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工程熱力學 版權信息
- ISBN:9787030719164
- 條形碼:9787030719164 ; 978-7-03-071916-4
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
工程熱力學 內容簡介
本書以熱功轉化原理與過程為主線,論述了熱力學的基本概念和基本定律,對實現熱功轉換的工質,特別是理想氣體及實際氣體工質的熱力學性質進行了詳細的討論,介紹了實現熱功轉換的各種熱機的工作原理和循環性能,闡述了各種熱力學過程在化學過程中的應用,對分析思想和有限時間熱力學的內容進行了闡述,*后,對熱力學理論進行了歸納和總結,建立了熱力學參數之間的數學關系方程。 本書注重基礎知識的講解,將基本原理與課程內容緊密結合起來,力求深入淺出、簡潔流暢、具有可讀性。同時,為了便于深刻理解相關內容,讀者可通過掃描書中二維碼,觀看對應視頻或者動畫。 本書可作為高等學校能源動力類、機械類、航空航天類和土木工程類等專業的教材,也可供太陽能熱利用技術、空調與制冷技術和其他熱利用技術研究的科研和工程技術人員參考。
工程熱力學 目錄
前言
第1章 熱能轉換的基本概念 1
1.1 熱力系統 環境 邊界 1
1.2 狀態 狀態參數 狀態方程 4
1.3 熱力過程與熱力循環 8
1.4 熱力學中的基本單位與量綱 12
本章小結 13
問題與思考 13
本章習題 14
第2章 能量與熱力學**定律 17
2.1 功及功量的計算 18
2.2 熱量及熱量的傳遞過程 22
2.3 系統儲存能及其性質 23
2.4 熱力學**定律 26
2.5 閉口系統的能量分析 27
2.6 開口系統的能量分析 29
2.7 穩定流動方程的應用 33
2.8 非穩定能量方程應用 39
本章小結 41
問題與思考 42
本章習題 43
第3章 熵與熱力學第二定律 47
3.1 自發過程及能量傳遞與轉換的方向性 47
3.2 熱力學第二定律的表述 49
3.3 卡諾循環、卡諾定理及開爾文溫標 51
3.4 狀態參數熵 53
3.5 **和第二TdS方程 58
3.6 熵變、熵流與熵產 59
3.7 系統的熵平衡計算 61
3.8 熵增原理 62
3.9 能量的貶值原理 63
3.10 關于卡諾定理的討論 66
本章小結 67
問題與思考 68
本章習題 69
第4章 理想氣體熱力過程 72
4.1 理想氣體性質及狀態方程 72
4.2 理想氣體混合物 78
4.3 理想氣體的基本熱力過程 81
4.4 實際氣體及其狀態方程 91
本章小結 93
問題與思考 97
本章習題 97
第5章 水蒸氣及其熱力過程 101
5.1 純物質的相變過程 101
5.2 定壓下水蒸氣的發生過程 102
5.3 水蒸氣的T-v圖和p-v圖 104
5.4 濕蒸汽的干度及狀態參數計算 106
5.5 水蒸氣的熱力性質表 108
5.6 水蒸氣的焓熵圖 110
5.7 水蒸氣的熱力過程 111
本章小結 114
問題與思考 115
本章習題 115
第6章 *概念及*分析 118
6.1 能量的可用性及能量的品質 118
6.2 *概念的提出 119
6.3 *的計算與*平衡方程 120
本章小結 131
問題與思考 133
本章習題 134
第7章 不可逆過程與有限時間熱力學 135
7.1 熱量傳遞過程的不可逆性 135
*7.2 不可逆過程與功損失 137
*7.3 實際熱機的有限時間過程 142
本章小結 150
問題與思考 152
本章習題 153
第8章 熱力學一般關系式及熱物性系數 155
