第一篇：工程熱力學第三版電子教案第2章自我測驗題

第二章自我測驗題

1、寫出熱力學第一定律的一般表達式，閉口系熱力學第一定律表達式。

2、寫出穩(wěn)定流動能量方程式，說明各項的意義。

3、下面所寫的熱力學第一定律表達式是否正確？若錯了，請改正。

q＝du＋dw，4、說明下列公式的適用條件：，，，，5、用穩(wěn)流能量方程分析鍋爐、汽輪機、壓氣機、汽凝器的能量轉換特點，得出對其適用的簡化能量方程。

6、穩(wěn)定流動的定義是什么？滿足什么條件才是穩(wěn)定流動？穩(wěn)定流動能量方程對不穩(wěn)定流動是否適用？一般開口系能量方程式與穩(wěn)定流動能量方程式的區(qū)別是什么

7、流動工質進入開口系帶入的能量有______，推動切為______。工質流出開口系時帶出的能量為________，推動功為______。

8、焓的定義式為_________，單位是________。

9、技術功Wt=________；可逆過程技術功Wt=________；技術功與膨脹功的關系為_________，在同一p-v圖上表示出任意一可逆過程的W和Wt。

1O、若氣缸中的氣體進行膨脹由V1膨脹到V2，活塞外面是大氣，大氣壓力為pO，問工質膨脹所作的功中有多少是對外作的有用功

11、如圖所示已知工質從狀態(tài)a沿路徑a－c－b變化到狀態(tài)b時，吸熱84kJ，對外作功32kJ，問：（1）系統(tǒng)從a經d到b，若對外作功10kJ，吸熱量＝______。

（2）系統(tǒng)從b經中間任意過程返回a，若外界對系統(tǒng)作功20kJ，則Qba＝_____，其方向為_______。（3）設Ua＝0，Ud＝42kJ，則Qad=______，Qdb=________。

12、質量為1.5kg的氣體從初態(tài)1000kPa，0.2立方米膨脹到終態(tài)20OkPa，1.2立方米，膨脹過程中維持以下關系：p＝aV＋b，其中a，b均為常數(shù)。求：（l）過程的傳熱量；

（2）氣體所獲得的最大熱力學能增量。

13、如圖所示，一剛性活塞，一端受熱，其他部分絕熱，內有一不透熱的活塞，活塞與缸壁間無摩擦?，F(xiàn)自容器一端傳熱，Q＝20kJ，由于活塞移動對B作功10kJ求：（1）B中氣體的熱力學變化；（2）A和B總的熱力學能變化；

14、由生物力學測定可知，一個人在靜止時向環(huán)境的散熱率為40OkJ/h。在一個容納2000人的禮堂里，由于空調系統(tǒng)發(fā)生故障，求：

（1）故障后 20 min內，禮堂中空氣的熱力學能增加量；

（2）假定禮堂和環(huán)境無熱量交換，將禮堂和所有的人取為熱力系，該系統(tǒng)熱力學能變化多少？應如何解釋禮堂中的空氣溫度的升高？

15、在炎熱的夏天，有人試圖用關閉廚房的門窗和打開電冰箱門的辦法使廚房降溫，開始他感到涼爽，但過一段時間后這種效果消失，甚至感到更熱，為什么？

16、壓力 0.1 MPa、溫的298 K的空氣，被透平壓縮機壓縮到 O.5 MPa，45OK，透平壓縮機消耗的功率為5kw，散熱損失為5kJ/kg。假定空氣進出口的動、位能差均略去不計，空氣作理想氣體處理，其進出口焓差為1.004△t kJ/kg。求空氣的質量流量。

17、一水冷式的油冷卻器，已知進人冷卻器的溫度為88℃，流量為45kg/min，流出冷卻器的溫度為38℃；冷卻水進入和離開冷卻器的溫度各為15℃和26.5℃，此冷劫器在絕熱的同時，可忽略動能變化。油和水兩者的焓可用△h=c△t 計算。求冷卻水的質量流量。

