工程热力学复习重点和简答题2012.doc

. . .工程热力学复习重点2012.3绪 论1 理解和掌握工程热力学的研究对象、主要研究内容和研究方法2 理解热能利用的两种主要方式及其特点3 了解常用的热能动力转换装置的工作过程1什么是工程热力学从工程技术观点出发，研究物质的热力学性质，热能转换为机械能的规律和方法，以及有效、合理地利用热能的途径。2能源的地位与作用及我国能源面临的主要问题3. 热能及其利用1 热能：能量的一种形式2 来源：一次能源：以自然形式存在，可利用的能源。如风能,水力能,太阳能、地热能、化学能和核能等。二次能源：由一次能源转换而来的能源，如机械能、机械能等。3 利用形式：直接利用：将热能利用来直接加热物体。如烘干、采暖、熔炼(能源消耗比例大)间接利用：各种热能动力装置，将热能转换成机械能或者再转换成电能，4.热能动力转换装置的工作过程5热能利用的方向性及能量的两种属性1 过程的方向性：如：由高温传向低温2 能量属性：数量属性、,质量属性 (即做功能力)3 数量守衡、质量不守衡4 提高热能利用率：能源消耗量与国民生产总值成正比。第1章 基本概念及定义1. 1 热力系统一、热力系统系统：用界面从周围的环境中分割出来的研究对象，或空间内物体的总和。外界：与系统相互作用的环境。界面：假想的、实际的、固定的、运动的、变形的。依据：系统与外界的关系系统与外界的作用：热交换、功交换、质交换。二、闭口系统和开口系统 闭口系统：系统内外无物质交换,称控制质量。开口系统：系统内外有物质交换,称控制体积。三、绝热系统与孤立系统绝热系统：系统内外无热量交换 (系统传递的热量可忽略不计时，可认为绝热)孤立系统：系统与外界既无能量传递也无物质交换=系统+相关外界=各相互作用的子系统之和= 一切热力系统连同相互作用的外界四、根据系统内部状况划分可压缩系统：由可压缩流体组成的系统。简单可压缩系统：与外界只有热量及准静态容积变化均匀系统：内部各部分化学成分和物理性质都均匀一致的系统，是由单相组成的。非均匀系统：由两个或两个以上的相所组成的系统。单元系统：一种均匀的和化学成分不变的物质组成的系统。多元系统：由两种或两种以上物质组成的系统。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。思考题：孤立系统一定是闭口系统吗?反之怎样?孤立系统一定不是开口的吗、孤立系统是否一定绝热？12 工质的热力状态与状态参数一、状态与状态参数状态：热力系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况。状态参数：描述工质状态特性的各种状态的宏观物理量。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。状态参数的数学特性:1 表明：状态的路径积分仅与初、终状态有关，而与状态变化的途径无关。2=0表明：状态参数的循环积分为零基本状态参数：可直接或间接地用仪表测量出来的状态参数：温度、压力、比容或密度温度：宏观上，是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量。微观上,是大量分子热运动强烈程度的量度2压力：垂直作用于器壁单位面积上的力，称为压力，也称压强。 式中：F整个容器壁受到的力，单位为牛顿（N）；f容器壁的总面积（m2）。微观上：分子热运动产生的垂直作用于容器壁上单位面积的力。压力测量依据：力平衡原理 压力单位：MPa相对压力：相对于大气环境所测得的压力。工程上常用测压仪表测定的压力。以大气压力为计算起点，也称表压力。 （PB）（PT1-T2 所以： 二 卡诺定理：1、所有工作于同温热源、同温冷源之间的一切热机，以可逆热机的热效率为最高。2.在同温热源与同温冷源之间的一切可逆热机，其热效率均相等.思考题1自发过程为不可逆过程，那么非自发过程即为可逆过程。此说法对吗?为什么?2自然界中一切过程都是不可逆过程，那么研究可逆过程又有什么意义呢?3以下说法是否正确?