8.1 狀態參數的一般微分方程 155
8.2 二元函數的全微分條件 156
8.3 狀態函數與麥克斯韋方程 158
8.4 熱力學能、焓及熵的一般關系式 160
8.5 熱系數及其特性 166
*8.6 比熱容的一般關系式 169
*8.7 相變區的克拉珀龍方程 172
本章小結 174
問題與思考 176
本章習題 176
第9章 理想氣體動力循環 178
9.1 卡諾循環及性能分析 178
9.2 布雷頓循環 183
9.3 奧托循環 195
9.4 狄塞爾循環 198
9.5 沙巴澤循環 201
*9.6 斯特林循環和愛立信循環 205
本章小結 207
問題與思考 209
本章習題 210
第10章 蒸汽動力循環的基本過程 213
10.1 理想蒸汽動力循環的基本過程 213
10.2 基本的蒸汽動力循環 215
10.3 過熱朗肯循環 222
10.4 影響朗肯循環效率的因素 224
10.5 再熱朗肯循環 226
*10.6 回熱循環 228
*10.7 熱電聯產 232
本章小結 235
問題與思考 237
本章習題 237
第11章 濕空氣及空氣調節過程 239
11.1 濕空氣的組成和特點 239
11.2 飽和及未飽和濕空氣 240
11.3 濕空氣的焓及比熱 242
11.4 濕空氣的絕對濕度和相對濕度 243
11.5 露點溫度與干濕球溫度 245
11.6 濕空氣焓濕圖(h-d圖) 247
11.7 空氣調節的基本過程 249
11.8 濕空氣的混合過程 256
*11.9 冷卻塔 258
本章小結 260
問題與思考 261
本章習題 262
第12章 氣體流動與噴管的熱力過程 264
12.1 穩定流動的基本方程 264
12.2 聲速和馬赫數 266
12.3 流道截面對聲速的影響 268
12.4 噴管和擴壓管的設計計算 270
*12.5 有摩阻的絕熱流動及噴管效率 275
本章小結 278
問題與思考 280
本章習題 281
第13章 壓氣機的熱力過程 283
13.1 活塞式壓氣機 283
13.2 活塞式壓氣機余隙容積對性能的影響 286
13.3 多級壓縮、中間冷卻技術 289
*13.4 兩級壓縮中間冷卻技術的能量平衡分析 292
13.5 葉輪式壓氣機的熱力過程 293
本章小結 297
問題與思考 299
本章習題 299
第14章 制冷和熱泵系統 301
14.1 制冷機和熱泵 301
14.2 逆卡諾循環 302
14.3 理想蒸汽壓縮制冷循環 303
14.4 實際蒸汽壓縮制冷循環 306
14.5 蒸汽壓縮制冷循環的第二定律分析 308
14.6 選擇正確的制冷劑 311
14.7 熱泵系統 312
14.8 新型蒸汽壓縮制冷系統 315
14.9 壓縮氣體制冷循環 320
*14.10 吸收式制冷系統 322
*14.11 熱電制冷 324
本章小結 326
問題與思考 327
本章習題 328
第15章 化學反應 334
15.1 燃料和燃燒 334
15.2 理論和實際燃燒過程 337
15.3 生成焓和燃燒焓 340
15.4 反應系統的**定律分析 344
15.5 絕熱燃燒溫度 348
15.6 反應系統的熵變 350
*15.7 反應系統的*分析 352
15.8 燃料電池 355
本章小結 356
問題與思考 358
本章習題 358
參考文獻 360
附錄 361
工程熱力學 節選
