第一篇：工程熱力學報告

工程熱力學（2015 秋）課程論文

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納米晶材料的熱力學函數研究

一、摘要.........................................................................................1

二、納米晶材料的幾何假設...........................................................1

三、界面熱力學函數分析...............................................................2

四、內部熱力學函數分析...............................................................6

五、整體熱力學函數分析...............................................................6

六、總結.........................................................................................6

七、納米晶材料熱力學應用展望....................................................6

一、摘要

納米晶材料（nanophase material)是具有納米級超細晶組織的材料。由于超細晶粒(小于100nm)、高的界面體積分數(高達50%)和界面區的原子間距分布較寬，其性能特別是和近鄰原子相關聯的性能，如力學性能、熱學性能、磁學性能，與一般多晶材料或同成分的非晶態材料有很大的差別[1]。本文應用界面膨脹模型[2]并以普適狀態[3]為基礎對納米材料的整體的熱力學函數計算模型進行了闡述分析，進而對其應用進行了展望。

二、納米晶材料的幾何假設

納米晶材料中的原子可分為兩部分，一部分是位于晶粒內部點陣位置上有序排列的原子，另一部分是位于晶界面上無序或部分有序的原子。假設納米晶粒子為球形，直徑為d，界面厚度為，如圖1所示。原子在晶界面區域和晶粒內部的排布密度（原子的空間占據百分數）分別為和。位于晶界面上和晶粒內部的原子個數和可由下式計算：

(1)

(2)

其中：Vb為納米晶體界面上一個原子所占的體積，V0為平衡狀態的原子體積。

所以，晶體面處的原子分數xb為

(3)

其中，rb和r0分別為納米晶界面處原子的半徑和平衡狀態時原子的半徑。

圖1 球形納米晶粒及表征幾何尺寸示意圖[4]

為方便表達，設定純物質納米晶體的熱力學函數為以納米晶界面處和晶粒內部兩部分熱力學函數的求和。

三、界面熱力學函數分析

Fecht和Wagner提出，納米晶界面的性質可以通過膨脹晶體的性質來近似考慮，建立了“界面膨脹模型”[2]。由理論分析和計算模擬表明[5],晶界的過剩體積（相對完整晶格）是描述晶體能態最合理的一個參量，它也是晶界的一個主要的結構參量，反映了界面原子體積相對于晶內原子體積的增加量，的定義為：。（其中和分別為完整單晶體和晶界的體積）。在晶界處原子配位結構與完整的晶格不同，通常表現為原子配位距離增大，最近鄰原子配位數減少，造成晶界上存在一定的過剩體積，為了便于計算，將晶界上原子配位數的減少視為晶界密度降低，將晶界近似為減少了最近鄰原子配位數（即減少了密度）的完整晶體，換言之，將晶界的熱力學性能近似為具有相同過剩體積的膨脹晶體的性能，這種膨脹晶體的性能可以根據現有理論進行計算，從而得到晶界的熱力學性能近似。[6]由Simth及其合作者發展的普適狀態方程[3]定量描述了結合能與晶格常數之間的關系，并以證實，該理論對由納米晶界面過剩體積所產生的晶內負壓給予了很好的解釋。

結合“界面膨脹模型”和普適狀態方程，以界面上原子的體積V和絕對溫度T為變量，納米晶界面處單位原子的基本熱力學函數焓、熵和吉布斯自由能的表達式分別為[1]：

(4)

(5)

(6)式中下標b表示晶界。其中，參量E由下式確定[7]：

(7)為平衡態結合能，可根據線膨脹系數和體彈性模量的關系式[8]計算：

(8)此外，(9)

(10)

其中（9）式中的長度尺度[9]用以表征束縛能曲度的寬度，可由下式得到：

(11)

其中（5）式中的Grflneisen參數是反映晶格振動頻率和原子體積之間關系的一個函數，由下式計算[10]：

(12)

根據普式狀態方程，晶體中的壓力P是原子體積V和溫度T的函數[9]：

(13)

(14)

(15)

(16)

以上式子中，CV是恒定體積下的比熱，對于單位原子其值約為3kB，kB是Boltzmann常數，TR為參照溫度，r0為p=0時平衡態的原子半徑，rb是納米晶界面處原子的半徑，B0(TR)和a0(TR)分別為參照溫度下，P=0時的體彈性模量和體膨脹系數。

至此，由以上公式可以計算出納米晶界面的焓、熵和吉布斯自由能，詳細的表達式如下：

(17)

(18)

(19)

上式中：

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

四、內部熱力學函數分析

將納米晶粒內部晶體的性質等同于粗晶，可以根據塊體材料的熱力學函數表達式進行計算。由經典熱力學理論，完整晶體中原子的自由焓、熵和吉布斯自由能表達式分別為：

(27)(28)(29)

式中下標i表示晶體內部，計算中完整晶體的等壓熱容（Cp）的數據取決于SGTE熱力學數據庫。

五、整體熱力學函數分析

引入納米晶界面上的原子分數xb作為權重，整體納米材料的熱力學函數可以表達為：(30)

(31)

(32)

這樣就得到了整體納米材料的熱力學函數的表達式。焓、熵和吉布斯自由能是材料熱力學研究中重要的參數，材料的制備，反應方向和材料相變的預測以及對復雜化合物及新材料的熱力學性質的測定等都可以通過這3個參量的計算而得出，因此上述的計算結果對于納米材料的研究具有十分重要的指導意義。

六、總結

本文在應用“界面膨脹模型”和普適狀態方程研究納米晶界面熱力學特性的基礎上，發展了納米晶整體材料熱力學函數的計算模型[4]，給出了納米晶體單相材料的焓、熵、自由能隨界面過剩體積、溫度以及晶粒尺寸發生變化的明確表達式，由此可以定量預測納米晶材料發生相變的特征溫度和臨界尺寸。

