-
绪章概述
简要介绍了工程热力学的研究对象、学习内容、课程特点及学习方法，目的是让大家对这门课程有个概貌性的了解，高效地学好工程热力学这门课程
-
●0.1概述
简要介绍了工程热力学的研究对象、学习内容、课程特点及学习方法，目的是让大家对这门课程有个概貌性的了解，高效地学好工程热力学这门课程
-
第一章基本概念
工程热力学是从实践经验中总结概括起来的，有许多抽象的术语和概念，工程热力学专门列出一章，介绍一些基本概念，正确理解这些概念术语的意义以及相关约定，为有效地掌握热力学的分析方法和后续学习内容打下良好的基础。
本章先通过热能转变为机械能的过程引出了热能动力装置、热机、工质、热源、热力系统等概念；为了能简单地描述系统，引进了平衡状态、基本状态参数、状态参数坐标图等概念和术语。能量的转换是通过状态的变化即过程来实现的，所以又有了准平衡过程、可逆过程、过程功和过程热量。实用的热机必须连续不断地做功，又引出了热力循环的概念。 -
●1.1热能转变为机械能的过程
介绍了燃气动力装置和蒸汽动力装置中热能转变为机械能的过程。通过转变过程，总结出热能转变为机械能的共性规律，抽象出热能动力装置、热机、工质与热源几个概念。热能动力装置的工作可以概括为：工质从高温热源吸热，在热机中将其中一部分转化为机械能，把另一部分热能传给低温热源。
-
●1.2热力系统
工程上的能量转换装置一般都很复杂，而我们关心的往往只是其中某个设备，为分析问题方便，和力学中取分离体一样，在工程热力学中，我们常常把要分析的对象从周围物体中分离出来，这个被人为选定的热力学分析对象，称为热力系统。
介绍了热力系统的概念及其分类。根据系统和外界之间的能量和物质交换情况，热力系统可以分为：闭口系统、 开口系统、绝热系统和孤立系统。 -
●1.3状态参数
在热力学中，常用的状态参数有压力、温度、比体积、热力学能、焓、熵等。本知识点介绍了温度、压力、比体积三个基本状态参数，以及状态参数的分类和特征。
-
●1.4平衡状态
状态由状态参数（温度、压力、密度等）来描述，什么样的状态可以很简单地描述？本知识点介绍了平衡状态的含义、基本状态参数之间的关系—状态方程，以及状态参数坐标图。
-
●1.5准平衡过程
对处于平衡状态的系统传热或者做功，就会破坏原来的平衡状态，状态发生变化，称为热力过程，那么过程如何进行才能描述出来呢？本知识点介绍了准平衡过程的含义、准平衡过程的提出的实际意义、实现准平衡过程的条件、以及实际工程过程的处理。
-
●1.6可逆过程
热能和机械能的相互转化必须通过工质的状态变化过程才能实现，而在实际设备中进行的过程都是很复杂的，而且实际过程都是不可逆的。只有可逆过程不引起任何热力学损失，是一切实际过程的理想极限。介绍了可逆过程的概念，实现可逆过程的条件以及研究可逆过程的意义。
-
●1.7过程功
工程热力学是研究热能与机械能之间的相互转换，即热功转换。本小节介绍了可逆过程中体积变化功w的计算、功的正负及过程功w在p-v图中的表示。
-
●1.8过程热量
能量交换的方式有两种——作功和传热。本小节介绍了热量正负的约定、过程热量q在T-s图中的表示，并由可逆工程中热量的计算导出了熵的定义式。
-
●1.9热力循环
热能转变为机械能的循环称为正向循环（动力循环或热机循环），介绍了正向循环的特点、能量转换关系及热效率的计算；在消耗机械能的逆向循环（制冷循环或热泵循环）中，介绍了逆向循环的特点、能量转换关系及制冷系数（或热泵系数）的计算。
-
第二章热力学第一定律
热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象中的应用，它确定了热能和机械能转化时数量上的关系，是工程热力学的主要理论基础之一。本章主要讨论热力学第一定律的实质及其应用。
-
