第一篇：工程熱力學(xué)講稿

工程熱力學(xué)講稿

一、基本知識(shí)點(diǎn)

基本要求

理解和掌握工程熱力學(xué)的研究對(duì)象、主要研究內(nèi)容和研究方法 〃理解熱能利用的兩種主要方式及其特點(diǎn) 〃了解常用的熱能動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置的工作過程

1．什么是工程熱力學(xué)

從工程技術(shù)觀點(diǎn)出發(fā)，研究物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)，熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的規(guī)律和方法，以及有效、合理地利用熱能的途徑。電能一一機(jī)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(jī)一一(間接利用)發(fā)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(fēng)能,水力能,太陽能、地?zé)崮?、化學(xué)能和核能等。

二次能源：由一次能源轉(zhuǎn)換而來的能源，如機(jī)械能、機(jī)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(dòng)力裝置，將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或者再轉(zhuǎn)換成電能，4．.熱能動(dòng)力轉(zhuǎn)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(shù)量屬性、,質(zhì)量屬性(即做功能力)

注意：

數(shù)量守衡、質(zhì)量不守衡

提高熱能利用率：能源消耗量與國民生產(chǎn)總值成正比。

6．本課程的研究對(duì)象及主要內(nèi)容

研究對(duì)象：與熱現(xiàn)象有關(guān)的能量利用與轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)。研究內(nèi)容：

（1）．研究能量轉(zhuǎn)換的客觀規(guī)律，即熱力學(xué)第一與第二定律。

（2）．研究工質(zhì)的基本熱力性質(zhì)。

（3）．研究各種熱工設(shè)備中的工作過程。

（4）．研究與熱工設(shè)備工作過程直接有關(guān)的一些化學(xué)和物理化學(xué)問題。

7．.熱力學(xué)的研究方法與主要特點(diǎn)

（1）宏觀方法：唯現(xiàn)象、總結(jié)規(guī)律，稱經(jīng)典熱力學(xué)。

優(yōu)點(diǎn)：簡單、明確、可靠、普遍。

缺點(diǎn)：不能解決熱現(xiàn)象的本質(zhì)。

（2）微觀方法：從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與微觀運(yùn)動(dòng)出發(fā)，統(tǒng)計(jì)的方法總結(jié)規(guī)律,稱統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)。

優(yōu)點(diǎn)：可解決熱現(xiàn)象的本質(zhì)。缺點(diǎn)：復(fù)雜，不直觀。

主要特點(diǎn)：三多一廣，內(nèi)容多、概念多、公式多。

聯(lián)系工程實(shí)際面廣。條理清楚，推理嚴(yán)格。

二、重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)：熱能利用的方向性及能量的兩種屬性

難點(diǎn)：使學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)本課程的重要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，教會(huì)學(xué)生掌握專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)方法。

四、德育點(diǎn)

〃通過對(duì)我國能源及其利用現(xiàn)狀的介紹,增強(qiáng)學(xué)生對(duì)我國能源問題的憂患意識(shí)和責(zé)任意識(shí),激發(fā)學(xué)生為解決我國能源問題而努力學(xué)習(xí)的愛國熱情

〃通過熱能利用在整個(gè)能源利用中地位的闡述,使學(xué)生認(rèn)識(shí)研究熱能利用和學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)的重要性,向?qū)W生滲透愛課程、愛專業(yè)教育

五、練習(xí)與討論

討論題:能源與環(huán)境、節(jié)能的重要性、建筑節(jié)能、辯證思維

學(xué)習(xí)方法：物理概念必須清楚，記住一般公式，注意問題結(jié)果的應(yīng)用。

第二篇：工程熱力學(xué)-熱力學(xué)第一定律講稿

熱力學(xué)第一定律

一、熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)

自然界的物質(zhì)處于不斷地變化中，轉(zhuǎn)化中的守恒與守恒中的轉(zhuǎn)化時(shí)自然界的基本法則之一。人們從無數(shù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出：自然界一切物質(zhì)都具有能量，能量既不能創(chuàng)造也不能消滅，各種不同形式的能量都可以從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，也可以從一種能量形式轉(zhuǎn)變到另一種能量形式，但在轉(zhuǎn)移過和轉(zhuǎn)變程中，它們的總量保持不變。這一規(guī)律稱為能量守恒與轉(zhuǎn)換定律。

而熱力學(xué)第一定律就是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中應(yīng)用，它確定了熱力工程中熱力系與外界進(jìn)行能量交換時(shí)，各種形態(tài)的能量在數(shù)量上的守恒關(guān)系。在工程熱力學(xué)中熱力學(xué)第一定律可以表述為：熱可以變?yōu)楣Γσ部梢宰優(yōu)闊?，一定的熱量消失時(shí)必產(chǎn)生相應(yīng)的功，消耗一定量的功時(shí)必出現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)的一定量的熱。

二、熱力系統(tǒng)常用到的能量形式

（一）、儲(chǔ)存能

1、內(nèi)儲(chǔ)存能／熱力學(xué)能（U）：

組成熱力系統(tǒng)的大量微觀粒子本身所具有的能量。熱力學(xué)能是下列各種能量的總和：（1）分子熱運(yùn)動(dòng)所形成的內(nèi)動(dòng)能。