七、納米晶材料熱力學應用展望

納米晶材料的特殊性能是由其化學組成、界面結構以及產生微細組織的制備過程等共同決定的，是與納米結構和組織形成及轉變的熱力學和動力學緊密聯系的。然而，相對于粗晶的大塊多晶體材料，納米材料的比熱值升高、熱膨脹系數成倍增大、以及與同成分塊體材料具有明顯差異的相變特征和相穩定性等特性，因此，應用于塊體材料的傳統熱力學理論不能很好的合理解釋納米晶材料的相變行為[11]。因此發展納米晶材料的熱力學研究具有很重要的意義。

[1] 柯成 主編.金屬功能材料詞典.北京：冶金工業出版社.1999.第172-173頁.[2] Fecht J H.Intrinsic instability and entropy stabilization of Grain boundaries.[J].Phys Rev Lett,1990,65:610-613.[3] Wagner M.Structure and thermodynamic properties of nanocrysralline metals.[J] Phys Rev B,1992,45:635-639.[4] 高金萍,張久興,宋曉艷,劉雪梅.納米晶材料熱力學函數及其在相變熱力學中的應用[A].第五屆中國功能材料及其應用學術會議論文集Ⅱ[C].2004 [5]D.Wolf.Phit.Mog.B59(1989),667.[6] 盧柯.金屬納米晶的界面熱力學特性.[J].物理學報1995,44;1454.[7] Rose J H,Smith J R,Guinea F, et al.Universal features ofthe equation of state of metals..Phys Rev B.1984

[8] Dugdale J S,Macdonald D K C.The thermal expansion ofsolids..Phys Rev.1959

[9] Vinet P,Smith J R,Ferrante J, et al.Temperature effects onthe universal equation of state of solids..Phys Rev B.1987

[10] Dugdale J S,Macdonald D K C.The thermal expansion ofsolids..Phys Rev.1959

[11] 宋曉艷,張久興,李乃苗,高金萍,楊克勇,劉雪梅.金屬納米晶和納米粒子材料熱力學特性的模擬計算與實驗研究[A].2005年全國計算材料、模擬與圖像分析學術會議論文集[C].2005

第二篇：工程熱力學講稿

工程熱力學講稿

一、基本知識點

基本要求

理解和掌握工程熱力學的研究對象、主要研究內容和研究方法 〃理解熱能利用的兩種主要方式及其特點 〃了解常用的熱能動力轉換裝置的工作過程

1．什么是工程熱力學

從工程技術觀點出發，研究物質的熱力學性質，熱能轉換為機械能的規律和方法，以及有效、合理地利用熱能的途徑。電能一一機械能

鍋爐一一 煙氣 一一 水 一一水蒸氣一一(直接利用)供熱 鍋爐一一 煙氣 一一 水 一一水蒸氣一一汽輪機一一(間接利用)發電

冰箱一一-(耗能)制冷

2．能源的地位與作用及我國能源面臨的主要問題

3.熱能及其利用

（1）.熱能：能量的一種形式

（2）.來源：一次能源：以自然形式存在，可利用的能源。如風能,水力能,太陽能、地熱能、化學能和核能等。

二次能源：由一次能源轉換而來的能源，如機械能、機械

能等。

（3）.利用形式：

直接利用：將熱能利用來直接加熱物體。如烘干、采暖、熔煉(能源消耗比例大)

間接利用：各種熱能動力裝置，將熱能轉換成機械能或者再轉換成電能，4．.熱能動力轉換裝置的工作過程

5．熱能利用的方向性及能量的兩種屬性

過程的方向性：如：由高溫傳向低溫

能量屬性：數量屬性、,質量屬性(即做功能力)

注意：

數量守衡、質量不守衡

提高熱能利用率：能源消耗量與國民生產總值成正比。

6．本課程的研究對象及主要內容

研究對象：與熱現象有關的能量利用與轉換規律的科學。研究內容：

（1）．研究能量轉換的客觀規律，即熱力學第一與第二定律。

（2）．研究工質的基本熱力性質。

（3）．研究各種熱工設備中的工作過程。

（4）．研究與熱工設備工作過程直接有關的一些化學和物理化學問題。

7．.熱力學的研究方法與主要特點

（1）宏觀方法：唯現象、總結規律，稱經典熱力學。

優點：簡單、明確、可靠、普遍。

缺點：不能解決熱現象的本質。

（2）微觀方法：從物質的微觀結構與微觀運動出發，統計的方法總結規律,稱統計熱力學。

優點：可解決熱現象的本質。缺點：復雜，不直觀。

主要特點：三多一廣，內容多、概念多、公式多。

聯系工程實際面廣。條理清楚，推理嚴格。

二、重點、難點

重點：熱能利用的方向性及能量的兩種屬性

難點：使學生認識到學習本課程的重要性，激發學生的學習興趣和學習積極性，教會學生掌握專業基礎課的學習方法。

四、德育點

〃通過對我國能源及其利用現狀的介紹,增強學生對我國能源問題的憂患意識和責任意識,激發學生為解決我國能源問題而努力學習的愛國熱情

〃通過熱能利用在整個能源利用中地位的闡述,使學生認識研究熱能利用和學習工程熱力學的重要性,向學生滲透愛課程、愛專業教育

五、練習與討論

討論題:能源與環境、節能的重要性、建筑節能、辯證思維

學習方法：物理概念必須清楚，記住一般公式，注意問題結果的應用。

第三篇：中科大工程熱力學

工程熱力學 1 絕熱熱力系:若熱力系與外界之間無熱量交換,則該熱力系稱為絕熱熱力系.平衡狀態：若熱力系在不受外界的作用下，宏觀性質不隨時間變化而變化。準靜態過程：在熱力過程中，熱力系的宏觀狀態始終維持或接近平衡狀態。