工质经历一不可逆循环过程,因0，故0不可逆过程的熵变无法计算若从某一初态沿可逆和不可逆过程达到同一终态，则不可逆过程中的熵变必定大于可逆过程中的熵变。4某热力系统经历一熵增的可逆过程，问该热力系统能否经一绝热过程回复到初态。5若工质经历一可逆过程和一不可逆过程，均从同一初始状态出发，且两过程中工质的吸热量相同，问工质终态的熵是否相同？6绝热过程是否一定是定熵过程？定熵过程是否一定满足PvK=定值的方程？答案：可逆绝热过程才是定熵。否，必须为理想气体，可逆绝热，定值比热容。7工质经历一个不可逆循环能否回复到初态？8用孤立系统熵增原理证明：热量从高温物体传向低温物体的过程是不可逆过程。第8章 压气机的热力过程81 压气机的理论压缩功压气机: 用来压缩气体的设备一、单机活塞式压气机工作过程吸气过程、压缩过程、排气过程。理想化为可逆过程、无阻力损失.1定温压缩轴功的计算=按稳态稳流能量方程，压气机所消耗的功，一部分用于增加气体的焓，一部分转化为热能向外放出.对理想气体定温压缩,表示消耗的轴功全部转化成热能向外放出. = 2定熵压缩轴功的计算,按稳态稳流能量方程，绝热压缩消耗的轴功全部用于增加气体的焓，使气体温度升高，该式也适用于不可逆过程3多变压缩轴功的计算按稳态稳流能量方程，多变压缩消耗的轴功部分用于增加气体的焓，部分对外放热，该式同样适用于不可逆过程 结论: 可见定温过程耗功最少，绝热过程耗功最多82 多级压缩及中间冷却 由 即：压力比越大，其压缩终了温度越高，较高压缩气体常采用中间冷却设备，称多级压气机.最佳增压比：使多级压缩中间冷却压气机耗功最小时，各级的增压比称为最佳增压比。压气机的效率：在相同的初态及增压比条件下，可逆压缩过程中压气机所消耗的功与实际不可逆压缩过程中压气机所消耗的功之比，称为压气机的效率。特点:1减小功的消耗,由p-v图可知2降低气体的排气温度,减少气体比容3每一级压缩比降低,压气机容积效率增高中间压力的确定: 原则：消耗功最小。以两级压缩为例,得到：结论:两级压力比相等，耗功最小。推广为Z级压缩 推理:1每级进口、出口温度相等.2各级压气机消耗功相等.3各级气缸及各中间冷却放出和吸收热量相等.85 活塞式压气机余隙影响一、余隙对排气量的影响余隙：为了安置进、排气阀以及避免活塞与汽缸端盖间的碰撞，在汽缸端盖与活塞行程终点间留有一定的余隙，称为余隙容积，简称余隙活塞式压气机的容积效率：活塞式压气机的有效容积和活塞排量之比，结论：余隙使一部分汽缸容积不能被有效利用，压力比越大越不利。二 余隙对理论压缩轴功的影响式中：为实际吸入的气体体积。结论：不论压气机有无余隙，压缩每kg气体所需的理论压缩轴功都相同，所以应减少余隙容积。思考题：1在p-v图上，T和s减小的方向分别在哪个方向，在T-s图上p和v减小的方向分别在哪个方向。2工质为空气，试在p-v和T-s图上画出n=1.5的膨胀过程和n=1.2的压缩过程的大概位置，并分析二过程中q、w、u的正负。3如果气体按规律膨胀，其中c为常数，则此过程中理想气体被加热还是被冷却。4在多变过程中热量和功量之间的关系等于什么，即 =?5试在T-s图上用过程线和横坐标之间的面积来分析相同初态和相同终态压力下的定温、多变、绝热压缩中的能量转换关系，比较哪种压缩时耗功量最小。6如果气体压缩机在汽缸中采取各种冷却方法后，已能按定温过程进行压缩，这时是否还要采用分级压缩，为什么。第9章 气体动力循环92 活塞式内燃机实际循环的简化开式循环(open cycle)； 燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆； 各环节中工质质量、成分稍有变化。93 活塞式内燃机的理想循环一、混合加热理想循环01 吸气12 压缩23 喷油、燃烧34 燃烧45 膨胀作功50 排气二、定压加热理想循环三、定容加热理想循环第10章 蒸汽动力装置循环热机：将热能转换为机械能的设备叫做热力原动机。热机的工作循环称为动力循环。动力循环可分：蒸汽动力循环和燃气动力循环两大类。101蒸汽动力基本循环一朗肯循环朗肯循环是最简单的蒸汽动力理想循环，热力发电厂的各种较复杂的蒸汽动力循环都是在朗肯循环的基础上予以改进而得到的。