18、某燃氣輪機裝置，如圖所示。已知在各截面處的參數(shù)是：

在截面1處：p1=0.1MPa,t1=28℃,v1=0.88立方米/kg； 在截面2處：p2=0.6MPa,t2=82℃,v2=0.173立方米/kg； 在截面3處：p3=p2,t3=600℃,v1=0.427立方米/kg；

在截面3'處：p3'=0.1MPa,t3'=370℃,v3’=1.88立方米/kg。且△u12=u2-u1=40kJ/kg，△u23=u3-u2=375kJ/kg，△u33'＝－167kJ/kg，Cf1=Cf2=Cf3=Cf4＝0，求：

（1）壓氣機消耗的功；（2）燃燒室加給工質的熱量；（3）噴管出口的流速；（4）葉輪輸出的功。

19、在如圖所示的絕熱容器A,B中，裝有某種相同的理想氣體。已知TA，pA，VA和TB，pB，VB，比熱容可看作常數(shù)，比熱力能與溫度的關系為u＝cVT。若管路、閘門均絕熱，求打開閥門后A、B容器中氣體的終溫與終壓。

20、在19題中，如果容器不絕熱，熱損失為Q，其他條件不變，則打開閥門后，A、B容器中氣體的終溫與終壓又各為多少？

第二章自測題答案

5、鍋爐：q=△h； 汽輪機：Wt=-△h；壓氣機：Wt=-△h；冷凝器：q=△h；

7、8、h=u+pv，J/kg9、10、W有用＝W-P0(V2-V1)

11、（1）Qabd=62kJ；（2）Qba=-72kJ 系統(tǒng)向外放熱；（3）Qad=52kJ,Qdb=10kJ

12、（1）Q＝690kJ；（2）△U＝90kJ。

13、（1）10kJ；（2）20kJ。

14、（1）267MJ；（2）0。16、0.03172kg/s 17、8.83kg/min

18、（1）－55.8kJ/kg；（2）527.4kJ/kg；（3）685.8m/s；（4）235.2kJ/kg

19、

第二篇：工程熱力學第三版電子教案第3章自我測驗題

第三章自我測驗題

1、填空題

（1）氣體常數(shù)Rg與氣體種類_____關，與狀態(tài)_____關。通用氣體常數(shù)R與氣體種類______關，與狀態(tài)_____關。在SI制中R的數(shù)值是_____，單位是______。

（2）質量熱容c，摩爾熱容Cm與容積熱容C'之間的換算關系為_________。

（3）理想氣體的Cp及Cv與氣體種類______關，與溫度_________關。它們的差值與氣體種類_______關，與溫度_______關。它們的比值與氣體種類_________關，與溫度_______關。（4）對于理想氣體，dU＝CvdT，dh=CpdT。它們的適用條件分別是________。

（5）2kg氮氣經定壓加熱過程從67℃升到237℃。用定值比熱容計算其熱力學能約變化為________，吸熱量為________。接著又經定容過程降到27℃，其焓變化為______，放熱量為_______。

2、利用的計算公式。

3、公式（1），以及（２），這兩組導出多變過程膨脹功的計算公式，利用

導出多變過程技術功公式對于理想氣體的不可逆過程是否適用？對于實際氣體的可逆過程是否適用？怎么樣修改才適用于菲理想氣體的可逆過程？

4、絕熱過程中氣體與外界無熱量交換，為什么還能對外作功？是否違反熱力學第一定律？

5、試將滿足以下要求的理想氣體多變過程在p－v圖和T－s圖上表示出來。（1）工質又膨脹，又放熱。（2）工質又膨脹、又升壓。

（3）工質又受壓縮、又升溫，又吸熱。（4）工質又受壓縮、又降溫，又將壓。（5）工質又放熱、又降溫、又升壓。

6、理想氣體的3個熱力過程如圖所示，試將3種熱力過程定性地畫在p-v圖上；分析3個過程多變指數(shù)的范圍，井將每個過程的功量、熱量及熱力學能變化的正負號填在表中。

