上海理工大学 研究生考试 工程热力学 思 考 题 与 练 习 题 联系客服

稳定流动系,任何工质、任何过程(1kg)

? ????? 热力学第二定律归纳起来如下所示:

孤立系的熵变化≥0

绝热系统的熵变化≥0

由于不可逆因素产生的熵产≥0

经一循环,熵变化=0 (熵是状态参数)

代数和 比

系统熵的变化=系统中各物体熵变化的

孤立系的作功能力损失与其熵产成正

三.工质热物性

各种工质的热力性质,包括理想气体、理想气体混合物、实际气体、蒸汽和湿空气的热力性质。

应掌握下列内容:

(1)理想气体的热力性质及其状态方程,状态方程的几种形式及其应用。

(2)理想气体比热容的定义及与温度的单位单值函数关系,理想气体比热容的计算公式及其应用。

(3)理想气体热力学能△u、焓△h和熵△s变化量的计算方法。 (4)实际气体范德瓦尔方程、对比态定理概念,通用压缩因子图应用。

(5)水蒸汽p-v图和T-s图中的一点,两线、三区和五态。熟悉水蒸汽热力性质图表及其应用。

(6)理想气体混合物的成分表示法,混合物的折合气体常数、比热容以及热力学能、焓和熵变的计算。

(7)湿空气状态参数和有关的概念,如分压力、饱和压力、露点温度、绝对湿度、相对湿度、含湿量和比焓。熟悉湿空气的h-d图以及在湿空气热力过程中的应用。

四.热力过程

热能与机械能之间的相互转换是通过工质在热力设备中吸热、膨胀、放热、压缩等一系列热力状态变化过程实现的。热力计算中应掌握:

(1) 在应用能量方程分析问题时,根据具体问题的不同条件,过程特征,作出某种假定和简化,使能量方程更简单明了。掌握动力机、压气机、换热器、喷管等热力设备中能量传递和转化以及绝热节流、绝热混合、绝热滞止等过程能量方程的表示。

(2) 对于理想气体的基本热力过程及多变过程,掌握过程初、终态的基本状态参数之间的关系,过程中系统与外界交换的热量、功量的计算,正确应用p-v图和T-s分析过程的性质。

(3) 对于气体和蒸汽的压缩过程,掌握活塞式压缩机的耗功分析和计算,了解多级压缩、中间冷却的工作情况,了解余隙容积对压缩机工作的影响。

(4) 对于气体与蒸汽的流动过程,弄清促使流速改变的力学条件和几何条件,以及这两个条件对流速的影响,掌握气流截面的变化规律,喷管的流速、流量、截面积的计算,即喷管的设计和校核两类计算。

(5) 对于绝热节流、绝热混合、绝热滞止过程,了解过程前后参数的变化情况。

五.热力循环

循环包括以气体为工质的内燃机循环、燃气轮机装置循环、压缩空气制冷循环和以蒸汽为工质的蒸汽动力循环、压缩蒸气制冷循环。应掌握: (1)循环的实施设备与工作流程。

(2)将实际循环抽象和简化为理想循环的一般方法,分析循环的热力过程组成,并将循环示意在p-v图和T-s图(或蒸气制冷循环的lg-P图)上。

根据所给条件和过程特征确定各状态点状态参数(循环计算中,气体循环主要状态参数温度T,蒸汽循环主要状态参数焓h)。

(3)对循环的吸热量、放热量、作功量及热效率(或制冷系数)等通过所得状态参数及过程特征,进行热力计算。

(4)分析影响循环热效率(或制冷系数)的主要因素。 (5)了解提高不同循环能量利用经济性的一些方法和途径。

六.热力计算公式的应用

1.理想气体:

(1)对理想气体4种基本过程及多变过程的初、终态p,v,T参数之间的关系式,其中定容、定压、定温过程很容易从状态方程中推得,定熵过程和多变过程,其状态参数变化仅仅是指数不同,公式中绝热指数k换成n即可。

(2)各种过程热量和功量的计算公式,可概括为如下两公式的具体应用:

?????? (3)除定容过程外,各种可逆过程的技术功是膨胀功的n倍,即wt=nw。 (4)无论过程是否可逆。理想气体的热力学能、焓和熵均按以下关系式计算。

?????? 2.蒸汽

(1)确定蒸汽状态参数的独立变量

对未饱和液体和过热蒸汽:分别处于单相区,只要任意两个状态参数给定,其他参数就确定了。一般独立变量取(p,t)两个。

对饱和液体和干饱和蒸汽:压力和温度不是互相独立的参数,一般可取p(或t)。即只要p(或t)确定,其他参数均可查图表得到,即饱和液体v’,s’,h’及干饱和蒸汽的v’’,s’’,h’’等都随之确定。