第1章 熱能轉換的基本概念 熱力學的建立經歷了漫長的過程,在此過程中涌現了諸多基本的概念和術語,掌握這些基本的概念和術語有助于我們更深入地認識熱力學的基本規律.熱力學在對熱現象、熱過程進行研究時,首先要對研究對象進行抽象,建立能夠描述研究對象特點的必要的基本參數,這些參數不但能在宏觀上表達研究對象的特點,還能在定量上描繪研究對象與環境或與其他研究對象之間關系的特點;然后,采用能夠反映事物本質特征的研究方法,特別是現代數學方法,建立起這些基本參數之間的簡明的相互變化關系.熱力學的許多概念或術語正是在這一過程中產生的. 1.1 熱力系統環境邊界 1.1.1 熱力系統 簡單來說,熱力系統就是我們要研究的對象.它可以是一個簡單的自由物體,也可以是一座非常復雜的化學煉油廠,還可以是封閉在剛性罐子里的一定量的物質.總之,它是一定邊界范圍內的特定物質或是幾種物質的組合,是我們想要了解的對象.當然,這個對象是可以變化的,包括它的質量、形狀和容積,因此產生了具有各種特點的熱力系統. 一般來說,系統總是處在變化發展過程中的,它要通過邊界與環境發生作用,產生質能的交換.根據系統與環境交換質能的特點或系統狀態變化的特點,可以大致對系統進行分類,方便理解或稱呼. 控制質量系統與控制容積系統.如果只針對特定質量的系統進行研究,那么在運動、變化和與外界相互作用過程中,這個系統的質量始終保持不變,則稱為控制質量系統.另外,如果只針對特定區域內的物質進行研究,劃定某區域作為研究對象,那么這個區域就叫做控制容積,質量可以通過邊界進出這個控制容積,此類系統叫控制容積系統. 閉口系統.與環境沒有物質交換的系統稱為閉口系統.此時,系統的邊界是封閉的,沒有物質量穿越邊界與環境交換,因此系統的內部始終保持相同的物質量.閉口系統雖然不與環境交換物質,但可以交換其他能量,比如功和熱.由于系統內部質量不變,所以封閉系統是典型的控制質量系統,通常用控制質量的方法研究.如圖1.1所示是一段被氣缸和活塞封閉在其中的氣體,如果以這段氣體作為我們的研究對象,由于它的質量始終沒有變化,所以它是典型的閉口系統. 開口系統.與環境有物質交換的系統稱為開口系統.與閉口系統對應,此時系統的邊界是開放的,物質可以穿越邊界與環境交換,系統內部的物質量不能保持恒定.為了研究方便,這時一般選擇對某一區域內的物質進行研究,這樣的開口系統可看作控制容積系統,可用控制容積方法進行研究.開口系統除了可以與環境交換物質外,還可以交換能量,比如功和熱.如圖1.2所示,一個汽輪機系統,由于始終有工質進出,所以它是典型的開口系統.還有水泵、壓氣機、換熱器和管道等,也都屬于開口系統. 圖1.1 一個典型的封閉系統 圖1.2 一個典型的開口系統 孤立系統.不與環境交換任何物質和能量的系統.它是一種特殊的封閉系統,不與環境發生任何相互作用. 絕熱系統.不與環境交換熱量的系統.絕熱系統可以是閉口系統或者開口系統,它只是不允許熱量越過邊界與環境交換. 宏觀系統與微觀系統.熱力學研究的對象是多種多樣的,大到宏觀宇宙,小到分子原子,都可能是熱力學研究的對象,所以熱力學系統也分宏觀系統與微觀系統.從宏觀上研究系統,關心的是系統的總行為,比如總交換功和總傳熱等,這一般被認為是經典熱力學范疇.盡管分子結構等微觀參數會對系統的行為產生影響,但經典熱力學主要還是通過考察系統宏觀特征來評價系統的行為.從微觀上考察熱力學體系,比如統計熱力學,是直接與物質的結構有關的,目的是探索組成系統粒子的平均行為.近年來,激光、等離子體、高速氣流、化學動力學、極低溫等領域的發展極大地促進了統計熱力學的發展.特別是量子熱力學系統的提出,極大地豐富了熱力學的研究內涵.但本書的主要內容仍然歸于經典熱力學體現,主要關心的是系統的宏觀性質. 工質.簡單地說,工質是用來實現能量相互轉換的媒介物質.任何系統中都包含工質,它是系統能量的載體,由它來體現系統的宏觀性質.一般來說,物質在不同溫度下會呈現出三種不同的狀態:氣態、液態和固態,也稱氣相、液相和固相.