7、試將圖示的p－v圖上的2個循環(huán)分別表示在T－s圖上。

8、為了檢查船舶制冷裝置是否漏氣，在充人制冷劑前，先進行壓力實驗，即將氮氣充入該裝置中，然后關閉所有通大氣的閥門，使裝置相當于一個密封的容器。充氣結束時，裝置內氮的表壓力為 1MPa，溫度為 27 ℃。24 h后，環(huán)境溫度下降為 17℃（裝置中氮氣溫度也下降到17℃），氮氣的表壓力為934.5kPa。設大氣壓力為O.1MPa，試問氮氣是否漏氣？

9、氧氣瓶容積為10立方厘米，壓力為20MPa。溫度為20℃。該氣瓶放置在一個O.01立方米的絕熱容器中，設容器內為真空。試求當氧氣瓶不慎破裂，氣體充滿整個絕熱容器時，氣體的壓力及溫度，并分析小瓶破裂時氣體變化經歷的過程。

10、絕熱剛性容器用隔板分成兩部分。使 VA＝2VB＝3立方米，A部分儲有溫度為20℃、壓力為0.6MPa的空氣，B為真空。當抽去隔板后，空氣即充滿整個容器，最后達到平衡狀態(tài)。求：（1）空氣的熱力學能、焓和溫度的變化；（2）壓力的變化；（3）熵的變化。

11、如圖所示，為了提高進入空氣預熱器的冷空氣溫度，采用再循環(huán)管。已知冷空氣原來的溫度為20℃，空氣流量為 90 000 立方米/h，從再循環(huán)管出來的熱空氣溫度為350℃。若將冷空氣溫度提高至40℃，求引出的熱空氣量（標準狀態(tài)下）。用平均比熱咨表數(shù)據(jù)計算，設過程進行中壓力不變。又若熱空氣再循環(huán)管內的空氣表壓力為1.47kPa，流速為20m/s，當?shù)氐拇髿鈮毫?00kPa，求再循環(huán)管的直徑。12、1kg空氣，初態(tài)p1＝1.0MPa，t1＝500℃，在氣缸中可逆定容放熱到p2＝0.5MPa，然后可逆絕熱壓縮到t3=500℃，再經可逆定溫過程又回到初態(tài)。求各過程的△u，△h，△s及w和q各為多少？并在p－v圖和T－s圖上畫出這3個過程。

13、某儲氣筒內裝有壓縮空氣，當時當?shù)氐拇髿鉁囟萾0=25℃，大氣壓力p0=98kPa，問儲氣筒內壓力在什么范圍才可能使放氣閥門打開時，在閥附近出現(xiàn)結冰現(xiàn)象？

14、柴油機的氣缸吸入溫度為t1＝50℃、壓力為p1＝0.1MPa的空氣外0.032立方米。經過多變壓縮過程，使氣體的壓力上升為p2＝3.2MPa，容積為V2=0.00213立方米，求在多變過程中，氣體于外界交換的熱量、功量以及氣體的熱力學能的變化

15、在一個承受一定重量的活塞下裝有20℃的空氣0.4kg，占據(jù)容積0.2立方米，試問當加入20kJ熱量后，其溫度上升到多少？并作了多少 功？若當活塞達到最后位置后予以固定，以后再繼續(xù)加入20kJ熱量，則其壓力上升至多少？

16、某雙原子理想氣體在多變過程（n＝1.18）中作了膨脹功660kJ/kg，溫度從650℃降到40℃，試求氣體熱力學能及熵的變化，以及氣體在過程中的吸熱量。

17、在一個絕熱的封閉氣缸中，配有一無摩擦的且導熱良好的活塞，活塞將氣缸分為在、右兩部分，如圖所示。初始時活塞被固定，左邊盛有1kg的壓力為O.5MPa、溫度為350℃的空氣，右邊盛有3kg的壓力為0.2MPa，溫度為450K的二氧化碳。求活塞可自由移動后，平衡溫度及平衡壓力

第三章自測題答案

1、（1）有，無。無，無。8.314，J/（mol*K）（2）Cm=Mc=22.41C'（3）有，有。有，無。有，有。（4）理想氣體的任何工質，任何過程。（5）252.4kJ，353.3kJ,-436.5kJ, 311.8kJ