可逆過程：一個熱力過程進行完了以后，如能使熱力系沿相同的路徑逆行而回復至原態，且相互作用中所涉及到的外界也回復到原態，而不留下任何痕跡。

穩定流動過程：在流動過程中，熱力系內部及熱力系界面上每一點的所有特性參數都不隨時間而變化。

狀態參數：用以描述熱利系狀態的某些宏觀物理量稱為熱力系狀態參數。強度參數：與熱利系的質量無關，且不可相加的狀態參數。熱量：通過熱力系以外的一切物質，統稱外界。壓力：單位面積上所受到的指向受力面的垂直作用力。

內能：內能是熱力系處于宏觀靜止狀態時系統內所有微觀粒子所具有的能量總和。單位質量工質所具有的內能稱為比內能。

熵：是表征系統微觀粒子無序程度的一個宏觀狀態參數。

熱力學第一定律：熱可以轉變為功，功也可以變為熱。一定量的熱消失時，必產生與之數量相當的功；消耗一定量的功時，也必出現相當數量的熱。

容積功：在熱力過程，由于系統容積改變，使系統與外界交換的功。

推動功：為使某部分工質進出熱利系，外界或系統對這部分工質做功，這部分功稱為推動功或流動功。即推動功是維持工質流動所必需的最小的功。

技術功：工程上將技術上可以利用的功稱為技術功，對開口系統來講其包括軸功、進出口的宏觀動能差和宏觀位能差。

熱力學第二定律：開爾文說法，只冷卻一個熱源而連續不斷做工的循環發動機是造不成的。克勞修斯說法，熱不可能自發的、不負代價的從低溫物體傳到高溫物體。

孤立系統熵增原理：若孤立系所有部分的內部以及彼此間的作用都經歷可逆變化，則孤立西的總熵保持不變；若在任一部分內發生不可逆過程或各部分間的相互作用中伴有不可逆性，則其熵必增加。

理想熱機：熱機內發生的一切熱力過程都是可逆過程。卡諾循環：在兩個恒溫熱源間，有兩個可逆過程組成的循環。卡諾定理：在兩個不同溫度的恒溫熱源間的所有熱機，以可逆機的效率最高。

第二類永動機：從單一熱源取得熱量并使之完全變為機械能而又不引起其他變化的循環發動機。

理想氣體：其分子式一些彈性的、不占有體積的質點，且分子間沒有相互作用力。比熱：單位質量的物體，當其溫度變化一度時，物體和外界交換的熱量。

定壓質量比熱：在定壓過程中，單位質量的物體，當溫度變化一度時，物體和外界交換的熱量。

同定容質量比熱 定壓容積比熱 定容質量比熱 定壓摩爾比熱 定容摩爾比熱 飽和溫度：在一定壓力下，當氣體兩相達到平衡時，液體所具有的溫度。飽和壓力:當氣液兩相達到平衡時,蒸汽所具有的壓力.飽和液體:兩相平衡時的液體.干飽和蒸汽:在一定的壓力下,飽和液體完全汽化為蒸汽,蒸汽溫度仍為該壓力下的飽和溫度.濕飽和蒸汽:兩相平衡時飽和液體和飽和蒸汽的混合物.過熱蒸汽:在一定壓力下,蒸汽所具有的溫度高于該壓力對應的飽和溫度.汽化潛熱:一定溫度下,1千克飽和液體汽化為同溫度下的干飽和蒸汽所吸收的熱量.臨界點:在狀態參數坐標圖上,飽和液體線與干飽和蒸汽線相交的點.過熱蒸汽的過熱度:在某一壓力下,過熱蒸汽的溫度與該壓力下飽和溫度的差值.三相點:物質氣,液,固三相共存的狀態點.混合氣體的質量成分:混合氣體中某組元氣體的質量與混合氣體總質量的比值.混合氣體的容積成分 混合氣體的摩爾成分

混合氣體的分壓力:混合氣體中各組元氣體在混合氣體溫度下單獨占有整個容積時,作用于容器壁上的壓力.混合氣體的分容積:混合氣體各組元氣體處于混合氣體的壓力和溫度時所單獨占的容 工程熱力學 2 積.道爾頓分壓定律:混合氣體的總壓力等于各組元氣體分壓力之和.分容積定律:混合氣體的總容積等于各組元氣體分容積之和.濕空氣;含有水蒸氣的空氣.未飽和濕空氣:由空氣和過熱水蒸汽組成的濕空氣.飽和濕空氣:由空氣和飽和水蒸氣組成的濕空氣.絕對濕度(濕空氣):單位容積的濕空氣中所含水蒸汽的質量.相對濕度(濕空氣):濕空氣的絕對濕度與同溫度下飽和濕空氣的絕對濕度之比(濕空氣中實際所含的水蒸氣量和同溫度下飽和濕空氣中所能包含的最大水蒸氣量之比).濕空氣含濕量(比濕度):一定容積的濕空氣中水蒸氣的質量與干空氣質量之比.過熱蒸汽:在一定壓力下,溫度高于該壓力對應的飽和溫度之蒸汽.過冷蒸汽:在一定壓力下,溫度低于該壓力對應的飽和溫度之蒸汽.對比參數:工質的狀態與其相應的臨界參數之比,如工質壓力與其臨界壓力之比,工質溫度與其臨界溫度之比為對比溫度.液體熱:將一公斤未飽和水定壓加熱為飽和水,所需的熱量.濕蒸汽干度:一定質量的濕蒸汽中所含干飽和蒸汽的質量與濕蒸汽總質量之比.定溫過程:在狀態變化時,定量工質溫度保持不變的過程.絕熱過程:工質和外界沒有熱交換的過程.定熵過程:在狀態變化時,工質熵保持不變的過程(可逆絕熱過程).定熵流動:若工質在流動時既與外界無熱量交換又無摩擦和擾動,則流動為可逆絕熱流動.音速:微弱擾動在連續介質中所產生的縱波的傳播速度.當地音速:指當地流動所處狀態下的音速.馬赫數:工質在流動過程中,某一點的流動與當地音速之比.噴管:使氣流壓力降低,流速增大的管道.擴壓管:使氣流流速降低,壓力增大的管道.絕熱節流:工質在管內絕熱流動時,由于通道截面突然縮小,使工質壓力降低.絕熱滯止:工質在絕熱流動中,因遇到障礙物或某種原因而受阻,使速度降低直至為零.活塞式縮機的余隙:為了安置進,排氣閥以及避免活塞與汽缸端蓋的碰撞,在汽缸端頂與活塞行程終點間留有一定的空隙,稱為余隙容積.活塞式壓縮機的容積效率：活塞式壓氣機的有效容積和活塞排量之比。最佳增壓比：使多級壓縮中間冷卻壓氣機耗功最小時，各級的增壓比。