（2）分子間相互作用力所形成的內(nèi)位能。

（3）構(gòu)成分子的化學(xué)能和構(gòu)成原子的的原子能。

2、外儲(chǔ)存能（1）宏觀動(dòng)能（Ek）：相對(duì)于熱力系統(tǒng)以外的的參考坐標(biāo)，由于宏觀運(yùn)動(dòng)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(tǒng)由于重力作用而具有的能量。

Ep?mgz

3、熱力系統(tǒng)的總儲(chǔ)存能（E）： 是內(nèi)儲(chǔ)存能與外儲(chǔ)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(gè)物體傳遞到另一個(gè)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(tǒng)與外界存在勢差時(shí)，進(jìn)行的能量交換途徑有三種：功量交換、熱量交換、質(zhì)量交換。

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

（2）軸功（Ws）：熱力系統(tǒng)通過葉輪機(jī)械的軸和外界交換的功量。

2、熱量：系統(tǒng)與外界在溫差的推動(dòng)下通過微觀粒子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)而傳遞的能量。

3、隨質(zhì)量交換傳遞的能量

（1）流動(dòng)工質(zhì)的儲(chǔ)存能：流動(dòng)工質(zhì)本身具有熱力學(xué)能、宏觀動(dòng)能和重力位能，會(huì)隨工質(zhì)的的流進(jìn)（流出）系統(tǒng)而帶入（帶出）系統(tǒng)。這部分能量為：

E?U?12mc2f?mgz 或 e?u?12cf2?gz

（2）流動(dòng)功（推動(dòng)功）（Wf）：工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功。流動(dòng)功與體積功不同，流動(dòng)功只有在工質(zhì)流動(dòng)過程中才會(huì)出現(xiàn)，做流動(dòng)功時(shí)工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)不發(fā)生變化，當(dāng)然也不存在能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化，工質(zhì)做流動(dòng)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(xué)第一定律的基本能量方程

設(shè)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(shí)間d?內(nèi)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(zhì)量?m1與此同時(shí)熱力系對(duì)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(zhì)量?m2，經(jīng)過時(shí)間d?后，熱力系的總能量變?yōu)镋?dE。

熱力學(xué)第一定律的能量方程，就是系統(tǒng)變化過程中的能量平衡方程式，文字表達(dá)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(duì)有限長時(shí)間?積分得 ：

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

（2）

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

四、閉口系統(tǒng)的能量方程

在閉口系統(tǒng)中，（1）熱力系的宏觀能量變化很小，宏觀動(dòng)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(xué)能的變化量，即：?E??U。（2）另外對(duì)于閉口系統(tǒng)它與外界無質(zhì)量交換，即：?m1?0 ?m2?0（3）所做的功是體積功。所以閉口系統(tǒng)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(tǒng)的能量方程

在實(shí)際工程中，工質(zhì)要在熱力裝置中循環(huán)不斷的流經(jīng)各相互銜接的熱力設(shè)備，完成不同的熱力過程實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換對(duì)這類有工質(zhì)流進(jìn)和流出的熱力設(shè)備（如燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)、葉輪 2

式壓氣機(jī)）常采用開口系統(tǒng)即控制體積的分析方法。

我們把控制體內(nèi)質(zhì)量和能量隨時(shí)間而變化的過程稱為不穩(wěn)定流動(dòng)過程。把系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量和能量不隨時(shí)間變化，各點(diǎn)參數(shù)保持一定的稱為穩(wěn)定流動(dòng)過程。下面從最普遍額不穩(wěn)定流動(dòng)過程著手導(dǎo)出開口系統(tǒng)的能量方程。

設(shè)控制體在?到??d?的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行一個(gè)微元熱力過程。在這段時(shí)間內(nèi)控制體截面處流入的工質(zhì)質(zhì)量為?m1，流出的工質(zhì)質(zhì)量為?m2，控制體從熱遠(yuǎn)處吸熱?Q，對(duì)外做軸?W，進(jìn)出口截面相對(duì)參考系的高度分別為z1和z2，控制體積內(nèi)儲(chǔ)存能的增量為dEcv，則控制體的能量輸入與輸出情況如下： 進(jìn)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(chǔ)存能的變化 dEcv??E?dE?cv?Ecv 根據(jù)熱力學(xué)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(wěn)定流動(dòng)的能量方程

當(dāng)流體流過開口系統(tǒng)時(shí)，有能量的輸入和輸出，此時(shí)輸入的能量、輸出的能量及系統(tǒng)積累的能量分別為：

（1）流入的能量：流入流體攜帶的熱力學(xué)能、宏觀動(dòng)能及位能、流體流入時(shí)得到的流動(dòng)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(xué)能：U1??m1u1 宏觀動(dòng)能：Ek1?12?m1c1

2宏觀位能：Ep1??m1gz1 流體流動(dòng)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(xué)能、宏觀動(dòng)能及位能、流體流出時(shí)得到的流動(dòng)能、流體通過轉(zhuǎn)動(dòng)部件對(duì)外界傳出的機(jī)械能。流出的能量具體為： 微觀能即熱力學(xué)能：U2??m2u2 宏觀動(dòng)能：Ek2?12?m2c2