8、有漏氣2.8%

9、（1）取絕熱容器為系統(tǒng)，由能量方程，得終態(tài)溫度為20℃。（2）利用狀態(tài)方程求出終態(tài)壓力為20kPa（3）小瓶破裂時氣體經過得是不可逆絕熱過程

10、（1）取整個絕熱容器為系統(tǒng)，得△T=△U=△H=0；（2）△p＝－0.2MPa（3）△S＝2490.5J/K11、5686.5立方米/h，0.478m12、1－2定容過程：q=-277.5kJ/kg，△h=-388kJ/kg，△s=-0.4977kJ/(kg*K)，w=0 2－3定熵過程：w=-277.5kJ/kg，△h=388kJ/kg，△s=0，q=0 3－1定溫過程：q=w=384.4kJ/kg，△h=△u＝0，△s=0.4977kJ/(kg*K)

13、將放氣過程視為可逆絕熱過程，根據(jù)定熵過程狀態(tài)參數(shù)之間得關系可得：P≤133.3kPa.14、多變指數(shù)為1.28，氣體質量為0.0345kg

15、包含兩個過程：定壓過程1－2，定容過程2－3；69.8℃，5.72kJ，16、△u＝－297.4kJ/kg，△s=0.644kJ/(kg*K)，q＝326.6kJ/kg 17、425.6K，246.2kPa

335.8kPa

第三篇：工程熱力學第三版電子教案教學大綱

教學大綱

課程名稱：工程熱力學

英文譯名：Engineering Therodynamics(Architecture type)總學時數(shù)：54 講課學時：50（含習題課4）實驗學時：8 授課對象：建筑環(huán)境與設備專業(yè)、建材專業(yè)本科生 課程要求：必修 分類：技術基礎課 開課時間：第三學期

主要先修課：高等數(shù)學、大學物理、理論力學、材料力學 選用教材及參考書

教材：采用由我校廉樂明主編，李力能、譚羽非參編的全國建筑暖通專業(yè)統(tǒng)編教材、全國高等學校教材《工程熱力學》。本書自1979年出版至今，歷經第一版、第二版、第三版和第四版共四次修訂，計十二次印刷，在全國發(fā)行量達12萬余冊。本書曾獲國家級教學成果獎教材二等獎、建設部部優(yōu)教材獎。主要參考教材：

1、清華大學主編、高教出版社出版的《工程熱力學》

2、西安交通大學主編、高教出版社出版的《工程熱力學》

3、Krle C.Potter Craig W.Somerton《Engineering Therodynamics》(1998年版)

一、本課程的性質、教學目的及其在教學計劃中的地位與作用

本課程是研究物質的熱力性質、熱能與其他能量之間相互轉換的一門工程基礎理論學科，是建筑環(huán)境與設備專業(yè)的主要技術基礎課之一。本課程為專業(yè)基礎課，主要用于提高學生熱工基礎理論水平，培養(yǎng)學生具備分析和處理熱工問題的抽象能力和邏輯思維能力。為學生今后的專業(yè)學習儲備必要的基礎知識，同時訓練學生在實際工程中的理論聯(lián)系實際的能力。通過對本課程的學習，使學生掌握有關物質熱力性質、熱能有效利用以及熱能與其它能量轉換的基本規(guī)律，并能正確運用這些規(guī)律進行各種熱工過程和熱力循環(huán)的分析計算。此外本課程在有關計算技能和實踐技能方面也使學生得到一定的訓練。因此本課程不僅是學習后續(xù)課程，包括《供熱工程》、《空調工程》、《鍋爐及鍋爐房設備》等主要專業(yè)的理論基礎外，而且能廣泛服務于機械工程、動力工程、冶金、石油、電力工程等各個研究領域。

本課程以經典宏觀熱力學為理論體系，主要特點是理論分析、實驗研究與工程實際應用密切結合，其中基礎理論部分占65%，工程應用部分占35%。

二、本課程的主要內容、各章節(jié)內容及其學時

緒 論(2學時，包括觀看熱力學緒論錄象1學時)。教學目的，基本內容，學習本課程應注意的問題。第一章 基本概念(4學時)主要內容：熱力系統(tǒng)；工質熱力狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)；平衡狀態(tài)；準靜態(tài)過程、可逆過程；熱力循環(huán)。