壓氣機的效率：在相同的初態及增壓比條件下，可逆壓縮機過程中壓氣機所消耗功與實際不可逆壓縮過程中壓氣機所耗功的功之比。亞音速流動：工質的流動速度小于當地音速。

超音速流動：工質再噴管中流動時，在噴管的最小截面處，若工質的流動速度等于當地音速，則此時工質所處的狀態。臨界壓力比：臨界狀態時工質壓力與滯止壓力之比。壓氣機的增壓比：壓氣機的出口壓力與進口壓力之比。

平均加熱溫度：用加熱工程中系統與外界交換的熱量除以交換該熱量時系統熵的改變量所得到的溫度。

平均放熱溫度：用放熱過程中系統與外界交換的熱量除以交換該熱量時系統熵的改變量所得到的溫度。

循環熱效率：工質完成一個循環時，對外所作的凈功與吸熱量之比。汽耗率：蒸汽動力循環裝置每輸出1千瓦小時功量時所消耗的蒸汽量。

相對熱效率：某循環的熱效率與相同溫度范圍內卡諾循環熱效率之比，稱為該循環的相對熱效率或充滿系數。

制冷系數：制冷循環中，制冷量與循環凈功之比。供熱系數：供熱循環中，供熱量與循環凈功之比。

制冷量：在每一次制冷循環中，一公斤工質從冷藏室吸收的熱量。供熱量：在每一次供熱循環中，一公斤工質放給暖室的熱量。循環凈熱量：一次循環中系統和外界交換的總熱量。循環凈功：一次循環中系統和外界交換的總 工程熱力學 3 功量。

循環加熱量：一次循環中系統從外界吸收的總熱量。循環放熱量：一次循環中系統放給外界的總熱量。

熱力循環：工質從某一狀態經過一連串的狀態變化過程，又回復到原來的狀態，這些熱力過程的組合就稱為熱力循環。

熱機循環：若循環的結果是工質將外界的熱能在一定的條件下連續不斷的轉變為機械能。制冷：對物體進行冷卻，使其溫度低于周圍環境溫度，并維持這個低溫。制冷機：從低溫冷藏室吸取熱量排向大氣所用的機械。熱泵：將熱量由大氣傳送至高溫暖室所用的機械裝置。

1、通用氣體常數是一個與氣體性質和狀態均無關的常數,而氣體常數是一個和氣體性質有關,但與氣體所處的狀態無關常數,且某種氣體的氣體常數就等于通用氣體常數除以該氣體的分子量.2、第一類永動機是指從單一熱源取熱量并使之完全轉變為機械功的循環發動機;而第二類永動機是指不消耗任何能量而連續不斷做工的循環發動機.3、冬季供暖時,隨著室內空氣溫度的不斷提高,室內空氣的相對濕度逐漸降低,空氣變得干燥,使人感到不舒服.4、當熱力系與外界無能量交換時,熱力系內狀態是否發生變化將取決于熱力系本身的狀態.若熱力系是平衡熱力系,則熱力系的狀態不發生變化;若熱力系是非平衡熱力系,則熱力系的狀態將隨時間發生變化.5、焓是狀態參數,其大小取決于系統的狀態,與系統是否封閉無關.無論何種系統,只要起狀態一定,則用來描述狀態的宏觀物理量就一定存在.6、Q=W+△U不僅適用于封閉熱力系,也適用于其他熱力系.因為該式揭示了在能量轉換過程中內能,容積工和加熱量之間的普遍關系.7、容積變化工表達式只適用于可逆過程.技術工使用于任何工質的可逆過程.8、理想氣體絕熱自由膨脹過程是典型的不可逆過程,過程中比內能會發生變化,但膨脹前后總內能相等.9、熵是狀態參數,某一過程中的變化量僅取決于過程的處態和終態,與過程本身無關.10、僅僅已知溫度和壓力只可確定非飽和區域內水蒸汽的狀態,而不確定飽和區域內水蒸汽的狀態,因為在飽和區域內溫度和壓力是互為函數.11、飽和濕空氣是干空氣于飽和水蒸氣的混合物,故干球溫度與濕球溫度相等,露點是濕空氣中水蒸氣分壓力所對應的飽和溫度,由于飽和濕空氣中水蒸氣是飽和的故水蒸氣的分壓力為飽和壓力.12、比濕度相同的兩種濕空氣,溫度高者,其相對濕度小,吸濕能力強.沸騰狀態的水即飽和水,飽和水的溫度取決于水的壓力,較低的壓力對應于較低的飽和溫度.13、干飽和蒸汽的比容隨飽和溫度的升高而降低.濕空氣在不增加和減少水蒸氣含量的情況下定壓冷卻，其水蒸氣的分壓力也不變。濕空氣中水蒸氣分壓力的大小取決于濕空氣中水蒸氣含量的多少。若水蒸氣含量不變，則水蒸氣分壓力也將不變。