2宏觀位能：Ep2??m2gz2 流體流動(dòng)能：P2V2??m2P2v2 熱力系對(duì)輸出的機(jī)械能為：?W

則根據(jù)熱力學(xué)第一定律，應(yīng)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(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)定義及特征：熱力系中各個(gè)參數(shù)穩(wěn)定，即無能量和質(zhì)量的積累。開口穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)滿足的表達(dá)式：?m1??m2??m

dE?0 則熱力學(xué)第一定律在開口穩(wěn)定流動(dòng)熱力系中的具體表達(dá)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(xué)第一定律的具體應(yīng)用 換熱器中的應(yīng)用：q?h2?h1 內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用：w?h1?h2 噴管中的應(yīng)用：12c?h1?h2 2壓縮機(jī)的應(yīng)用：w?h2?h1

第三篇：中科大工程熱力學(xué)

工程熱力學(xué) 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(tài)：若熱力系在不受外界的作用下，宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化而變化。準(zhǔn)靜態(tài)過程：在熱力過程中，熱力系的宏觀狀態(tài)始終維持或接近平衡狀態(tài)。

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

穩(wěn)定流動(dòng)過程：在流動(dòng)過程中，熱力系內(nèi)部及熱力系界面上每一點(diǎn)的所有特性參數(shù)都不隨時(shí)間而變化。

狀態(tài)參數(shù)：用以描述熱利系狀態(tài)的某些宏觀物理量稱為熱力系狀態(tài)參數(shù)。強(qiáng)度參數(shù)：與熱利系的質(zhì)量無關(guān)，且不可相加的狀態(tài)參數(shù)。熱量：通過熱力系以外的一切物質(zhì)，統(tǒng)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(nèi)能：內(nèi)能是熱力系處于宏觀靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)所有微觀粒子所具有的能量總和。單位質(zhì)量工質(zhì)所具有的內(nèi)能稱為比內(nèi)能。

熵：是表征系統(tǒng)微觀粒子無序程度的一個(gè)宏觀狀態(tài)參數(shù)。

熱力學(xué)第一定律：熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γσ部梢宰優(yōu)闊?。一定量的熱消失時(shí)，必產(chǎn)生與之?dāng)?shù)量相當(dāng)?shù)墓?；消耗一定量的功時(shí)，也必出現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的熱。

容積功：在熱力過程，由于系統(tǒng)容積改變，使系統(tǒng)與外界交換的功。

推動(dòng)功：為使某部分工質(zhì)進(jìn)出熱利系，外界或系統(tǒng)對(duì)這部分工質(zhì)做功，這部分功稱為推動(dòng)功或流動(dòng)功。即推動(dòng)功是維持工質(zhì)流動(dòng)所必需的最小的功。

技術(shù)功：工程上將技術(shù)上可以利用的功稱為技術(shù)功，對(duì)開口系統(tǒng)來講其包括軸功、進(jìn)出口的宏觀動(dòng)能差和宏觀位能差。

熱力學(xué)第二定律：開爾文說法，只冷卻一個(gè)熱源而連續(xù)不斷做工的循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是造不成的?？藙谛匏拐f法，熱不可能自發(fā)的、不負(fù)代價(jià)的從低溫物體傳到高溫物體。

孤立系統(tǒng)熵增原理：若孤立系所有部分的內(nèi)部以及彼此間的作用都經(jīng)歷可逆變化，則孤立西的總熵保持不變；若在任一部分內(nèi)發(fā)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(jī)：熱機(jī)內(nèi)發(fā)生的一切熱力過程都是可逆過程?？ㄖZ循環(huán)：在兩個(gè)恒溫?zé)嵩撮g，有兩個(gè)可逆過程組成的循環(huán)?？ㄖZ定理：在兩個(gè)不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g的所有熱機(jī)，以可逆機(jī)的效率最高。

第二類永動(dòng)機(jī)：從單一熱源取得熱量并使之完全變?yōu)闄C(jī)械能而又不引起其他變化的循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。

