溫度升高（2→3）；-冷凝器：制冷劑定壓放熱，凝結(jié)為液體（3→4，向高溫環(huán)境放熱）；-節(jié)流閥：制冷劑節(jié)流膨脹，壓力、溫度降低