14、對密閉容器內的汽、水混合物不斷的加熱時，所有的水必將全部轉化為水蒸氣。該加熱過程為濕蒸汽的定容加熱過程。隨著加熱過程的進行，蒸汽的溫度和壓力將同時增加。若蒸汽溫度超過水的臨界溫度，則所有的水講全部轉化為蒸汽。

15、理想氣體進行N=1.3的可逆膨脹過程時，一定會從外界吸收熱量。若理想氣體是三原子氣體，則絕熱指數為1.3這是N=1.3的逆膨脹過程的可逆絕熱過程，此時氣體與外界無熱量交換。空氣的絕熱指數K=1.4，所以當空氣進行N=1.3的可逆膨脹時，一定會從外界吸收熱量。

16、水從飽和液體定壓汽化為干飽和蒸汽，因為汽化過程中溫度未變，則該過程中內能的改變量△U=CV△T=0 溫度不變只說明水蒸氣的內動能不變，而水蒸氣的內能包括內動能和內位能。內位能是壓力和比容的函數。汽化過程中比容將發生變化，內位能也發生變化，所以內能也發生變化。

17、對濕空氣進行冷卻一定可以去濕。對濕空氣進行冷卻，會提高濕空氣的相對濕

18、度。能否去濕，關鍵在于冷卻后的空氣溫度是否低于濕空氣中水蒸氣的露點溫度。若低于露點溫度，則可以去濕。19、18、理想氣體可逆定溫膨脹過程中氣體對外所作的膨脹功等于技術功。

20、由于濺縮噴管中氣流出口截面上壓力最低，此處壓力不會低于臨界壓力，故出口氣流速度不能超過當地音速，而縮放噴管中氣流出口速度能否大于當地音速，將取決于噴管出口的壓力。若出口壓力大于臨界壓力，則出口速度小于當地音速。21、19、流經縮放噴管的氣體流量隨著背壓的降低而不斷增加。

22、當背壓大于臨界壓力時，隨著背壓的降低，氣體流量將增加；當背壓等于或小于臨界壓力時，氣體流量將達到并保持最大流量。20、濺縮噴管的出口氣流速度隨著背壓的降低而不斷增大。

23、對于濺縮噴管，其出口截面處氣流壓力將大于或等于臨界壓力，所以出口氣流速度將小于或等于當地音速。因此，當背壓大于臨界壓力時，隨著背壓的降低，氣流速度將不斷增加，而當背壓等于或小于臨界壓力時，背壓降低，出口氣流速度降保持當地音速不變。24、21、蒸汽再熱循環的首要目的是為了提高氣輪機的排氣干度。

25、提高蒸汽動力循環熱效率的有效發法之一就是提高新蒸汽的初壓力。但初壓力提高后，會降低氣輪機排氣干度，導致氣輪機相對效率的降低并可能危機氣輪機的工作安全。采用再熱后，可降低氣輪機的排氣干度。26、1.有沒有4000C的水？

27、答： 00C或-100

28、C的水蒸氣？沒有因為水的臨界溫度為374.120C。當物質所具有的溫度高于其臨界溫度是汽化有00C或-100C的水蒸氣，當壓力低于00C時水的飽和壓力或-100C時水的飽和壓力，就會出現。2.冬季，室內玻璃窗內側為何會結霜？ 答：冬季，室內外空氣溫差較大，靠近玻璃窗內側的室內空氣被定壓冷卻，當空氣溫度降到大氣壓力對應的水的飽和溫度時，此時空氣中的水蒸氣達到飽和狀態，并開始有水滴從空氣中析出，若溫度再降低，達到并低于零度，這時從空氣中析出的水滴便開始結霜。3.某一理想氣體的CP-CV及CP/CV是否在任何溫度下均為常數,為什么?

29、答:不是.根據理想氣體的邁耶公式CP-CV=R,這里R是氣體常數,其值的大小只和氣體性質有關,而與氣體所處的狀態無關,所以CP-CV對某一理想氣體而言,在任何溫度下均為常數.而由于CP-CV=R,在該式的兩邊均除以CV,等式為CP/CV=1+R/CV,對于理想氣體由于CV是溫度的單值函數,所以R/CV也是溫度的單值函數,故CP/CV亦是溫度的函數.4.在絕熱不作外功的穩定流動過程中,流體個截面處的制止參數是否相同? 30、答:對于絕熱不作外功的穩定流動過程,其能量方程式為h+1/2C2=常數.所謂制止參數是速度為零時的參數,由能量方程式可見,速度為零時,h=常數,既流體個截面上的制止溫度和制止壓力也相同;若流體是實際氣體,根據流體的性質而定.31、5.多級壓縮為什么要用中間冷卻器?不用可以嗎?為什么?

32、答:多級壓縮用中間冷卻器目的是,對從低壓汽缸出來的壓縮氣體及時進行冷卻,讓溫度降低到被壓縮前的溫度,然后再進入高壓缸,以減少消耗壓縮功.如果不用中間冷卻器,讓從低壓汽缸出來的壓縮氣體直接進入高壓汽缸,就達不到少消耗壓縮功的目的.6.什么是回熱循環?為什么回熱循環能提高蒸汽動力循環的熱效率?