●2.1热力学第一定律的实质
能量守恒与转换定律是自然界的基本规律之一。热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象中的应用，它确定了热力过程中热力系统与外界进行能量交换时，各种形态的能量在数量上的守恒关系。
-
●2.2热力学能和总能
热力系统的总储存能(总能)包括宏观动能和宏观位能以及热力学能。本小节介绍了热力学能、总能的概念；热力学能是状态参数，满足状态参数的特征。
-
●2.3闭口系统能量方程式
热力学第一定律的能量方程式是系统变化过程中的能量平衡方程式。闭口系没有质量穿越边界，故系统总能的变化仅为热力学能的变化。本小节介绍了闭口系(控制质量)能量方程式；闭口系完成一个循环后，循环净热与循环净功。
-
●2.4推动功和焓
若不计宏观动能和宏观位能，本课程范围内能量与质量(热力学能)与物质的迁移(推动功)密不可分。对于开口系统，工质流进流出系统的能量涉及工质的热力学能和推动功，引入焓的概念。本小节介绍了推动功的概念，焓的定义式，焓的物理意义。
-
●2.5稳定流动能量方程
稳定流动能量方程反映工质在稳定流动过程中能量转换的一般规律。本小节介绍了稳定流动过程的定义，实现稳定流动的必要条件，稳定流动能量方程。
-
●2.6技术功
如果计及宏观动能和宏观位能的变化，系统与外界可以交换的技术上可资利用的功称为技术功。本小节介绍了引入技术功后的稳定流动能量方程表达式；技术功与内部功的关系；技术功与容积变化功的关系；可逆过程技术功的表达式；技术功在p-V图上的表示。
-
●2.7能量方程的应用
热力学第一定律能量方程式可用于计算任何过程中能量的传递和转化。具体建立能量方程时需注意针对具体的系统，根据具体问题的不同条件，做出某种假定和简化。
本小节介绍了稳定流动能量方程式在动力机械、压缩机械、换热器、流动管道及绝热节流中的简化和应用。
-
第三章理想气体的性质
热力学围绕热能与机械能转化进行，实现热能与机械能转化离不开工质。常用工质有气体和蒸汽。本章围绕理想气体热力性质展开，重点讲述理想气体的概念、理想气体热力学能、焓、熵、比热等。为量化计算热能与机械能转化奠定基础。
-
●3.1理想气体的概念
引入理想气体的两条基本假设，分析理想气体存在的条件，归纳可以看做理想气体处理的实际气体，总结理想气体的热力学能与焓是温度的单值函数。
-
●3.2理想气体状态方程
讲解理想气体状态方程，强调基于质量表示的理想气体状态方程的含义、符号、单位，对比摩尔表示的理想气体状态方程，引出气体常数和通用气体常数关系。
-
●3.3理想气体的比热容
基于比热容的概念，强调比热容与工质种类和过程有关，引出定压比热和定容比热，推导定压比热和定容比热关系式，后续引出迈耶公式和比热容比。
-
●3.4利用比热容计算热量
介绍了利用比热容计算热量的几种方法：真实比热容法、直线关系式法、平均比热容法、定值比热容法。
-
●3.5理想气体的热力学能和焓
推导理想气体热力学能和焓的表达式，强调状态量的特性。
-
●3.6理想气体的熵
基于可逆熵的微元表达，推导理想气体熵的表达式，强低昂熵的状态量特性。
-
●3.7理想混合气体
介绍理想混合气体的性质。主要内容包括：混合气体的质量分数、摩尔分数及两者的关系；平均气体常数的计算、平均摩尔质量的计算等；热力学能、焓、熵与混合气体成分之间的关系。
-
第四章理想气体的基本热力过程
热力学围绕热能与机械能转化进行，实现热能与机械能转化离不开工质的状态变化，工质状态变化即热力过程。本章重点讲解四个基本热力过程（定压过程、定容过程、定温过程和定熵过程）及多变过程，重点分析以上各过程在p-v图 T-s图上表示，重点掌握利用p-v图 T-s图判断各状态量和过程量的符号。
-
●4.1热力过程研究方法与目的
