工程热力学

- 1 - 工程热力学三大定律

工程热力学是研究能量转化和传递的学科，其中三大定律是工程热力学的三个基本定律。这三大定律分别是：

第一定律：能量守恒定律。它指出，能量不能被创造或销毁，只能从一种形式转换为另一种形式。在一个封闭系统中，能量的增加等于它的减少。这一定律是热力学的基础，也是工程热力学的基础。

第二定律：熵增定律。它指出，任何封闭系统中的熵都不会减少，只会增加或保持不变。熵是一个系统混乱程度的度量，因此这个定律意味着所有自然过程都会使系统变得更加混乱。这一定律在工程热力学中被广泛应用，特别是在热力学循环和能量转换中。

第三定律：绝对零度定律。它指出，当一个物体的温度降到绝对零度时，它的熵将达到最小值。这一定律是热力学的最终定律，也是工程热力学的一个基本定律。它被用来确定理想气体的热力学性质，以及热力学循环的效率。

这三大定律是工程热力学的基础，它们在能源转换和利用中具有重要的应用价值。了解这些定律可以帮助工程师设计更高效的能源系统，提高能源利用效率。

科学思维的发展

自然科学溯源于古希腊，十五世纪时勃兴于欧洲，当时欧洲刚经历千年「黑暗时代」，文艺复兴开始，而地中海沿岸贸易兴旺，为开拓市场需要，遂推动天文、地理、数学和力学的发展。而波兰人哥白尼（Nicolas Copernicus），在一五四三年提出「日心说」，其理论经伽利略（Galileo Galilei）、开普勒（Johann Kepler）的论证与发展，使西方的自然观，由笼统、模糊的认识，进入到深入、细致的研究。十六、十七世纪，英国人培根（Roger Bacon）大力提倡「科学方法」，即通过实验、列表、比较、排除、归纳而逐步上升到公理，奠定了西方科学严谨的研究方法和传统。

与培根同时代的法国人笛卡儿（Rene Descartes），把整个自然界看作一架大机器，试图以机械运动说明自然界的一切，并且主张要从错综复杂的事物中区别出最简单事物，然后予以有秩序的研究。他的《方法谈》标示了西方知识传统的「分析还原原理」，认为总体可以分解为部分；复杂、非线性系统，也可以分解为简单线性系统来理解。故奠定了追求简单性和线性解的西方科学及人文思维基础。

英国人牛顿（Sir Issac Newton）在一六八六年提出《自然哲学的数学原理》巨著，创立了以「万有引力」及「运动三定律」为基础的古典力学。他把整个自然界描述成一个秩序井然的大机械钟，只要这个钟上紧发条，便能自动运转，但这机械论仍要请上帝做「第一推动」，为这大钟上紧发条。到十八世纪下半叶，由国家支持的科学机构已在欧美各国普遍建立，故自然科学分门别类而迅速发展，十九世纪自然科学由分门别类的材料收集，进到对经验材料的综合整理和理论概括。

在牛顿的古典力学基础上，热力学大师克劳修斯（Rudolf Julius Emmanuel Clausius） 在一八六七年提出热力学第二定律，说明 一个孤立系统，总由有序而朝向均匀、简单、消灭差别的无序方向发展 ，即「熵」（entropy）增加，从而得出「宇宙总体走向退化、死亡」的结论。

第九章 气体动力循环

1、从热力学理论看为什么混合加热理想循环的热效率随压缩比ε和定容增压比λ的增大而提高,随定压预胀比ρ的增大而降低

答：因为随着压缩比ε和定容增压比λ的增大循环平均吸热温度提高,而循环平均放热温度不变,故混合加热循环的热效率随压缩比ε和定容增压比λ的增大而提高.混合加热循环的热效率随定压预胀比ρ的增大而减低,这时因为定容线比定压线陡,故加大定压加热份额造成循环平均吸热温度增大不如循环平均放热温度增大快,故热效率反而降低.

2、从内燃机循环的分析、比较发现各种理想循环在加热前都有绝热压缩过程,这是否是必然的

答：不是必然的,例如斯特林循环就没有绝热压缩过程.对于一般的内燃机来说,工质在气缸内压缩,由于内燃机的转速非常高,压缩过程在极短时间内完成,缸内又没有很好的冷却设备,所以一般都认为缸内进行的是绝热压缩.

3、卡诺定理指出两个热源之间工作的热机以卡诺机的热效率最高,为什么斯特林循环的热效率可以和卡诺循环的热效率一样

答：卡诺定理的内容是：在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环,其热效率都相同,与可逆循环的种类无关,与采用哪一种工质无关.定理二：在温度同为T1的热源和同为T2的冷源间工作的一切不可逆循环,其热效率必小于可逆循环.由这两条定理知,在两个恒温热源间,卡诺循环比一切不可逆循环的效率都高,但是斯特林循环也可以做到可逆循环,因此斯特林循环的热效率可以和卡诺循环一样高.

4、根据卡诺定理和卡诺循环,热源温度越高,循环热效率越大,燃气轮机装置工作为什么要用二次冷却空气与高温燃气混合,使混合气体降低温度,再进入燃气轮机

答：这是因为高温燃气的温度过高,燃气轮机的叶片无法承受这么高的温度,所以为了保护燃气轮机要将燃气降低温度后再引入装置工作.同时加入大量二次空气,大大增加了燃气的流量,这可以增加燃气轮机的做功量.

5、卡诺定理指出热源温度越高循环热效率越高.定压加热理想循环的循环增温比τ高,循环的最高温度就越高,但为什么定压加热理想循环的热效率与循环增温比τ无关而取决于增压比π

2-2.已知2N的M＝28，求（1）2N的气体常数；（2）标准状态下2N的比容和密度；（3）MPap1.0，500t℃时的摩尔容积Mv。解：（1）2N的气体常数

2883140MRR＝296.9)/(KkgJ•

（2）标准状态下2N的比容和密度

1013252739.296pRTv＝0.8kgm/3

v1＝1.253/mkg

（3）MPap1.0，500t℃时的摩尔容积Mv

Mv ＝pTR0＝64.27kmolm/3

2-3．把CO2压送到容积3m3的储气罐里，起始表压力301gpkPa，终了表压力3.02gpMpa，温度由t1＝45℃增加到t2＝70℃。试求被压入的CO2的质量。当地大气压B＝101.325 kPa。

解：热力系：储气罐。

应用理想气体状态方程。

压送前储气罐中CO2的质量

1111RTvpm

压送后储气罐中CO2的质量

2222RTvpm

根据题意

容积体积不变；R＝188.9

Bppg11 （1）

Bppg22 （2） 27311tT （3）

27322tT （4）

压入的CO2的质量

)1122(21TpTpRvmmm （5）

将（1）、(2)、(3)、(4)代入（5）式得

m=12.02kg

2-5当外界为标准状态时，一鼓风机每小时可送300

m3的空气，如外界的温度增高到27℃，大气压降低到99.3kPa，而鼓风机每小时的送风量仍为300

m3，问鼓风机送风量的质量改变多少？

解：同上题

1000)273325.1013003.99(287300)1122(21TpTpRvmmm＝41.97kg

2-6 空气压缩机每分钟自外界吸入温度为15℃、压力为0.1MPa的空气3 m3，充入容积8.5 m3的储气罐内。设开始时罐内的温度和压力与外界相同，问在多长时间内空气压缩机才能将气罐的表压力提高到0.7MPa？设充气过程中气罐内温度不变。