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

定壓質(zhì)量比熱：在定壓過程中，單位質(zhì)量的物體，當(dāng)溫度變化一度時(shí)，物體和外界交換的熱量。

同定容質(zhì)量比熱 定壓容積比熱 定容質(zhì)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(dāng)氣體兩相達(dá)到平衡時(shí)，液體所具有的溫度。飽和壓力:當(dāng)氣液兩相達(dá)到平衡時(shí),蒸汽所具有的壓力.飽和液體:兩相平衡時(shí)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(shí)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(duì)應(yīng)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(diǎn):在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上,飽和液體線與干飽和蒸汽線相交的點(diǎn).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(diǎn):物質(zhì)氣,液,固三相共存的狀態(tài)點(diǎn).混合氣體的質(zhì)量成分:混合氣體中某組元?dú)怏w的質(zhì)量與混合氣體總質(zhì)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?dú)怏w在混合氣體溫度下單獨(dú)占有整個(gè)容積時(shí),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?dú)怏w處于混合氣體的壓力和溫度時(shí)所單獨(dú)占的容 工程熱力學(xué) 2 積.道爾頓分壓定律:混合氣體的總壓力等于各組元?dú)怏w分壓力之和.分容積定律:混合氣體的總?cè)莘e等于各組元?dú)怏w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(duì)濕度(濕空氣):單位容積的濕空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量.相對(duì)濕度(濕空氣):濕空氣的絕對(duì)濕度與同溫度下飽和濕空氣的絕對(duì)濕度之比(濕空氣中實(shí)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(zhì)量與干空氣質(zhì)量之比.過熱蒸汽:在一定壓力下,溫度高于該壓力對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的飽和溫度之蒸汽.對(duì)比參數(shù):工質(zhì)的狀態(tài)與其相應(yīng)的臨界參數(shù)之比,如工質(zhì)壓力與其臨界壓力之比,工質(zhì)溫度與其臨界溫度之比為對(duì)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(zhì)量的濕蒸汽中所含干飽和蒸汽的質(zhì)量與濕蒸汽總質(zhì)量之比.定溫過程:在狀態(tài)變化時(shí),定量工質(zhì)溫度保持不變的過程.絕熱過程:工質(zhì)和外界沒有熱交換的過程.定熵過程:在狀態(tài)變化時(shí),工質(zhì)熵保持不變的過程(可逆絕熱過程).定熵流動(dòng):若工質(zhì)在流動(dòng)時(shí)既與外界無熱量交換又無摩擦和擾動(dòng),則流動(dòng)為可逆絕熱流動(dòng).音速:微弱擾動(dòng)在連續(xù)介質(zhì)中所產(chǎn)生的縱波的傳播速度.當(dāng)?shù)匾羲?指當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)所處狀態(tài)下的音速.馬赫數(shù):工質(zhì)在流動(dòng)過程中,某一點(diǎn)的流動(dòng)與當(dāng)?shù)匾羲僦?噴管:使氣流壓力降低,流速增大的管道.擴(kuò)壓管:使氣流流速降低,壓力增大的管道.絕熱節(jié)流:工質(zhì)在管內(nèi)絕熱流動(dòng)時(shí),由于通道截面突然縮小,使工質(zhì)壓力降低.絕熱滯止:工質(zhì)在絕熱流動(dòng)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(jī)的余隙:為了安置進(jìn),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(diǎn)間留有一定的空隙,稱為余隙容積.活塞式壓縮機(jī)的容積效率：活塞式壓氣機(jī)的有效容積和活塞排量之比。最佳增壓比：使多級(jí)壓縮中間冷卻壓氣機(jī)耗功最小時(shí)，各級(jí)的增壓比。

壓氣機(jī)的效率：在相同的初態(tài)及增壓比條件下，可逆壓縮機(jī)過程中壓氣機(jī)所消耗功與實(shí)際不可逆壓縮過程中壓氣機(jī)所耗功的功之比。亞音速流動(dòng)：工質(zhì)的流動(dòng)速度小于當(dāng)?shù)匾羲佟?/p>

超音速流動(dòng)：工質(zhì)再噴管中流動(dòng)時(shí)，在噴管的最小截面處，若工質(zhì)的流動(dòng)速度等于當(dāng)?shù)匾羲?，則此時(shí)工質(zhì)所處的狀態(tài)。臨界壓力比：臨界狀態(tài)時(shí)工質(zhì)壓力與滯止壓力之比。壓氣機(jī)的增壓比：壓氣機(jī)的出口壓力與進(jìn)口壓力之比。

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

循環(huán)熱效率：工質(zhì)完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，對(duì)外所作的凈功與吸熱量之比。汽耗率：蒸汽動(dòng)力循環(huán)裝置每輸出1千瓦小時(shí)功量時(shí)所消耗的蒸汽量。

相對(duì)熱效率：某循環(huán)的熱效率與相同溫度范圍內(nèi)卡諾循環(huán)熱效率之比，稱為該循環(huán)的相對(duì)熱效率或充滿系數(shù)。

制冷系數(shù)：制冷循環(huán)中，制冷量與循環(huán)凈功之比。供熱系數(shù)：供熱循環(huán)中，供熱量與循環(huán)凈功之比。

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

循環(huán)加熱量：一次循環(huán)中系統(tǒng)從外界吸收的總熱量。循環(huán)放熱量：一次循環(huán)中系統(tǒng)放給外界的總熱量。

熱力循環(huán)：工質(zhì)從某一狀態(tài)經(jīng)過一連串的狀態(tài)變化過程，又回復(fù)到原來的狀態(tài)，這些熱力過程的組合就稱為熱力循環(huán)。

熱機(jī)循環(huán)：若循環(huán)的結(jié)果是工質(zhì)將外界的熱能在一定的條件下連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。制冷：對(duì)物體進(jìn)行冷卻，使其溫度低于周圍環(huán)境溫度，并維持這個(gè)低溫。制冷機(jī)：從低溫冷藏室吸取熱量排向大氣所用的機(jī)械。熱泵：將熱量由大氣傳送至高溫暖室所用的機(jī)械裝置。