隨著溫度發生變化,相與相之間是會發生變化的,即產生相變.當多種相共存時可能會出現相邊界,會對熱力學系統的性能產生影響.注意,物質的相與物質的純度不是一回事,比如氧氣和氮氣混合可以形成單一的氣相,又比如水和酒精混合形成單一的液相.但是,水和油不易混合,就可以形成兩種液相. 純物質.由單一化學成分組成并且內部均勻的物質,稱為純物質.純物質可以呈現多種相的狀態,但在每一種相態內部,它的化學組成是相同的.比如液態水和水蒸氣組成的兩相系統,由于化學組成單一,仍然可以被當作純物質系統.有時為了簡單化處理問題,將由均勻氣體混合組成的系統也當作純物質系統,因為它們之間沒有化學反應,在一定的溫度范圍內也不會發生相的變化.值得指出的是,溫度對物質特性的影響是非常顯著的,有的物質隨著溫度升高體積膨脹,有的隨著溫度升高體積反而收縮.這在研究不同溫區的系統時是尤其需要注意的.在基礎熱力學中,如無特別申明,都當作純物質系統處理. 熱源或冷源.僅與外界發生熱量交換,而且與外界交換有限熱量時不引起內部溫度變化.熱源或冷源可以認為是一個熱容無限大的熱力系統,根據溫度的高低不同分為高溫熱源或低溫熱源.低溫熱源有時也稱為冷源. 上述熱力系統的歸類與劃分,特別是對閉口系統和開口系統的劃分是*有意義的,整個基礎熱力學研究都是圍繞這兩類系統展開的.在基礎熱力學中,系統中用來實現能量相互轉化的物質稱為工質.一般的工質有空氣、水蒸氣和水等.比如在內燃機中,空氣接受燃料燃燒釋放的熱能,通過膨脹將熱轉化為功,受熱空氣就是工質.根據系統發生變化的過程特點,還可以將系統分為定容系統、定壓系統和定溫系統①等,這些都是為了描述方便.對于由多種工質組成的系統,也可以稱為多元系. 1.1.2 環境 任何系統都不可能孤立存在于世界上,它總是處于某個環境中的,因此把系統以外的空間或物質統稱為環境,有時也稱為外界. 在熱力學研究過程中,為了簡化研究過程,一般把環境當成一個巨大的冷源或熱源,它的溫度、壓力和比容等參數都不隨時間變化,也不因為與系統發生了熱功交換而產生變化.總之,可以把環境參數假定為常數. 1.1.3 邊界 系統與環境的交界面即為系統的邊界.一般來說,邊界以方便研究的原則進行劃定,它是包圍熱力系的控制面. 由于實際系統千差萬別,也隨時間或位置的變化而變化,所以邊界的劃分也是隨著系統的變化而變化的.邊界可以是固定的,也可以是移動的,甚至可以是假設的,圖1.3給出了幾種典型的邊界示意圖.根據是否有質量或能量穿越邊界,還可以將邊界分為閉口邊界、開口邊界和絕熱邊界等.如果系統在運動變化過程中始終沒有質量越過邊界,則稱為閉口邊界;如果有質量越過邊界,則稱為開口邊界;如果不允許熱量越過邊界,則稱為絕熱邊界. 圖1.3 幾種典型邊界的示意圖 1.2 狀態狀態參數狀態方程 1.2.1 狀態 熱力系統在某一瞬間表現出來的宏觀物理狀況稱為系統的熱力狀態,簡稱為狀態.構成系統的物質,一般有氣態、液態和固態等形式,在某一瞬間,系統內部的力、熱和流動狀況等就表現為系統的狀態. 熱力系可能呈現各種不同的狀態,其中特別有意義的是平衡狀態.因為處于平衡狀態的系統有均勻完整的特性,可以用一些可以測量的指標對它進行描述.所謂平衡狀態是指系統在不受外界影響的條件下,系統宏觀性質不隨時間改變的狀態.嚴格來說,這種平衡狀態必須是系統內部各部分之間、系統與外界之間的平衡,也稱穩定平衡,其特點是系統的各項指標處處相同而且長時間維持不變.一般來說,系統整體處于穩定平衡狀態必須滿足四個條件:系統內部各處、系統與外界之間都處于力平衡、熱平衡、相平衡和化學平衡. 處于平衡狀態的熱力系,各處應該有均勻一致的溫度和壓力等參數,對于有相變或化學反應的系統,還必須處處具有相同的化學濃度和化學勢.