33、答:回熱是指在熱力循環中不同溫度水平的工致之間產生的內部傳熱過程.蒸汽動力的回熱循環是指分次從氣輪機中抽出一些做過功的蒸汽,用其逐級對鍋爐給水加熱的熱力循環.這樣的回熱循環也稱為分級抽氣回熱循環.蒸汽動力循環采用回熱后,由于鍋爐擊水可從回熱器中吸收一部分熱量,使給水溫度提高,這樣可提高循環平均加熱溫度,從而提高循環的熱效率.34、7、空氣壓縮制冷為何不像蒸汽壓縮制冷那樣采用節流閥降壓降溫，而要采用膨脹機降壓膨脹降溫？

35、答：蒸汽壓縮制冷采用節流閥降壓降溫，是因為被截流的工質處在飽和區域內，由于飽和溫度飽和壓力互為函數，因此在節流降壓的同時可以降溫；而空氣壓縮制冷的制冷工質空氣，在一般使用溫度范圍內可視為理想氣體，而理想氣體進節流后，盡管其壓力降低，但溫度保持不變，所以不能通過節流達

36、到降壓降溫的目的，因而，對空氣壓縮制冷必須用膨脹機而不能用節流閥。37、8、熱泵供熱循環與制冷循環有何異同？ 答：熱泵循環是通過消耗機械功，從大氣中吸收熱量，然后將其送入溫度高于大氣溫度的暖室；而制冷循環是通過消耗機械功，從冷藏室吸收熱量，然后將其送入大氣環境。兩者的相同之處在于都是消耗機械功的循環，不同之處在于熱泵循環是從大環境吸收熱量，而制冷循環是把熱量排入大氣環境。

9、工質經過一個不可逆循環，能否恢復到原狀體？

38、答：能。循環是指工質從某一狀態點出發，經過一連串的熱力過程又恢復到原狀態點的所有熱力過程的組合。既然是一個循環就一定能恢復到原狀態，與組成循環的過程是否可你沒有關系。39、10、容積功、推動功、軸功和技術工的差異何在？相互有無聯系？

40、答：在熱力過程中，由于系統容積改變，系統與外界交換的工，成為容積功W，如膨脹功和壓縮功。為使某部分工質你出熱力系，外界或系統必對這部分工質作功，這部分功稱為推動功Wf=△Pv。從旋轉機械的軸上得到的功，叫做軸功Ws。工程上將技術上可以利用的工稱為技術工。對開口系統來講其包括軸功、進出口的宏觀動能差和位能差。

41、Wt=W-△Wf Ws=W-△Wf-1/2mc2-gm△z=Wt-1/2mc2

42、-gm△z

11、漸縮噴管中氣流速度能否超過音速？縮放噴管氣流出口速度能夠低于音速？ 答：漸縮噴管中不能。因為對于漸縮噴管無論其出口界面外壓力如何低，氣流在噴管出口截面出的壓力最多只能降低到臨界壓力，絕不可能降到比臨界壓力更低的壓力。出口外壓力進一步降低時，出口截面上壓力不可能再繼續降低而維持為臨界壓力，出口截面速度維持在音速而不可能達到超過音速。縮放噴管中氣流速度可以低于音速。要使氣流出口速度達到或超過音速，氣流在噴管中必須要有足夠的壓力降。若外界提供的壓力降減小，無論用何種形式的噴管，出口氣流速度也不能達到音速。43、12、為何蒸汽循環不用卡諾循環而用朗肯循環？

44、答：以蒸汽為工質在飽和區域內熱機可按卡諾循環工作，但由于下述原因熱機不采用：

1、蒸汽臨界溫度較低，這樣就限制了循環加熱溫度不能很高，使循環熱效率較低；

2、汽輪機排氣干度較低，使汽輪機相對效率較低，且汽輪機不能安全工作；

3、壓縮機耗功大，且壓縮兩相工質，技術上有很大難度。

13、霉季時，一些冷水官的表面常有水底出現，為什么？

45、答：霉季時，空氣中相對濕度較大，即空氣中水蒸氣含量較多，水蒸汽分壓力較高。冷水官表面溫度較低，當其溫度低于水蒸汽分壓力所對應的飽和溫度時（露點溫度），空氣中的水蒸氣就變為飽和水蒸氣，并有蒸汽凝結為水從空氣中析出。46、14、比濕度（含濕量）相同的兩種濕空氣，溫度高者其吸濕能力也強。比濕度相同的兩種濕空氣，溫度高者，其相對濕度小，故吸濕能力強。可從濕空氣的函濕土上判斷。

15、隨著壓力的升高，飽和溫度也升高了，所以飽和蒸汽的比容將增大。

47、答：錯誤，干飽和蒸汽的比容歲飽和溫度的升高而降低。48、16、對密封容器內的汽、水混合物不斷的加熱時，所有的水必將全部轉化為水蒸氣。答：正確 該加熱過程為濕蒸汽的定容加熱過程。隨著加熱過程的進行，蒸汽的溫度和壓力將同時增加。若蒸汽溫度超過水的臨界溫度，則所有的水必將全部轉化為蒸汽。

17、空氣壓縮制冷為何不像蒸汽壓縮制冷那樣采用節流閥降壓降溫，而要采用膨脹機降壓膨脹降溫？

49、答：蒸汽壓縮制冷采用節流閥降壓降溫，是因為被截流的工質處在飽和區域內，由于飽和溫度飽和壓力互為函數，因此在節流降壓的同時可以降溫；而空氣壓縮制冷的制冷工質空氣，在一般使用溫度范圍內可視為理想氣體，而理想氣體進節流后，盡管其壓力降低，但溫度保持不變，所以不能通過節流達到降壓降溫的目的，因而，對空氣壓縮制冷必須用膨脹機而不能用節流閥。50、18、熱泵供熱循環與制冷循環有何異同？ 答：熱泵循環是通過消耗機械功，從大氣中吸收熱量，然后將其送入溫度高于大氣溫度的暖室；而制冷循環是通過消耗機械功，從冷藏室吸收熱量，然后將其送入大氣環境。兩者的相同之處在于都是消耗機械功的循環，不同之處在于熱泵循環是從大環境吸收熱量，而制冷循環是把熱量排入大氣環境。