1、通用氣體常數(shù)是一個(gè)與氣體性質(zhì)和狀態(tài)均無關(guān)的常數(shù),而氣體常數(shù)是一個(gè)和氣體性質(zhì)有關(guān),但與氣體所處的狀態(tài)無關(guān)常數(shù),且某種氣體的氣體常數(shù)就等于通用氣體常數(shù)除以該氣體的分子量.2、第一類永動(dòng)機(jī)是指從單一熱源取熱量并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī);而第二類永動(dòng)機(jī)是指不消耗任何能量而連續(xù)不斷做工的循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī).3、冬季供暖時(shí),隨著室內(nèi)空氣溫度的不斷提高,室內(nèi)空氣的相對(duì)濕度逐漸降低,空氣變得干燥,使人感到不舒服.4、當(dāng)熱力系與外界無能量交換時(shí),熱力系內(nèi)狀態(tài)是否發(fā)生變化將取決于熱力系本身的狀態(tài).若熱力系是平衡熱力系,則熱力系的狀態(tài)不發(fā)生變化;若熱力系是非平衡熱力系,則熱力系的狀態(tài)將隨時(shí)間發(fā)生變化.5、焓是狀態(tài)參數(shù),其大小取決于系統(tǒng)的狀態(tài),與系統(tǒng)是否封閉無關(guān).無論何種系統(tǒng),只要起狀態(tài)一定,則用來描述狀態(tài)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?yàn)樵撌浇沂玖嗽谀芰哭D(zhuǎn)換過程中內(nèi)能,容積工和加熱量之間的普遍關(guān)系.7、容積變化工表達(dá)式只適用于可逆過程.技術(shù)工使用于任何工質(zhì)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(nèi)能會(huì)發(fā)生變化,但膨脹前后總內(nèi)能相等.9、熵是狀態(tài)參數(shù),某一過程中的變化量僅取決于過程的處態(tài)和終態(tài),與過程本身無關(guān).10、僅僅已知溫度和壓力只可確定非飽和區(qū)域內(nèi)水蒸汽的狀態(tài),而不確定飽和區(qū)域內(nèi)水蒸汽的狀態(tài),因?yàn)樵陲柡蛥^(qū)域內(nèi)溫度和壓力是互為函數(shù).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(diǎn)是濕空氣中水蒸氣分壓力所對(duì)應(yīng)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(duì)濕度小,吸濕能力強(qiáng).沸騰狀態(tài)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(duì)應(yīng)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(duì)密閉容器內(nèi)的汽、水混合物不斷的加熱時(shí)，所有的水必將全部轉(zhuǎn)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(jìn)行，蒸汽的溫度和壓力將同時(shí)增加。若蒸汽溫度超過水的臨界溫度，則所有的水講全部轉(zhuǎn)化為蒸汽。

15、理想氣體進(jìn)行N=1.3的可逆膨脹過程時(shí)，一定會(huì)從外界吸收熱量。若理想氣體是三原子氣體，則絕熱指數(shù)為1.3這是N=1.3的逆膨脹過程的可逆絕熱過程，此時(shí)氣體與外界無熱量交換。空氣的絕熱指數(shù)K=1.4，所以當(dāng)空氣進(jìn)行N=1.3的可逆膨脹時(shí)，一定會(huì)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?yàn)槠^程中溫度未變，則該過程中內(nèi)能的改變量△U=CV△T=0 溫度不變只說明水蒸氣的內(nèi)動(dòng)能不變，而水蒸氣的內(nèi)能包括內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)位能。內(nèi)位能是壓力和比容的函數(shù)。汽化過程中比容將發(fā)生變化，內(nèi)位能也發(fā)生變化，所以內(nèi)能也發(fā)生變化。

17、對(duì)濕空氣進(jìn)行冷卻一定可以去濕。對(duì)濕空氣進(jìn)行冷卻，會(huì)提高濕空氣的相對(duì)濕

18、度。能否去濕，關(guān)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(diǎn)溫度。若低于露點(diǎn)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(duì)外所作的膨脹功等于技術(shù)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(huì)低于臨界壓力，故出口氣流速度不能超過當(dāng)?shù)匾羲伲s放噴管中氣流出口速度能否大于當(dāng)?shù)匾羲?，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(dāng)?shù)匾羲佟?1、19、流經(jīng)縮放噴管的氣體流量隨著背壓的降低而不斷增加。

22、當(dāng)背壓大于臨界壓力時(shí)，隨著背壓的降低，氣體流量將增加；當(dāng)背壓等于或小于臨界壓力時(shí)，氣體流量將達(dá)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(duì)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(dāng)?shù)匾羲佟Ｒ虼?，?dāng)背壓大于臨界壓力時(shí)，隨著背壓的降低，氣流速度將不斷增加，而當(dāng)背壓等于或小于臨界壓力時(shí)，背壓降低，出口氣流速度降保持當(dāng)?shù)匾羲俨蛔儭?4、21、蒸汽再熱循環(huán)的首要目的是為了提高氣輪機(jī)的排氣干度。

25、提高蒸汽動(dòng)力循環(huán)熱效率的有效發(fā)法之一就是提高新蒸汽的初壓力。但初壓力提高后，會(huì)降低氣輪機(jī)排氣干度，導(dǎo)致氣輪機(jī)相對(duì)效率的降低并可能危機(jī)氣輪機(jī)的工作安全。采用再熱后，可降低氣輪機(jī)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?yàn)樗呐R界溫度為374.120C。當(dāng)物質(zhì)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(dāng)壓力低于00C時(shí)水的飽和壓力或-100C時(shí)水的飽和壓力，就會(huì)出現(xiàn)。2.冬季，室內(nèi)玻璃窗內(nèi)側(cè)為何會(huì)結(jié)霜？ 答：冬季，室內(nèi)外空氣溫差較大，靠近玻璃窗內(nèi)側(cè)的室內(nèi)空氣被定壓冷卻，當(dāng)空氣溫度降到大氣壓力對(duì)應(yīng)的水的飽和溫度時(shí)，此時(shí)空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，并開始有水滴從空氣中析出，若溫度再降低，達(dá)到并低于零度，這時(shí)從空氣中析出的水滴便開始結(jié)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(shù),為什么?