一、装置与流程蒸汽动力装置：锅炉、汽轮机、凝汽器和给水泵等四部分主要设备。工作原理：p-v、T-s和h-s。朗肯循环可理想化为：两个定压过程和两个定熵过程。二、朗肯循环的能量分析及热效率取汽轮机为控制体，建立能量方程:三、提高朗肯循环热效率的基本途径依据：卡诺循环热效率1、提高平均吸热温度 直接方法式提高蒸汽压力和温度。2、降低排气温度. 第11章 制冷循环111 空气压缩制冷循环空气压缩式制冷：将常温下较高压力的空气进行绝热膨胀，会获得低温低压的空气。原则：实现逆卡诺循环工作原理如图： 注意：空气的热物性决定了空气压缩致冷循环的致冷系数低和单位工质的致冷能力小。或：112 蒸汽压缩制冷循环一、实际压缩式制冷循环蒸气压缩致冷装置：压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器组成。原理：由蒸发器出来的致冷剂的干饱和蒸气被吸入压缩机，绝热压缩后成为过热蒸气(过程1-2)，蒸气进入冷凝器，在定压下冷却(过程2-3)，进一步在定压定温下凝结成饱和液体(过程3-4)。饱和液体继而通过一个膨胀阀(又称节流阀或减压阀)经绝热节流降压降温而变成低干度的湿蒸气。注意：工业上，用节流阀取代膨胀机。二、制冷剂的压焓图(lgp-h图)原理：以致冷剂焓作为横坐标，以压力对数为纵坐标，共绘出致冷剂的六种状态参数线簇：定焓(h)、定压力(p)、定温度(T)、定比容(v)、定熵(s)及定干度(x)线. 蒸气压缩式致冷循环各热力过程在lgp-h图上的表示：1-2表示压缩机中的绝热压缩过程。2-3-4是冷凝器中的定压冷却过程4-5为膨胀阀中的绝热节流过程。5-1表示蒸发器内的定压蒸发过程。三、制冷循环能量分析及致冷系擞实际蒸气压缩致冷循环整个装置的能量分析。其致冷系数为=收获/消耗制冷剂质量流量：压缩机所需功率：冷凝器热负荷：四、影响制冷系数的主要因素降低制冷剂的冷凝温度提高蒸发温度五、蒸汽喷射制冷循环简答题第1章 基本概念闭口系与外界无物质交换，系统内质量将保持恒定，那么，系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗?答：否。当一个控制质量的质量入流率与质量出流率相等时（如稳态稳流系统），系统内的质量将保持恒定不变。有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割，所以开口系不可能是绝热系。这种观点对不对，为什么?答：不对。“绝热系”指的是过程中与外界无热量交换的系统。热量是指过程中系统与外界间以热的方式交换的能量，是过程量，过程一旦结束就无所谓“热量”。物质并不“拥有”热量。一个系统能否绝热与其边界是否对物质流开放无关。平衡状态与稳定状态有何区别和联系，平衡状态与均匀状态有何区别和联系?答：“平衡状态”与“稳定状态”的概念均指系统的状态不随时间而变化，这是它们的共同点；但平衡状态要求的是在没有外界作用下保持不变；而平衡状态则一般指在外界作用下保持不变，这是它们的区别所在。倘使容器中气体的压力没有改变，试问安装在该容器上的压力表的读数会改变吗？在绝对压力计算公式中，当地大气压是否必定是环境大气压?答：可能会的。因为压力表上的读数为表压力，是工质真实压力与环境介质压力之差。环境介质压力，譬如大气压力，是地面以上空气柱的重量所造成的，它随着各地的纬度、高度和气候条件不同而有所变化，因此，即使工质的绝对压力不变，表压力和真空度仍有可能变化。“当地大气压”并非就是环境大气压。准确地说，计算式中的Pb 应是“当地环境介质”的压力，而不是随便任何其它意义上的“大气压力”，或被视为不变的“环境大气压力”。温度计测温的基本原理是什么?答：温度计对温度的测量建立在热力学第零定律原理之上。它利用了“温度是相互热平衡的系统所具有的一种同一热力性质”，这一性质就是“温度”的概念。经验温标的缺点是什么?为什么?答：由选定的任意一种测温物质的某种物理性质，采用任意一种温度标定规则所得到的温标称为经验温标。