第四篇：工程熱力學-熱力學第一定律講稿

熱力學第一定律

一、熱力學第一定律的實質

自然界的物質處于不斷地變化中，轉化中的守恒與守恒中的轉化時自然界的基本法則之一。人們從無數的實踐經驗中總結出：自然界一切物質都具有能量，能量既不能創造也不能消滅，各種不同形式的能量都可以從一個物體轉移到另一個物體，也可以從一種能量形式轉變到另一種能量形式，但在轉移過和轉變程中，它們的總量保持不變。這一規律稱為能量守恒與轉換定律。

而熱力學第一定律就是能量守恒與轉換定律在熱現象中應用，它確定了熱力工程中熱力系與外界進行能量交換時，各種形態的能量在數量上的守恒關系。在工程熱力學中熱力學第一定律可以表述為：熱可以變為功，功也可以變為熱，一定的熱量消失時必產生相應的功，消耗一定量的功時必出現與之對應的一定量的熱。

二、熱力系統常用到的能量形式

（一）、儲存能

1、內儲存能／熱力學能（U）：

組成熱力系統的大量微觀粒子本身所具有的能量。熱力學能是下列各種能量的總和：（1）分子熱運動所形成的內動能。

（2）分子間相互作用力所形成的內位能。

（3）構成分子的化學能和構成原子的的原子能。

2、外儲存能（1）宏觀動能（Ek）：相對于熱力系統以外的的參考坐標，由于宏觀運動速度

而具有的能量。Ek?12mc2f

（2）重力位能（Ep）：在重力場中，熱力系統由于重力作用而具有的能量。

Ep?mgz

3、熱力系統的總儲存能（E）： 是內儲存能與外儲存能之和，即： E?U?Ek?Ep?U? e?u?12cf212mc2f?mgz 或

?gz

（二）遷移能：能量從一個物體傳遞到另一個物體有兩種方式做功和傳熱，傳遞過程中的功

量和熱量稱為遷移能。熱力系統與外界存在勢差時，進行的能量交換途徑有三種：功量交換、熱量交換、質量交換。

1、功量（1）體積功：在壓力差的作用下，熱力系統體積膨脹或收縮時與外界交換的功量。

（2）軸功（Ws）：熱力系統通過葉輪機械的軸和外界交換的功量。

2、熱量：系統與外界在溫差的推動下通過微觀粒子的無規則運動而傳遞的能量。

3、隨質量交換傳遞的能量

（1）流動工質的儲存能：流動工質本身具有熱力學能、宏觀動能和重力位能，會隨工質的的流進（流出）系統而帶入（帶出）系統。這部分能量為：

E?U?12mc2f?mgz 或 e?u?12cf2?gz

（2）流動功（推動功）（Wf）：工質在開口系統中流動而傳遞的功。流動功與體積功不同，流動功只有在工質流動過程中才會出現，做流動功時工質的流動狀態不發生變化，當然也不存在能量形態的轉化，工質做流動功是只起到傳遞能量的作用。

W f??pV?2??PV?1 或 wf1

?p2v2?p1v1

三、熱力學第一定律的基本能量方程

設想有一熱力系如上圖所示，其總能量為 E?U?Ek?Ep 假定這一熱力系在一段極短的時間d?內從外界吸收了微小的熱量?Q,又從外界流入了每千克總能量為e1的質量?m1與此同時熱力系對外界做出了微小的總功?Wtot，并向外界流出了每千克總能量為e2的質量?m2，經過時間d?后，熱力系的總能量變為E?dE。

熱力學第一定律的能量方程，就是系統變化過程中的能量平衡方程式，文字表達式為：加入熱力系的能量總和 — 熱力系輸出的能量總和 = 熱力系總能量的增量

即：

??Q?e1m1????Wtot?e2?m2???E?dE??E

?Q?dE??e2?m2?e1?m1???Wtot

（1）

對有限長時間?積分得 ：

Q??E???e?2?m2?e1?m1??Wtot

（2）

式（1）和式（2）為熱力學第一定律最基本的表達式，適用于任何工質進行的任何無摩擦或有摩擦的過程。

四、閉口系統的能量方程

在閉口系統中，（1）熱力系的宏觀能量變化很小，宏觀動能和重力位能可以忽略，因此，熱力系中能量的變化就等于熱力學能的變化量，即：?E??U。（2）另外對于閉口系統它與外界無質量交換，即：?m1?0 ?m2?0（3）所做的功是體積功。所以閉口系統的能量方程可簡化為：

微元熱力過程下：?Q?dU??W;?q?du??w 總熱力過程下

：Q??U?W;q??u?w

五、開口系統的能量方程

在實際工程中，工質要在熱力裝置中循環不斷的流經各相互銜接的熱力設備，完成不同的熱力過程實現能量轉換對這類有工質流進和流出的熱力設備（如燃氣輪機、汽輪機、葉輪 2

式壓氣機）常采用開口系統即控制體積的分析方法。

我們把控制體內質量和能量隨時間而變化的過程稱為不穩定流動過程。把系統內質量和能量不隨時間變化，各點參數保持一定的稱為穩定流動過程。下面從最普遍額不穩定流動過程著手導出開口系統的能量方程。

設控制體在?到??d?的時間內進行一個微元熱力過程。在這段時間內控制體截面處流入的工質質量為?m1，流出的工質質量為?m2，控制體從熱遠處吸熱?Q，對外做軸?W，進出口截面相對參考系的高度分別為z1和z2，控制體積內儲存能的增量為dEcv，則控制體的能量輸入與輸出情況如下： 進入控制體的能量=?Q??h1?????1?2cf1?gz1??m1 2?1?2cf2?gz2??m2 2?離開控制體的能量=?Ws??h2?控制體儲存能的變化 dEcv??E?dE?cv?Ecv 根據熱力學第一定律建立能量方程得：

11????22 ?Q+?h1?cf1?gz1??m1??h2?cf2?gz2??m2??Ws?dEcv

22????整理得：

11????22 ?Q=?h2?cf2?gz2??m2??h1?cf1?gz1??m1??Ws?dEcv

22????