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

32、答:多級(jí)壓縮用中間冷卻器目的是,對(duì)從低壓汽缸出來的壓縮氣體及時(shí)進(jìn)行冷卻,讓溫度降低到被壓縮前的溫度,然后再進(jìn)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(jìn)入高壓汽缸,就達(dá)不到少消耗壓縮功的目的.6.什么是回?zé)嵫h(huán)?為什么回?zé)嵫h(huán)能提高蒸汽動(dòng)力循環(huán)的熱效率?

33、答:回?zé)崾侵冈跓崃ρh(huán)中不同溫度水平的工致之間產(chǎn)生的內(nèi)部傳熱過程.蒸汽動(dòng)力的回?zé)嵫h(huán)是指分次從氣輪機(jī)中抽出一些做過功的蒸汽,用其逐級(jí)對(duì)鍋爐給水加熱的熱力循環(huán).這樣的回?zé)嵫h(huán)也稱為分級(jí)抽氣回?zé)嵫h(huán).蒸汽動(dòng)力循環(huán)采用回?zé)岷?由于鍋爐擊水可從回?zé)崞髦形找徊糠譄崃?使給水溫度提高,這樣可提高循環(huán)平均加熱溫度,從而提高循環(huán)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(jié)流閥降壓降溫，而要采用膨脹機(jī)降壓膨脹降溫？

35、答：蒸汽壓縮制冷采用節(jié)流閥降壓降溫，是因?yàn)楸唤亓鞯墓べ|(zhì)處在飽和區(qū)域內(nèi)，由于飽和溫度飽和壓力互為函數(shù)，因此在節(jié)流降壓的同時(shí)可以降溫；而空氣壓縮制冷的制冷工質(zhì)空氣，在一般使用溫度范圍內(nèi)可視為理想氣體，而理想氣體進(jìn)節(jié)流后，盡管其壓力降低，但溫度保持不變，所以不能通過節(jié)流達(dá)

36、到降壓降溫的目的，因而，對(duì)空氣壓縮制冷必須用膨脹機(jī)而不能用節(jié)流閥。37、8、熱泵供熱循環(huán)與制冷循環(huán)有何異同？ 答：熱泵循環(huán)是通過消耗機(jī)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(huán)是通過消耗機(jī)械功，從冷藏室吸收熱量，然后將其送入大氣環(huán)境。兩者的相同之處在于都是消耗機(jī)械功的循環(huán)，不同之處在于熱泵循環(huán)是從大環(huán)境吸收熱量，而制冷循環(huán)是把熱量排入大氣環(huán)境。

9、工質(zhì)經(jīng)過一個(gè)不可逆循環(huán)，能否恢復(fù)到原狀體？

38、答：能。循環(huán)是指工質(zhì)從某一狀態(tài)點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)過一連串的熱力過程又恢復(fù)到原狀態(tài)點(diǎn)的所有熱力過程的組合。既然是一個(gè)循環(huán)就一定能恢復(fù)到原狀態(tài)，與組成循環(huán)的過程是否可你沒有關(guān)系。39、10、容積功、推動(dòng)功、軸功和技術(shù)工的差異何在？相互有無聯(lián)系？

40、答：在熱力過程中，由于系統(tǒng)容積改變，系統(tǒng)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(zhì)你出熱力系，外界或系統(tǒng)必對(duì)這部分工質(zhì)作功，這部分功稱為推動(dòng)功Wf=△Pv。從旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸上得到的功，叫做軸功Ws。工程上將技術(shù)上可以利用的工稱為技術(shù)工。對(duì)開口系統(tǒng)來講其包括軸功、進(jìn)出口的宏觀動(dòng)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?yàn)閷?duì)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(jìn)一步降低時(shí)，出口截面上壓力不可能再繼續(xù)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(dá)到超過音速?？s放噴管中氣流速度可以低于音速。要使氣流出口速度達(dá)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(dá)到音速。43、12、為何蒸汽循環(huán)不用卡諾循環(huán)而用朗肯循環(huán)？

44、答：以蒸汽為工質(zhì)在飽和區(qū)域內(nèi)熱機(jī)可按卡諾循環(huán)工作，但由于下述原因熱機(jī)不采用：

1、蒸汽臨界溫度較低，這樣就限制了循環(huán)加熱溫度不能很高，使循環(huán)熱效率較低；

2、汽輪機(jī)排氣干度較低，使汽輪機(jī)相對(duì)效率較低，且汽輪機(jī)不能安全工作；

3、壓縮機(jī)耗功大，且壓縮兩相工質(zhì)，技術(shù)上有很大難度。

13、霉季時(shí)，一些冷水官的表面常有水底出現(xiàn)，為什么？

45、答：霉季時(shí)，空氣中相對(duì)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(dāng)其溫度低于水蒸汽分壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)（露點(diǎn)溫度），空氣中的水蒸氣就變?yōu)轱柡退魵?，并有蒸汽凝結(jié)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(qiáng)。比濕度相同的兩種濕空氣，溫度高者，其相對(duì)濕度小，故吸濕能力強(qiáng)?？蓮臐窨諝獾暮瘽裢辽吓袛?。