由于经验温标依赖于测温物质的性质，当选用不同测温物质制作温度计、采用不同的物理性质作为温度的标志来测量温度时，除选定的基准点外，在其它温度上，不同的温度计对同一温度可能会给出不同测定值（尽管差值可能是微小的），因而任何一种经验温标都不能作为度量温度的标准。这便是经验温标的根本缺点。促使系统状态变化的原因是什么?举例说明。答：分两种不同情况： 若系统原本不处于平衡状态，系统内各部分间存在着不平衡势差，则在不平衡势差的作用下，各个部分发生相互作用，系统的状态将发生变化。例如，将一块烧热了的铁扔进一盆水中，对于水和该铁块构成的系统说来，由于水和铁块之间存在着温度差别，起初系统处于热不平衡的状态。这种情况下，无需外界给予系统任何作用，系统也会因铁块对水放出热量而发生状态变化：铁块的温度逐渐降低，水的温度逐渐升高，最终系统从热不平衡的状态过渡到一种新的热平衡状态； 若系统原处于平衡状态，则只有在外界的作用下（作功或传热）系统的状态才会发生变。(a)(b)图1-16 思考题8附图图1-16a、b所示容器为刚性容器：将容器分成两部分。一部分装气体，一部分抽成真空，中间是隔板。若突然抽去隔板，气体(系统)是否作功？设真空部分装有许多隔板，每抽去一块隔板让气体先恢复平衡再抽去一块，问气体(系统)是否作功？上述两种情况从初态变化到终态，其过程是否都可在P-v图上表示？答：；受刚性容器的约束，气体与外界间无任何力的作用，气体（系统）不对外界作功； b情况下系统也与外界无力的作用，因此系统不对外界作功； a中所示的情况为气体向真空膨胀(自由膨胀)的过程，是典型的不可逆过程。过程中气体不可能处于平衡状态，因此该过程不能在P-v图上示出；b中的情况与a有所不同，若隔板数量足够多，每当抽去一块隔板时，气体只作极微小的膨胀，因而可认为过程中气体始终处在一种无限接近平衡的状态中，即气体经历的是一种准静过程，这种过程可以在P-v图上用实线表示出来。经历一个不可逆过程后，系统能否恢复原来状态？包括系统和外界的整个系统能否恢复原来状态？答：所谓过程不可逆，是指一并完成该过程的逆过程后，系统和它的外界不可能同时恢复到他们的原来状态，并非简单地指系统不可能回复到原态。同理，系统经历正、逆过程后恢复到了原态也并不就意味着过程是可逆的；过程是否可逆，还得看与之发生过相互作用的所有外界是否也全都回复到了原来的状态，没有遗留下任何变化。原则上说来经历一个不可逆过程后系统是可能恢复到原来状态的，只是包括系统和外界在内的整个系统则一定不能恢复原来状态。系统经历一可逆正向循环及其逆向可逆循环后，系统和外界有什么变化？若上述正向及逆向循环中有不可逆因素，则系统及外界有什么变化？答：系统完成一个循环后接着又完成其逆向循环时，无论循环可逆与否，系统的状态都不会有什么变化。根据可逆的概念，当系统完成可逆过程（包括循环）后接着又完成其逆向过程时，与之发生相互作用的外界也应一一回复到原来的状态，不遗留下任何变化；若循环中存在着不可逆因素，系统完成的是不可逆循环时，虽然系统回复到原来状态，但在外界一定会遗留下某种永远无法复原的变化。（注意：系统完成任何一个循环后都恢复到原来的状态，但并没有完成其“逆过程”，因此不存在其外界是否“也恢复到原来状态”的问题。一般说来，系统进行任何一种循环后都必然会在外界产生某种效应，如热变功，制冷等，从而使外界有了变化。）工质及气缸、活塞组成的系统经循环后，系统输出的功中是否要减去活塞排斥大气功才是有用功？答：不需要。由于活塞也包含在系统内，既然系统完成的是循环过程，从总的结果看来活塞并未改变其位置，实际上不存在排斥大气的作用。第2章 热力学第一定律B隔板A自由膨胀刚性绝热容器中间用隔板分为两部分，A中存有高压空气，B中保持真空，如图2-11所示。若将隔板抽去，分析容器中空气的热力学能如何变化？若隔板上有一小孔，气体泄漏人B中，分析A、B两部分压力相同时A、B两部分气体的比热力学能如何变化？答: 定义容器内的气体为系统，这是一个控制质量。