應使學生清晰理解熱力學的有關基本概念，如熱力系統(tǒng)、外界、狀態(tài)參數(shù)（特別是焓、熵兩個參數(shù)）、功、熱量、平衡狀態(tài)、準靜態(tài)過程，可逆過程，熱力循環(huán)等。

要使學生明確狀態(tài)量和過程量、平衡和可逆、內能和熱量、膨脹功、推動功和技術功等容易混淆的各概念之間的區(qū)別與聯(lián)系。三種典型的熱力系統(tǒng)，p、v、T三個狀態(tài)參數(shù)的物理意義，測溫測壓裝置；絕對壓力和相對壓力的計算；可逆過程的判定準則。要求學生能夠較熟練的應用基本概念，針對實際問題的特點選取熱力系統(tǒng)，進行功和熱量的計算，從而初步具有正確建立熱力模型的能力。

第二章 理想氣體性質（4學時）

主要內容：理想氣體（包括理想氣體混合物）概念；理想氣體狀態(tài)方程；理想氣體比熱；混合氣體性質。

要使學生熟練理想氣體狀態(tài)方程的各種表述形式，利用狀態(tài)方程及公式進行熱力計算，理想氣體比熱的物理意義，以及該參數(shù)在工程中的應用特點。對于常用工質如空氣、水蒸氣、濕空氣和制冷工質等的熱力學性質的圖表和公式，應能熟練的運用各種熱力過程的計算。應使學生學會利用對比態(tài)參數(shù)的通用圖表對工質熱力學性質參數(shù)進行計算。此外對于研究工質熱力學性質的一般方法，包括工質熱力學普遍關系式在內，也應使學生有所了解。第三章 熱力學第一定律（6學時）

主要內容：系統(tǒng)儲存能；系統(tǒng)與外界傳遞的能量；閉口、開口系統(tǒng)能量方程；穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程及應用。

熱力學第一定律及其應用是本課程的重點內容，應使學生深刻理解這個定義的普遍適用性及其實質。牢固掌握閉口系統(tǒng)的熱力學第一定律解析式及開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式在不同場合的具體應用以及它們之間的內在聯(lián)系，也應掌握充氣和放氣過程的計算，對于熱力學第一定律在化學反應中的應用，應使學生有所了解。

應使學生熟練應用熱力學第一定律，結合熱力模型，分析和導出各種熱力過程（包括壓氣過程）的相應計算式，并應能利用狀態(tài)坐標圖表示各種過程及過程中能量轉換的特點。熱力學第一定律習題課（2學時）

主要內容：結合工程實際過程，應用熱力學第一定律建立熱力模型，進行熱功能量轉換過程的熱力計算。

第四章 理想氣體熱力過程及氣體壓縮（4學時）

主要內容：分析熱力過程的目的及一般方法；氣體的基本熱力過程及多變過程；壓氣機的理論壓縮軸功；活塞式壓氣機余隙影響；多級壓縮及中間冷卻。

要使學生掌握熱力學計算的特殊性，并能利用狀態(tài)坐標圖表示各種過程及過程中能量轉換的特點。使學生能熟練的結合熱力學第一定律，分析和導出各種基本熱力過程及多變過程（包括壓氣過程）的相應計算式并進行計算，利用p-v、T-s圖分析熱力過程。第五章 熱力學第二定律（8學時）

主要內容：熱力學第二定律實質及表述；卡諾循環(huán)、卡諾定理；熵與熵方程；孤立系統(tǒng)熵增原理；用和 無。

應使學生深刻理解熱力學第二定律的實質及對生產實踐的指導意義，掌握卡諾循環(huán)及卡諾定理的結論及熱力學意義，熟悉動力循環(huán)及制冷循環(huán)的分析方法。

應使學生正確理解熵是一個狀態(tài)參數(shù)，并能應用熱力學第二定律來說明熵這個參數(shù)的重要性，了解孤立系統(tǒng)熵增原理及過程不可逆性與熵增之間的關系，利用熵方程進行熱力計算以及作功能力損失的計算。對于熱力學第二定律在化學反應中的應用，也應使學生有所了解。熱力學第二定律習題課（2學時）。