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(cuò)誤，干飽和蒸汽的比容歲飽和溫度的升高而降低。48、16、對(duì)密封容器內(nèi)的汽、水混合物不斷的加熱時(shí)，所有的水必將全部轉(zhuǎn)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(jìn)行，蒸汽的溫度和壓力將同時(shí)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(zhuǎn)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(jié)流閥降壓降溫，而要采用膨脹機(jī)降壓膨脹降溫？

49、答：蒸汽壓縮制冷采用節(jié)流閥降壓降溫，是因?yàn)楸唤亓鞯墓べ|(zhì)處在飽和區(qū)域內(nèi)，由于飽和溫度飽和壓力互為函數(shù)，因此在節(jié)流降壓的同時(shí)可以降溫；而空氣壓縮制冷的制冷工質(zhì)空氣，在一般使用溫度范圍內(nèi)可視為理想氣體，而理想氣體進(jìn)節(jié)流后，盡管其壓力降低，但溫度保持不變，所以不能通過節(jié)流達(dá)到降壓降溫的目的，因而，對(duì)空氣壓縮制冷必須用膨脹機(jī)而不能用節(jié)流閥。50、18、熱泵供熱循環(huán)與制冷循環(huán)有何異同？ 答：熱泵循環(huán)是通過消耗機(jī)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(huán)是通過消耗機(jī)械功，從冷藏室吸收熱量，然后將其送入大氣環(huán)境。兩者的相同之處在于都是消耗機(jī)械功的循環(huán)，不同之處在于熱泵循環(huán)是從大環(huán)境吸收熱量，而制冷循環(huán)是把熱量排入大氣環(huán)境。

第四篇：工程熱力學(xué)報(bào)告

工程熱力學(xué)（2015 秋）課程論文

姓名： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 日期：

納米晶材料的熱力學(xué)函數(shù)研究

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

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

三、界面熱力學(xué)函數(shù)分析...............................................................2

四、內(nèi)部熱力學(xué)函數(shù)分析...............................................................6

五、整體熱力學(xué)函數(shù)分析...............................................................6

六、總結(jié).........................................................................................6

七、納米晶材料熱力學(xué)應(yīng)用展望....................................................6

一、摘要

納米晶材料（nanophase material)是具有納米級(jí)超細(xì)晶組織的材料。由于超細(xì)晶粒(小于100nm)、高的界面體積分?jǐn)?shù)(高達(dá)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(guān)聯(lián)的性能，如力學(xué)性能、熱學(xué)性能、磁學(xué)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(yīng)用界面膨脹模型[2]并以普適狀態(tài)[3]為基礎(chǔ)對(duì)納米材料的整體的熱力學(xué)函數(shù)計(jì)算模型進(jìn)行了闡述分析，進(jìn)而對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了展望。

二、納米晶材料的幾何假設(shè)

納米晶材料中的原子可分為兩部分，一部分是位于晶粒內(nèi)部點(diǎn)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(shè)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(nèi)部的排布密度（原子的空間占據(jù)百分?jǐn)?shù)）分別為和。位于晶界面上和晶粒內(nèi)部的原子個(gè)數(shù)和可由下式計(jì)算：

(1)

(2)

其中：Vb為納米晶體界面上一個(gè)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?jǐn)?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(shí)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(dá)，設(shè)定純物質(zhì)納米晶體的熱力學(xué)函數(shù)為以納米晶界面處和晶粒內(nèi)部兩部分熱力學(xué)函數(shù)的求和。

三、界面熱力學(xué)函數(shù)分析

Fecht和Wagner提出，納米晶界面的性質(zhì)可以通過膨脹晶體的性質(zhì)來近似考慮，建立了“界面膨脹模型”[2]。由理論分析和計(jì)算模擬表明[5],晶界的過剩體積（相對(duì)完整晶格）是描述晶體能態(tài)最合理的一個(gè)參量，它也是晶界的一個(gè)主要的結(jié)構(gòu)參量，反映了界面原子體積相對(duì)于晶內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jì)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(xué)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(jìn)行計(jì)算，從而得到晶界的熱力學(xué)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(jié)合能與晶格常數(shù)之間的關(guān)系，并以證實(shí)，該理論對(duì)由納米晶界面過剩體積所產(chǎn)生的晶內(nèi)負(fù)壓給予了很好的解釋。

結(jié)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(duì)溫度T為變量，納米晶界面處單位原子的基本熱力學(xué)函數(shù)焓、熵和吉布斯自由能的表達(dá)式分別為[1]：

(4)

(5)

(6)式中下標(biāo)b表示晶界。其中，參量E由下式確定[7]：

(7)為平衡態(tài)結(jié)合能，可根據(jù)線膨脹系數(shù)和體彈性模量的關(guān)系式[8]計(jì)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(dòng)頻率和原子體積之間關(guān)系的一個(gè)函數(shù)，由下式計(jì)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(duì)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(shí)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(shí)的體彈性模量和體膨脹系數(shù)。

至此，由以上公式可以計(jì)算出納米晶界面的焓、熵和吉布斯自由能，詳細(xì)的表達(dá)式如下：

(17)

(18)

(19)

上式中：

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

四、內(nèi)部熱力學(xué)函數(shù)分析

將納米晶粒內(nèi)部晶體的性質(zhì)等同于粗晶，可以根據(jù)塊體材料的熱力學(xué)函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。由經(jīng)典熱力學(xué)理論，完整晶體中原子的自由焓、熵和吉布斯自由能表達(dá)式分別為：