讲解热力过程研究的基本步骤：通过过程方程式确定初终时刻状态参数、基于工质理想过程可逆计算状态量和过程量、将热力过程表示在p-v图 T-s图。分析能量转化。
-
●4.2定容过程
引出定容过程概念，推导过程方程式，计算状态量和过程量，并将过程表示在在p-v图 T-s图，分析能量转化。
-
●4.3定压过程
引出定压过程概念，推导过程方程式，计算状态量和过程量，并将过程表示在在p-v图 T-s图，分析能量转化。对比定压过程和定容过程在p-v图 T-s相对位置关系。
-
●4.4定温过程
引出定温过程概念，推导过程方程式，计算状态量和过程量，并将过程表示在在p-v图 T-s图，分析能量转化。
-
●4.5绝热过程
引出绝热过程概念，讲解绝热过程和定熵过程的关系，推导过程方程式，计算状态量和过程量，并将过程表示在在p-v图 T-s图，分析能量转化。对比定温度过程和定熵过程在p-v图 T-s相对位置关系。
-
●4.6多变过程
引出多变过程概念，讲解绝热过程和定熵过程的关系，推导过程方程式，计算状态量和过程量，并将过程表示在在p-v图 T-s图。
-
●4.7多变热力过程特性分析
利用等温线判断过程的温度、热力学能、焓的变化方向；利用等压线判断压力、技术工的变化方向；利用定容线判断体积、体积功的变化方向；利用定熵线判断熵、热量的发展方向。
-
第五章热力学第二定律
本章介绍了热力学第二定律的实质及表述，热力学第二定律的各种形式的数学表达式，给出过程能否实现的数学判据。热力学第第二定律是工程热力学的核心内容，阐明了能量不但有“数量”的多少，而且有“质”的高低。
-
●5.1热力学第二定律的表述
讲述克劳修斯和开尔文对热力学第二定律的表述，分析他们的等效性。
-
●5.2卡诺循环
通过实例讲述卡诺循环的过程，并表示在p-v图 T-s图上，强调该过程的理想化特性。
通过卡诺循环的特性，分析循环中各个过程的特性，结合一般循环热效率计算公式，推导卡诺循环热效率，强调卡诺循环热效率的极限、与工质无关的特性。 -
●5.3逆向卡诺循环
以制冷和制热为例，讲解逆向卡诺循环，推导卡诺制冷系数、卡诺制热效率的表达式，并对其进行分析。
-
●5.4概括性卡诺循环和多热源的可逆循环
介绍了概括性卡诺循环的循环过程以及热效率的计算，给出了提高热效率的途径—回热，回热在实际工程经常采用，现代大功率的汽轮机毫无例外地采用回热循环。
分析了多热源可逆循环的特点和热效率，其热效率小于相同温限范围内卡诺循环的热效率，原因是平均吸热温度低于吸热的最高温度，平均放热温度高于放热的最低温度。 -
●5.5卡诺定理
介绍了卡诺定理一及定理二，并用数学表示式表示出了卡诺定理。
-
●5.6克劳修斯积分关系式
基于卡诺定理推论一推导克劳修斯等式，强调表达式中符号意义，表示式的应用。
基于卡诺定理推论二推导克劳修斯不等式，强调表达式中符号意义。综合克劳修斯等式和不等式，强调不等号、等号的条件，强调应用。 -
●5.7孤立系统熵增原理
引出孤立系统的概念，基于克劳修斯不等式，推导孤立系统熵增原理，解释说明孤立系统熵增意义，强调应用。
-
●5.8㶲参数的基本概念
本小节从能量的可转换性评价能量的品质，引入了火用和火无的概念及意义。
-
●5.9热量㶲的计算
本小节分析讨论了恒温热源和变温热源两种情况的热量火用计算，从做功能力的角度看，不同温度的物体传出的热有品位高低。
-
●5.10能量贬值原理
能量贬值就是火用损或火无增，其本质即不可逆因素程度的度量，等同于孤立系的熵增，反映了热力学第二定律的实质。
-
第六章水蒸气的性质与热力过程
介绍了实际工质的代表——水蒸气的性质、定压加热汽化过程、水和水蒸气表的应用及水蒸气的4个基本热力过程。
-
●6.1水的饱和状态
结合水的p-T图讲解水和水蒸气的基本性质，介绍饱和的概念及饱和温度与饱和压力的一一对应关系。