对湿饱和蒸气:因为处于两相区,压力p和温度t是相互依变函数,常引入另一个独立变量“干度x”,工程应用中,两个独立变量一般取(p,x)或(t,x)。 给定x,则湿蒸气的参数为:

?????? 当独立变量是湿蒸气的p(或t)及某一比参数y(即v,或s,或h),可利用饱和蒸气表和上

面相关的计算式确定干度x,然后再确定其他参数。

在工程应用中,蒸气的定压过程和绝热过程是十分常见的过程,各种蒸气循环,基本上由这两类过程组成。

(1)定压过程:如水在锅炉中加热汽化过程;水蒸气在过热器中被加热过程;水在给水预热器中加热升温过程;水蒸气和制冷工质在冷凝器中的凝结过程,以及蒸气在各种换热器中的过程等等,若忽略摩阻等不可逆因素,就是可逆定压过程。工程上许多设备在正常运行状态下,工质经历的且是稳定流动定压过程,过程中工质与外界只有热量交换,没有技术

功的转换,求解步骤为:

根据已知初态1的两个独立参数查蒸气热力性质表或图,确定其他状态参数值;由过程特怔p1=p2,加上已知条件给出的一终参数,确定其他终态参数值。 根据热力学第一定律,无论过程是否可逆,工质与外界交换的热量:

?????? (2)绝热过程:如水蒸气在汽轮机中的膨胀作功过程;水在水泵中被压缩的过程以及制冷剂在压缩机中被压缩的过程等可看作绝热过程,当不考虑损耗时就是定熵过程。 求解步骤为:

与上面所述方法相同,先由已知条件确定初、终状态。 绝热过程q=0,根据热力学第一定律

?????? 实际绝热过程为不可逆绝热过程。技术功w’t仍然是初、终态的焓差,但是,这时的终态为2’,因此不可逆绝热过程实际技术功为

?????? 工程上定义汽轮机相对内效率(也称汽轮机效率)反映绝热膨胀过程的不可逆程度

?????? 工程上用上式可以进行两类计算:

一类是设计计算:给定汽轮机进口状态(一般为P1、t1,如点1所示),给出汽轮机出口压力P2以及汽轮机效率 。由P1、t1查图、表得h1、s1由s1=s2及P2求得h2;根据上式汽轮机相对内效率 算出实际的出口参数h2’ 及x2’、v2’’等,完成设计计算。 另一类是校核计算:由汽轮机运行测试得到进口P1、t1及实际出口P2’、x2’(或其他参数)。查图、表得到h2、、s2、、 h2’,由可逆绝热s1=s2, P1=P2’求得h2’ ,根据相对内效率关系式算出汽轮机效率 。

对压缩机不可逆绝热压缩过程,可用绝热内效率ηc表示,具体计算方法类同。

3.熵变量的计算

由于熵是状态参数,两状态间的熵差和过程无关,只要初终态确定,利用已知的状态参数,可以直接得到熵的变化值。如实际气体,利用其热力学性质的图或表,直接查得初、终状态的熵,从而得到熵的变化值。 几类常见情况的熵变计算汇总如下. (1) 理想气体的熵变计算:

定比热容条件下:(根据所给不同的两个独立变量参数)

?????? (2)固体或液体熵变的计算

一般情况下,

或温度变化较小,比热容可视为定值时 :

?????? (3)热源的熵变计算

当热源接受或放出热量时,若温度不变,则其熵变为

,若温度变化,则

?????? (4)孤立系统的熵变计算

孤立系的熵变应是构成孤立系的所有物体熵变的代数和,即

?????? 若环境参与了与系统的换热,环境可看作温度始终不变的热源,则

?????? 应强调指出的是,计算熵的变化时,以构成孤立系统的有关物体为对象,它们吸热为正,放热为负。

4.各种装置实际循环的分析和计算

对于实际循环的分析,注意抓住一些修正系数,如压力机绝热效率、汽轮机相对内效率等,依据它们首先求得实际出口状态的焓h或温度T,再结合已知条件,求得所需的出口状态点的参数点的其他参数。之后循环热量、功量和热效率的计算方法同理想循环一样,只不过要注意用相应的实际状态点的参数进行计算。