六、穩定流動的能量方程

當流體流過開口系統時，有能量的輸入和輸出，此時輸入的能量、輸出的能量及系統積累的能量分別為：

（1）流入的能量：流入流體攜帶的熱力學能、宏觀動能及位能、流體流入時得到的流動能、流體從外界獲得的熱能。流入的能量具體為： 微觀能即熱力學能：U1??m1u1 宏觀動能：Ek1?12?m1c1

2宏觀位能：Ep1??m1gz1 流體流動能：PV??m1P1v1 11流體從外界獲得的熱能為：?Q

（2）流出的能量：流出流體攜帶的熱力學能、宏觀動能及位能、流體流出時得到的流動能、流體通過轉動部件對外界傳出的機械能。流出的能量具體為： 微觀能即熱力學能：U2??m2u2 宏觀動能：Ek2?12?m2c2

2宏觀位能：Ep2??m2gz2 流體流動能：P2V2??m2P2v2 熱力系對輸出的機械能為：?W

則根據熱力學第一定律，應有：E1?E2?dE

??Q 其中：E1?U1?Ek1?Ep1?PV11E2?U2?Ek2?Ep2?P2V2??W

即：

?m1u1?12?m1c1??m1gz1??m1P1v1??Q?dE??m2u2?2122?m2c2??m2gz2??m2P2v2??W

開口穩定流動系統定義及特征：熱力系中各個參數穩定，即無能量和質量的積累。開口穩定流動系統滿足的表達式：?m1??m2??m

dE?0 則熱力學第一定律在開口穩定流動熱力系中的具體表達式為：

21212化簡為：?Q??m((u?pv?c?gz)2?(u?pv?c?gz)1)??W

22?m((u?pv)1?12c1?gz1)??Q??m((u?pv)2?21c2?gz2)??W

2其中：h?u?pv

代入即： ?Q??m((h?12c?gz)2?(h?122212c?gz)1)??W

12c?gz)1?w

22單位kg的熱力系：q?(h?c?gz)2?(h?

七、熱力學第一定律的具體應用 換熱器中的應用：q?h2?h1 內燃機中的應用：w?h1?h2 噴管中的應用：12c?h1?h2 2壓縮機的應用：w?h2?h1

第五篇：工程熱力學實驗大綱

【工程熱力學實驗】實驗課程教學大綱

【課程代碼】

1703351

【課程類別】

專業實踐

【學

分】

【學

時】

【適用專業】油氣儲運工程

【教學目的】

1．加強并鞏固對恒沸精餾過程的理解，熟悉實驗精餾塔的構造，掌握精餾操作方法；

【教學要求】

1．實驗前學生必須進行預習，預習報告經教師批閱后，方可進入實驗室進行實驗。

2．實驗3-4人1組，在規定的時間內，由學生獨立完成，出現問題，教師要引導學生獨立分析、解決，不得包辦代替。

3．任課教師要認真上好每一堂課，實驗前清點學生人數，實驗中按要求做好學生實驗情況及結果記錄，實驗后認真填寫實驗開出記錄。

【課程安排】

序號

實驗項目名稱

學時分配

每組人數

實驗類別

實驗類型

實驗要求

恒沸精餾過程

3-5

基礎

設計性

必做

[設計性實驗]

實驗目的：

1．加強并鞏固對恒沸精餾過程的理解；

2．熟悉實驗精餾塔的構造，掌握精餾操作方法；

實驗內容：

1．夾帶劑的選擇；

本實驗采用正己烷為恒沸劑制備無水乙醇；

2、決定精餾區；

3、夾帶劑的加入方式；

夾帶劑一般可隨原料一起加入精餾塔中，若夾帶劑的揮發度比較低，則應在加料板的上部加入，若夾帶劑的揮發度比較高，_則應在加料板的下部加入。目的是保證全塔各板上均有足夠的夾帶劑濃度；

4、恒沸精餾操作方式；

恒沸精餾既可用于連續操作，又可用于間歇操作；

5、夾帶劑用量的確定；

夾帶劑理論用量的計算可利用三角形相圖按物料平衡式求解之。

儀器與用品：

臺秤，1臺；分液漏斗，1個；500ml燒杯，2個；色譜分析取樣瓶，若干；無水乙醇；正己烷。

【考核方式】

1．考核方式：考試；

2．考核方法：實行“實驗報告＋操作＋操作考試”相結合；

3．成績評定：

本課程采用平時成績、期末成績，綜合評定學生成績。

平時成績=預習報告占20%，實際操作30%，實驗報告50%。

實驗成績=操作考試成績。

總評成績＝平時成績40%+期末成績60％

【參考書目】

[1]

李衛宏，劉達.化工原理實驗.吉林：吉林大學出版社，2014.[2]

牟宗剛.化工原理實驗.北京：科學出版社，2017.[3]

張金利，郭翠梨，胡瑞杰等.化工原理實驗.天津：天津大學出版社，2016.[4]

葉向群，單巖.化工原理實驗及虛擬仿真.北京：科學出版社，2017.制定人：XXX

審核人：XXX