(27)(28)(29)

式中下標(biāo)i表示晶體內(nèi)部，計(jì)算中完整晶體的等壓熱容（Cp）的數(shù)據(jù)取決于SGTE熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。

五、整體熱力學(xué)函數(shù)分析

引入納米晶界面上的原子分?jǐn)?shù)xb作為權(quán)重，整體納米材料的熱力學(xué)函數(shù)可以表達(dá)為：(30)

(31)

(32)

這樣就得到了整體納米材料的熱力學(xué)函數(shù)的表達(dá)式。焓、熵和吉布斯自由能是材料熱力學(xué)研究中重要的參數(shù)，材料的制備，反應(yīng)方向和材料相變的預(yù)測以及對(duì)復(fù)雜化合物及新材料的熱力學(xué)性質(zhì)的測定等都可以通過這3個(gè)參量的計(jì)算而得出，因此上述的計(jì)算結(jié)果對(duì)于納米材料的研究具有十分重要的指導(dǎo)意義。

六、總結(jié)

本文在應(yīng)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(xué)特性的基礎(chǔ)上，發(fā)展了納米晶整體材料熱力學(xué)函數(shù)的計(jì)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(dá)式，由此可以定量預(yù)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(xué)應(yīng)用展望

納米晶材料的特殊性能是由其化學(xué)組成、界面結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生微細(xì)組織的制備過程等共同決定的，是與納米結(jié)構(gòu)和組織形成及轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)緊密聯(lián)系的。然而，相對(duì)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(yīng)用于塊體材料的傳統(tǒng)熱力學(xué)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(xué)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(xué)函數(shù)及其在相變熱力學(xué)中的應(yīng)用[A].第五屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)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(xué)特性.[J].物理學(xué)報(bào)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(xué)特性的模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究[A].2005年全國計(jì)算材料、模擬與圖像分析學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2005

第五篇：工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)大綱

【工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)】實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱

【課程代碼】

1703351

【課程類別】

專業(yè)實(shí)踐

【學(xué)

分】

【學(xué)

時(shí)】

【適用專業(yè)】油氣儲(chǔ)運(yùn)工程

【教學(xué)目的】

1．加強(qiáng)并鞏固對(duì)恒沸精餾過程的理解，熟悉實(shí)驗(yàn)精餾塔的構(gòu)造，掌握精餾操作方法；

【教學(xué)要求】

1．實(shí)驗(yàn)前學(xué)生必須進(jìn)行預(yù)習(xí)，預(yù)習(xí)報(bào)告經(jīng)教師批閱后，方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2．實(shí)驗(yàn)3-4人1組，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，由學(xué)生獨(dú)立完成，出現(xiàn)問題，教師要引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立分析、解決，不得包辦代替。

3．任課教師要認(rèn)真上好每一堂課，實(shí)驗(yàn)前清點(diǎn)學(xué)生人數(shù)，實(shí)驗(yàn)中按要求做好學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況及結(jié)果記錄，實(shí)驗(yàn)后認(rèn)真填寫實(shí)驗(yàn)開出記錄。

【課程安排】

序號(hào)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱

學(xué)時(shí)分配

每組人數(shù)

實(shí)驗(yàn)類別

實(shí)驗(yàn)類型

實(shí)驗(yàn)要求

恒沸精餾過程

3-5

基礎(chǔ)

設(shè)計(jì)性

必做

[設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)]

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1．加強(qiáng)并鞏固對(duì)恒沸精餾過程的理解；

2．熟悉實(shí)驗(yàn)精餾塔的構(gòu)造，掌握精餾操作方法；

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1．夾帶劑的選擇；

本實(shí)驗(yàn)采用正己烷為恒沸劑制備無水乙醇；

2、決定精餾區(qū)；

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(fā)度比較低，則應(yīng)在加料板的上部加入，若夾帶劑的揮發(fā)度比較高，_則應(yīng)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(xù)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(jì)算可利用三角形相圖按物料平衡式求解之。

儀器與用品：

臺(tái)秤，1臺(tái)；分液漏斗，1個(gè)；500ml燒杯，2個(gè)；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(shí)行“實(shí)驗(yàn)報(bào)告＋操作＋操作考試”相結(jié)合；

3．成績?cè)u(píng)定：

本課程采用平時(shí)成績、期末成績，綜合評(píng)定學(xué)生成績。

平時(shí)成績=預(yù)習(xí)報(bào)告占20%，實(shí)際操作30%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告50%。

實(shí)驗(yàn)成績=操作考試成績。

總評(píng)成績＝平時(shí)成績40%+期末成績60％

【參考書目】

[1]

李衛(wèi)宏，劉達(dá).化工原理實(shí)驗(yàn).吉林：吉林大學(xué)出版社，2014.[2]

牟宗剛.化工原理實(shí)驗(yàn).北京：科學(xué)出版社，2017.[3]

張金利，郭翠梨，胡瑞杰等.化工原理實(shí)驗(yàn).天津：天津大學(xué)出版社，2016.[4]

葉向群，單巖.化工原理實(shí)驗(yàn)及虛擬仿真.北京：科學(xué)出版社，2017.制定人：XXX

審核人：XXX