-
●6.2水的定压加热汽化过程
本小节介绍水蒸气的定压产生过程，讲解水定压汽化过程中经历的5种集态，定压加热汽化过程在p-v图和T-s图上的表示。
-
●6.3水和水蒸气状态参数的确定
本小节介绍水和水蒸气状态参数的确定，重点讲解湿饱和蒸汽状态参数的计算方法。
-
●6.4水和水蒸气表
本小节介绍水和水蒸气表的使用方法，讲解饱和水和干饱和蒸汽表、未饱和水和过热蒸汽表。
-
●6.5水蒸气的基本热力过程
本小节介绍水蒸气的基本热力过程，重点讲解水蒸气的定压过程和定熵过程，介绍在过程中的热功转换特点。
-
第七章气体和蒸汽的流动
本章以热力学的观点，围绕着工程中气体与蒸汽在管路设备中，如喷管、扩压管、节流阀等，的流动及流动现象进行分析讨论，其实质依然反映着热能与机械能之间的传递与转化。
首先描述了一维可逆绝热稳定流动的基本方程；并研究分析了促使流速改变的力学条件和几何条件，揭示了喷管（扩压管）内参数变化规律；随后计算分析了喷管的出口流速和流量，以及喷管的设计计算；然后考虑实际流动是有摩阻的，有能量耗散发生，提出了速度系数、能量损失系数、喷管效率等概念；最后讨论分析了节流现象的特点、节流效应及节流的主要工程应用。 -
●7.1稳定流动的基本方程式
气体与蒸汽在管道内的流动可简化假设为：一维可逆绝热稳定流动。本小节描述了该流动模型下基本方程：连续性方程（质量守恒）、过程方程、能量方程及声速方程，讨论分析了热力学状态参数、流动参数及管道截面积之间的关系。
-
●7.2促使流速改变的条件
本小节利用稳定流动基本方程推导出促使流速改变的力学条件和几何条件，揭示喷管和扩压管的实质。
-
●7.3喷管截面变化规律
气流截面积的变化规律不但与流速的变化有关，还与当地马赫数有关。本小节以喷管为例，讨论分析了喷管内参数变化规律，得出渐缩、渐扩和缩放三种截面变化的喷管。特别是缩放喷管的最小截面（喉部截面或临界截面）参数特点及意义。
-
●7.4有摩阻的绝热流动
实际气流在喷管内的流动存在摩擦，流动过程中发生能量耗散，本小节即在喷管内可逆绝热流动计算分析结果的基础上，分别对出口流速和出口动能进行修正。
-
●7.5喷管的计算
无论是设计计算还是校核计算，必须先计算流体在喷管出口的流速。设计计算是已知流量确定喷管的形状和尺寸，首先需要计算流速，再选择喷管形状并根据给定的流量计算需要的喷管面积。
-
●7.6绝热节流
本小节重点分析了管道内发生的绝热节流现象的特点和节流效应。
-
●7.7喷管特性实验
实验简介：
1、巩固和验证气流在喷管中流动规律的基本理论；
2、了解气流在喷管流动中的压力、流量的变化规律和测量方法；
3、深入理解临界压力、临界流速和最大流量等喷管临界参数的概念。
-
第八章压气机的热力过程
以活塞式压气机为重点，分析压缩气体生产过程的热力学特性。介绍压气机耗功的计算、余隙容积的影响、单级压缩的不足和多级压缩与级间冷却的优点、最佳增压比等。
-
●8.1单级活塞式压气机的工作过程
介绍了单级活塞式压气机压缩气体的生产过程，分析压气机的耗功为技术功。
-
●8.2不同压气过程的讨论
将压气机内可能的压气过程表示在p-v图和T-s图上，并分析不同压气过程的耗功、压缩气体的比体积和压缩气体的终温，得出等温压缩是最理想的压缩过程。
-
●8.3余隙容积
本小节介绍为什么存在余隙容积，引入气缸排量、余隙容积、有效吸气容积的概念，并介绍余隙容积存在时实际压气过程是如何进行的。
-
●8.4余隙容积的影响
本小节介绍余隙容积对单位时间产气量和压气机耗功的影响，分析得出余隙容积会影响单位时间内的产气量但不影响单位质量压缩气体的理论耗功量。
-
●8.5多级压缩与级间冷却
本小节介绍多级压缩与级间冷却的工作过程，讲解多级压缩的优点、最佳增压比和最小耗功量的计算。