如果系統內部存在溫差,則必然有熱量從高溫物體流向低溫物體,系統不可能維持狀態不變,因此它不可能處于平衡狀態.只有當溫差消失,這種驅動熱量傳遞的熱不平衡勢消除時,系統才能達到熱平衡.同樣,如果系統內部存在力差,則必然存在引起物體產生宏觀位移的趨勢,系統內部也不可能實現平衡,只有消除這種力差,系統才能達到力平衡.對于化學反應系統,內部還必須消除相差和化學勢差,系統才能完全實現平衡狀態. 1.2.2 狀態參數 如果一個系統處于平衡態,那么它的宏觀狀況將在長時間內不發生變化,此時就可以用一些物理指標對它進行描述,而這些用于描述熱力系宏觀物理狀況的量就稱為狀態參數.不同的狀態參數描述熱力系在特定方面的性質,因此不同的狀態參數有不同的功能和性質,總的來說,可以分為強度量和尺度量(又稱廣延量)兩大類.凡與物質量多少無關的物理量稱為強度量,如壓力p、溫度T和化學勢等.與物質量大小成正比的物理量稱為尺度量,如體積V、熱力學能U、焓H和熵S等.單位質量的尺度量也可以看成強度量,這類強度量在尺度量前面冠以“比”字,代表1kg物質對應的參數值,并用小寫字母表示,如比容(有時也叫比體積)v、比熱力學能u、比焓h和比熵s等.值得指出的是,在系統處于平衡態時,系統各部分的強度量是相等的. 在基礎熱力學中,常用的熱力學狀態參數有六個,即壓力、溫度、比容、熱力學能、焓和熵.對于特殊的熱力學系統,它的狀態參數可能還包括速率、位置、形狀和顏色等,總之,凡是能夠描述熱力學系統某種特定狀態的參數,都叫狀態參數.狀態參數都是只與狀態有關的單值函數,它們的大小只決定于給定的狀態,而與到達這一狀態的路徑和過程無關.亦即是說,狀態參數的變化只決定于系統的起始和終了狀態,變化量的大小等于終態的數值減去初態的數值,而與系統變化過程中所經歷的一切中間過程無關.比如,熵是一個狀態參數,當系統從1狀態變化到2狀態,并已知1狀態時的熵為S1,2狀態時的熵為S2,那么熵變即為:. 雖然常用的熱力學狀態參數有六個,但只有比容v、壓力p和溫度T是可以直接或容易用儀表測量到的,因此把它們當作基本的熱力學參數.其他三個,即熱力學能U、焓H和熵S,由于需要確定參考點,不容易直接測量到,只能利用可測參數計算得到. 1.比容 單位質量的物質所占有的體積稱為比體積,也稱為比容,用符號v表示,單位為m3/kg.比容越大,表明物質的分子密度越低,分子之間的距離越大.在熱力過程中,如果比容增加,表明工質在膨脹,特別是對氣體工質,在熱力過程中,比容將有較大變化. 值得指出,描述單位物質量的多少還有一個重要參數:密度,常用表示,單位為kg/m3.事實上,比容與密度互為倒數關系,即.但兩者所關注的重點是不同的,比容的關注點在容積,密度的關注點在質量大小. 2.壓力 單位面積上承受的垂直作用力稱為壓力,用符號p表示,單位為N/m2,國際單位制中也把這個單位稱為帕斯卡,簡稱帕(Pa),即1Pa=1N/m2.由于帕(Pa)這個單位過小,工程上常用千帕(kPa)或兆帕(MPa)作為壓力單位,1kPa=103Pa,1MPa=106Pa.壓力是熱力系的內部屬性,是與功交換有關的強度狀態參數.微觀上,氣體的壓力是組成氣體的大量分子對熱力系邊界碰撞的統計平均效果,見圖1.4. 圖1.4 氣體分子碰撞器壁的平均效果 特別值得指出的是,熱力學中涉及的所有壓力均指物質承受的真正壓力,即俗稱的絕對壓力.在工程中常用壓力表或真空表來測定系統壓力,但壓力表或真空表的讀數并不是系統的真正壓力,它需要考慮環境的壓力.系統的真正壓力應該是 (對系統是正壓)(1.1) (對系統是負壓)(1.2) 這里,是壓力表的讀數,是真空表的讀數,是環境
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