使學生掌握熱力過程的方向性與不可逆性的判定，系統(tǒng)熵變的熱力計算以及作功能力損失的計算。

第七章 水蒸汽（4學時）

主要內容：液體的蒸發(fā)與沸騰；水蒸氣的定壓發(fā)生過程；水蒸汽表和圖；水的相圖及三相點；水蒸汽的基本過程（自學，課堂主要采取輔導形式）。

使學生掌握工業(yè)上水蒸氣的定壓生成過程，學會使用水蒸氣熱力學性質的圖表，并能熟練的運用于各種熱力過程的計算。二氧化碳臨界狀態(tài)實驗 第八章 濕空氣（6學時）

主要內容：濕空氣的性質；濕空氣的焓濕圖；濕空氣的基本熱力過程；

應使學生牢固掌握濕空氣狀態(tài)參數(shù)、h-d圖的使用，并會進行濕空氣基本熱力過程的計算。理想氣體比熱實驗

第九章 氣體和蒸汽的流動(6學時)主要內容：絕熱穩(wěn)定流動的基本關系式；氣體在噴管中的絕熱流動、噴管中流速及流量計算；噴管主要尺寸的確定；實際噴管中有磨擦的流動；擴壓管流動；氣體和蒸汽的絕熱節(jié)流。應使學生深刻理解噴管內絕熱穩(wěn)定流動的基本方程及流動的基本特性，掌握噴管出口的截面、流速和流量的計算，噴管的設計和校核計算，絕熱節(jié)流過程的特點。掌握臨界壓力比、臨界流速和臨界流量的概念和計算，會應用基本公式計算噴管出口的截面、流速和流量，應掌握絕熱節(jié)流過程的特點。對擴壓管的概念使學生有所了解。第十章 動力循環(huán)(4學時)主要內容：蒸汽動力基本循環(huán)；朗肯循環(huán)；回熱循環(huán)與再熱循環(huán)；熱電循環(huán)；內燃機循環(huán)； 燃氣輪機循環(huán)

應使學生掌握回熱循環(huán)、再熱循環(huán)以及熱電循環(huán)的組成、熱效率計算及提高熱效率的方法和途徑。熱電循環(huán)中最佳用熱和用電的分配比例的確定，提高熱效率的途徑和計算方法。第十一章 致冷循環(huán)(4學時)主要內容：空氣壓縮致冷循環(huán)；蒸氣壓縮致冷循環(huán)；蒸氣噴射致冷循環(huán)；吸收式致冷循環(huán)；熱泵；氣體的液化

應使學生掌握和理解蒸汽壓縮制冷循環(huán)的組成、制冷系數(shù)的計算及提高制冷系數(shù)的方法和途徑。對吸收制冷、蒸汽噴射制冷及熱泵也應使學生有所了解。

三、本課程的其它教學環(huán)節(jié)

（1）習題主要在于鞏固所學的理論，培養(yǎng)學生運用理論解決實際問題的能力，因此課外習題不應少于50題。

（2）本課程的實驗應使學生通過動手操作驗證課堂教學的某些理論，同時使學生在實驗方法及測量參數(shù)等方面得到一定的鍛煉，實驗項目不應少于2個（4學時）。

四、考核方式

期末考試采用筆試，百分制?？荚噧热莞采w全部授課內容，課程重點內容約占全部考試內容的80%，基本理論與基本概念約占考試內容的50%，計算部分約占考試內容的60%?？荚囶}以檢查學生在學習過程中對基本概念、基本方法、基本技術的掌握，尤其是在期終總結復習的過程中對整個知識系統(tǒng)的全面掌握和靈活運用。

學生撰寫科研小論文和心得總結報告，可給予最高達10分的獎勵。實驗課結果，包括實驗出席率、實驗報告，將以5%計入期末成績?！豆こ虩崃W》課程教學小組 執(zhí)筆人：譚羽非