由于气体向真空作无阻自由膨胀，不对外界作功，过程功；容器又是绝热的，过程的热量，因此，根据热力学第一定律，应有，即容器中气体的总热力学能不变，膨胀后当气体重新回复到热力学平衡状态时，其比热力学能亦与原来一样，没有变化；若为理想气体，则其温度不变。 当隔板上有一小孔，气体从A泄漏人B中，若隔板为良好导热体，A、B两部分气体时刻应有相同的温度，当A、B两部分气体压力相同时，A、B两部分气体处于热力学平衡状态，情况像上述作自由膨胀时一样，两部分气体将有相同的比热力学能，按其容积比分配气体的总热力学能；若隔板为绝热体，则过程为A对B的充气过程，由于A部分气体需对进入B的那一部分气体作推进功，充气的结果其比热力学能将比原来减少，B部分气体的比热力学能则会比原来升高，最终两部分气体的压力会达到平衡，但A部分气体的温度将比B部分的低（见习题4-22）。热力学第一定律的能量方程式是否可写成的形式，为什么？答：热力学第一定律的基本表达式是：过程热量 = 工质的热力学能变化 + 过程功第一个公式中的Pv并非过程功的正确表达，因此该式是不成立的；热量和功过程功都是过程的函数，并非状态的函数，对应于状态1和2并不存在什么q1、q2和w1、w2；对于过程1-2并不存在过程热量和过程功，因此第二个公式也是不成立的。.热力学第一定律解析式有时写成下列两种形式：分别讨论上述两式的适用范围。答：第一个公式为热力学第一定律的最普遍表达，原则上适用于不作宏观运动的一切系统的所有过程；第二个表达式中由于将过程功表达成，这只是对简单可压缩物质的可逆过程才正确，因此该公式仅适用于简单可压缩物质的可逆过程。.为什么推动功出现在开口系能量方程式中，而不出现在闭口系能量方程式中？答：当流体流动时，上游流体为了在下游占有一个位置，必须将相应的下游流体推挤开去，当有流体流进或流出系统时，上、下游流体间的这种推挤关系，就会在系统与外界之间形成一种特有的推动功（推进功或推出功）相互作用。反之，闭口系统由于不存在流体的宏观流动现象，不存在上游流体推挤下游流体的作用，也就没有系统与外间的推动功作用，所以在闭口系统的能量方程式中不会出现推动功项。.稳定流动能量方程式（2-16）是否可应用于活塞式压气机这种机械的稳定工况运行的能量分析？为什么？答：可以。就活塞式压气机这种机械的一个工作周期而言，其工作过程虽是不连续的，但就一段足够长的时间而言（机器的每一工作周期所占的时间相对很短），机器是在不断地进气和排气，因此，对于这种机器的稳定工作情况，稳态稳流的能量方程是适用的。.开口系实施稳定流动过程，是否同时满足下列三式：上述三式中W、Wt和Wi的相互关系是什么?答：是的，同时满足该三个公式。第一个公式中dU指的是流体流过系统时的热力学能变化，dW是流体流过系统的过程中对外所作的过程功；第二个公式中的dWt指的是系统的技术功；第三个公式中的dWi指的是流体流过系统时在系统内部对机器所作的内部功。对通常的热工装置说来，所谓“内部功”与机器轴功的区别在于前者不考虑机器的各种机械摩擦，当为可逆机器设备时，两者是相等的。从根本上说来，技术功、内部功均来源于过程功。过程功是技术功与流动功（推出功与推进功之差）的总和；而内部功则是从技术功中扣除了流体流动动能和重力位能的增量之后所剩余的部分。图2-12 合流 几股流体汇合成一股流体称为合流，如图2-12所示。工程上几台压气机同时向主气道送气，以及混合式换热器等都有合流的问题。通常合流过程都是绝热的。取1-1、2-2和3-3截面之间的空间为控制体积，列出能量方程式，并导出出口截面上焓值h3的计算式。答：认为合流过程是绝热的稳态稳流过程，系统不作轴功，并忽略流体的宏观动能和重力位能。对所定义的系统，由式(2-28)应有能量平衡第4章 理想气体的热力过程1. 分析气体的热力过程要解决哪些问题？用什么方法解决？试以理想气体的定温过程为例说明之。答：分析气体的热力过程要解决的问题是：揭示过程中气体的状态（参数）变化规律和能量转换的情况，进而找出影响这种转换的主要因素。分析气体热力过程的具体方法是：将气体视同理想气体；将具体过程视为可逆过程，并突出具体过程的主要特征，理想化为某种简单过程；利用热力学基本原理、状态方程、过程方程，以及热力学状态坐标图进行分析和表示