第四篇：工程熱力學第三版電子教案教學大綱 （本站推薦）

教學大綱

一、教學目的和教學要求

在能源動力需求日益增長的今天，如何更有效地實現(xiàn)能量轉換，如何開發(fā)新的能源，是一個十分迫切而又重要的課題。這就要求能源動力、土建和航空航天等大類專業(yè)本科生掌握有關能量及其相互轉換規(guī)律的知識。工程熱力學研究熱能與其它形式能量相互轉換的規(guī)律，是能源動力、土建和航空航天等大類專業(yè)的一門主要技術基礎課。

通過對《工程熱力學》的學習，使學生著重從工程的角度掌握熱力學的基本規(guī)律；并能正確運用這些規(guī)律，理論聯(lián)系實際地進行熱力過程、熱力循環(huán)的分析和熱力計算；同時也注意培養(yǎng)學生正確邏輯思維的能力。從而為學生學習后繼有關專業(yè)課程，提供必要的工程熱力學的基礎理論知識和熱力計算的基本方法，而且也為學生畢業(yè)后從事熱能工程的設計、管理和科學研究提供重要的熱力學理論基礎。

二、教學內容及教學安排

每周4學時，共17周。

（一）基本概念及定義 4學時

1．熱力系及其描述

1學時

2．基本狀態(tài)參數(shù)

1學時

3．狀態(tài)方程式，狀態(tài)參數(shù)坐標圖 1學時

4．熱力過程及熱力循環(huán) 1學時

（二）能量與熱力學第一定律 4學時

1．功、熱與熱力學第一定律的實質 1學時

2．循環(huán)的第一定律表達式及推論

熱力系與外界的物質交換 1學時

3．熱力學第一定律的表達式 1學時

4．能量方程式的應用

非穩(wěn)定流動的能量方程式

1學時

（三）熵與熱力學第二定律

10學時

1．過程的不可逆性

1學時 2．熱力學第二定律的幾種表述

1學時 3．卡諾定理

14．熱力學溫度標尺

5．卡諾循環(huán)與克勞修斯不等式

6．狀態(tài)參數(shù)熵及熵增原理

7．熵方程及其應用舉例

8．熱力系的可用能

9．第二定律的統(tǒng)計解釋及局限性

（四）熱力學一般關系

1．常用狀態(tài)函數(shù)的偏微商

基本熱力學關系

2．熱力學能、焓和熵的微分式

熱系數(shù)之間的一般關系

（五）氣體的熱力性質

1．理想氣體性質

2．理想氣體比熱容及參數(shù)計算

3．實際氣體狀態(tài)方程

4．實際氣體比熱容及焓、熵函數(shù)

（六）蒸汽的熱力性質

學時 1學時 1學時 1學時 2學時 1學時 1學時

2學時

學時 1學時

4學時

1學時 1學時 1學時 學時

4學時

1．單元工質的相圖與相轉變

1學時 2．單元復相系平衡條件

1學時 3．蒸汽的定壓發(fā)生過程

蒸氣熱力性質表及其應用

1學時 4．蒸氣熱力性質圖及其應用

1學時

1．混合物的成分及氣體常數(shù)

2．分壓定律與分容積定律

3．理想氣體混合物的有關計算

4．濕空氣及其狀態(tài)參數(shù)

5．干–濕球溫度和焓–濕 圖 6．濕空氣過程

1．熱力過程的分析方法

2．多變過程

3．熱力過程的火用分析舉例

1．穩(wěn)定流動的基本方程

2．定熵流動的基本特性

3．氣體在噴管和擴壓管中的流動 4．噴管中氣體流動的計算

5．水蒸氣在噴管中的定熵流動 6．有摩擦的絕熱流動與絕熱節(jié)流

6學時

1學時

1學時 1學時

1學時

1學時

1學時

3學時

1學時

1學時 1學時

6學時

1學時 1學時 1學時 1學時 1學時 1學時

（七）理想氣體混合物與濕空氣

（八）理想氣體的熱力過程

（九）氣體與蒸汽的流動

（十）氣體的壓縮

4學時

1．壓氣機的工作原理

1學時 2．壓縮過程的熱力學分析

1學時 3．單級活塞式壓氣機余隙容積的影響 1學時 4．多級壓縮及中間冷卻

1學時

（十一）蒸汽動力循環(huán)

1．蒸汽動力循環(huán)的分析方法

朗肯循環(huán)

2．蒸汽參數(shù)對循環(huán)熱效率的影響

蒸汽再熱循環(huán)

3． 回熱循環(huán)

4． 熱電循環(huán)和理想工質循環(huán)

5． 蒸汽動力設備熱力學分析舉例

（十二）氣體動力循環(huán)

1．燃氣輪機裝置定壓加熱理想循環(huán) 2．考慮不可逆損失時的熱力學分析 3．具有回熱的燃氣輪機裝置循環(huán) 4．往復活塞式內燃機理想循環(huán)

5．其他燃氣動力循環(huán)

（十三）制冷循環(huán)

1． 制冷機與熱泵

逆卡諾循環(huán)

2．空氣制冷循環(huán)

6學時

1學時 1學時 1學時 學時 1學時 學時

5學時

1學時

1學時

1學時 學時 0.5學時5學時

1學時 1學時

1.3．蒸汽壓縮制冷循環(huán)

1.5學時 4．蒸汽噴射制冷循環(huán)

吸收式制冷裝置循環(huán)

1學時 5．熱泵供熱循環(huán)

0.5學時

（十四）化學反應系統(tǒng)的熱力學原理

5學時

1．概述

化學反應的功和熱

1學時 2．赫斯定律

1學時 3．基爾霍夫定律及理論燃燒溫度

1學時 4．第二定律在化學反應中的應用

1學時 5．化學平衡

熱力學第三定律

1學時

三、主要參考教材

《工程熱力學》 曾丹苓 高等教育出版社

四、有關說明

本課程的主要預修課為高等數(shù)學和普通物理。實驗安排在另一門課程“熱工實驗”中。

第五篇：工程熱力學報告

工程熱力學（2015 秋）課程論文

姓名： 班級： 學號： 日期：

納米晶材料的熱力學函數(shù)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(shù)分析...............................................................2

四、內部熱力學函數(shù)分析...............................................................6

五、整體熱力學函數(shù)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(shù)(高達50%)和界面區(qū)的原子間距分布較寬，其性能特別是和近鄰原子相關聯(lián)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(tài)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(tài)[3]為基礎對納米材料的整體的熱力學函數(shù)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(qū)域和晶粒內部的排布密度（原子的空間占據(jù)百分數(shù)）分別為和。位于晶界面上和晶粒內部的原子個數(shù)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(tài)的原子體積。

所以，晶體面處的原子分數(shù)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(tài)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(shù)為以納米晶界面處和晶粒內部兩部分熱力學函數(shù)的求和。

三、界面熱力學函數(shù)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(tài)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(xiàn)為原子配位距離增大，最近鄰原子配位數(shù)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(shù)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(shù)（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(jù)現(xiàn)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(fā)展的普適狀態(tài)方程[3]定量描述了結合能與晶格常數(shù)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(tài)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(shù)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(tài)結合能，可根據(jù)線膨脹系數(shù)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(shù)是反映晶格振動頻率和原子體積之間關系的一個函數(shù)，由下式計算[10]：

(12)

根據(jù)普式狀態(tài)方程，晶體中的壓力P是原子體積V和溫度T的函數(shù)[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(shù)，TR為參照溫度，r0為p=0時平衡態(tài)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(shù)。

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(shù)分析

將納米晶粒內部晶體的性質等同于粗晶，可以根據(jù)塊體材料的熱力學函數(shù)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(shù)據(jù)取決于SGTE熱力學數(shù)據(jù)庫。

五、整體熱力學函數(shù)分析

引入納米晶界面上的原子分數(shù)xb作為權重，整體納米材料的熱力學函數(shù)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(shù)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(shù)，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(tài)方程研究納米晶界面熱力學特性的基礎上，發(fā)展了納米晶整體材料熱力學函數(shù)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(fā)生變化的明確表達式，由此可以定量預測納米晶材料發(fā)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(lián)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(shù)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(wěn)定性等特性，因此，應用于塊體材料的傳統(tǒng)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(fā)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(yè)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(shù)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