理想气体定律
- 理想气体定律
- pV = nRT
- 气体常数
- R = 8.314 J/(mol·K)
- 联合气体定律
- p1V1/T1 = p2V2/T2
- 物质的量
- n = m/M
- 温度
- T[K] = T[°C] + 273.15
热力学（一）：速成包
公式表、每个专题的关键方法步骤和 8 道练习题，完整解答附在最后。
1公式与方法
能量衡算
- 显热
- Q = ṁ·cp·ΔT
- 潜热
- Q = ṁ·hfg
- 混合
- ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
- 水
- cp ≈ 4.18 kJ/(kg·K)
热机和制冷机
- 效率
- η = W/QH = 1 − QC/QH
- 卡诺效率
- ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
- 制冷机 COP
- COPR = QC/W
- 热泵 COP
- COPHP = QH/W = COPR + 1
- 能量衡算
- QH = W + QC
气体动力循环
- 等熵，体积比
- T2/T1 = rk−1
- 等熵，压力比
- T2/T1 = rp(k−1)/k
- 奥托循环效率
- η = 1 − 1/rk−1
- 狄塞尔循环效率
- η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
- 布雷顿循环效率
- η = 1 − 1/rp(k−1)/k
- 吸热量
- 奥托：cv(T3 − T2) 狄塞尔、布雷顿：cp(T3 − T2)
- 布雷顿循环净功
- w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
- 等熵效率
- wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
- 冷空气标准
- k = 1.4, cp = 1.005, cv = 0.718 kJ/(kg·K)
2练习题
1.理想气体定律中等
容积为 10 L 的容器中装有 40 g He，温度为 10 °C。按理想气体处理，求压强 P。
m = 40 gM = 4.003 g/molV = 10 LT = 10 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
2.理想气体定律困难
一定量的CH₄从 250 kPa、2 L、25 °C 变化到 300 kPa 和 70 °C。求新的体积 V2。
P1 = 250 kPaV1 = 2 LT1 = 25 °CP2 = 300 kPaT2 = 70 °C
V2 = L
3.能量衡算中等
热乙醇在无热损失的逆流换热器中冷却水。求水的出口温度 tout。
ṁh = 3 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 130 °Cṁc = 1.5 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.能量衡算困难
热乙二醇混合液在换热器中加热水，该换热器将热流体放出热量的 5% 散失到环境中。求所需的水流量 ṁc。
ṁh = 1 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 90 °Ct: 30 → 45 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)损失 = 5 %
ṁc = kg/s
5.热机和制冷机中等
一台热机在 800 °C 的高温热源和 20 °C 的低温热源之间工作。 求可能的最高热效率 ηmax。
TH = 800 °CTL = 20 °C
ηmax = %
6.热机和制冷机困难
一台冰箱在 32 °C 的厨房中将冷藏室保持在 -10 °C，以 5 kW 从冷藏室移走热量。 求可能的最高性能系数 COPmax。
TH = 32 °CTL = -10 °CQ̇L = 5 kW
COPmax =
7.气体动力循环中等
一个理想狄塞尔循环的压缩比 r = 20，预胀比 rc = v₃/v₂ = 1.5。 采用冷空气标准假设：空气为比热容恒定的理想气体，k = 1.4，cp = 1.005 kJ/(kg·K)，cv = 0.718 kJ/(kg·K)。 求其热效率 η，以百分比计。
r = 20rc = 1.5k = 1.4
η = %
8.气体动力循环困难
一个理想布雷顿循环的压气机压比为 15。 采用冷空气标准假设：空气为比热容恒定的理想气体，k = 1.4，cp = 1.005 kJ/(kg·K)，cv = 0.718 kJ/(kg·K)。 求其热效率 η，以百分比计。
rp = 15k = 1.4
η = %
3溶液
1.理想气体定律
答案: P = 2352 kPa
理想气体定律：PV = nRT，其中 n = m/M。
物质的量
n = m/M = 40/4.003 = 9.993 mol
T = 10 + 273.15 = 283.1 K
压强
P = nRT/V = 9.993·8.314·283.1/0.01 = 2352 kPa
答案
P = 2352 kPa
2.理想气体定律
答案: V2 = 1.918 L
联合气体定律：对一定量的理想气体，P1V1/T1 = P2V2/T2。
绝对温度
T1 = 298.1 K, T2 = 343.1 K
联合气体定律
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(250/300)·(343.1/298.1) = 1.918 L
答案
V2 = 1.918 L
3.能量衡算
答案: tout = 83.37 °C
换热器能量衡算：无损失时 ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)。
热流体放出的热量
Q = 3·2.44·(180 − 130) = 366 kW
水吸收的热量
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 366/(1.5·4.18) = 83.37 °C
答案
tout = 83.37 °C
4.能量衡算
答案: ṁc = 4.364 kg/s
有损失的能量衡算：放出热量 = 吸收热量 + 损失热量。
放出热量
Qh = 1·3.6·(170 − 90) = 288 kW
传给水的热量
Qc = (1 − 0.05)·288 = 273.6 kW
水流量
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 273.6/(4.18·15) = 4.364 kg/s
答案
ṁc = 4.364 kg/s
5.热机和制冷机
答案: ηmax = 72.68 %
第二定律的限制：在绝对温度为 TH 和 TL 的热源之间工作的任何循环都不能超过可逆（卡诺）循环：ηmax = 1 − TL/TH，COPR,max = TL/(TH − TL)，COPHP,max = TH/(TH − TL)。能量总是守恒：QH = W + QL。
绝对温度
TH = 800 + 273.15 = 1073 K
TL = 20 + 273.15 = 293.1 K
卡诺效率
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 293.1/1073 = 72.68 %
答案
ηmax = 72.68 %
6.热机和制冷机
答案: COPmax = 6.265
第二定律的限制：在绝对温度为 TH 和 TL 的热源之间工作的任何循环都不能超过可逆（卡诺）循环：ηmax = 1 − TL/TH，COPR,max = TL/(TH − TL)，COPHP,max = TH/(TH − TL)。能量总是守恒：QH = W + QL。
绝对温度
TH = 32 + 273.15 = 305.1 K
TL = -10 + 273.15 = 263.1 K
可能的最佳 COP
COPR,max = TL/(TH − TL) = 263.1/(305.1 − 263.1) = 6.265
答案
COPmax = 6.265
7.气体动力循环
答案: η = 67.07 %
狄塞尔循环（压燃式发动机）：1→2 等熵压缩，2→3 定压加热，3→4 等熵膨胀，4→1 定容放热。压缩比 r = v₁/v₂、预胀比 rc = v₃/v₂ 时：T₂ = T₁·rk−1，T₃ = rc·T₂，qin = cp·(T₃ − T₂)，η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1))。
预胀比项
(1.51.4 − 1)/(1.4·(1.5 − 1)) = 1.092
热效率
η = 1 − 0.3017·1.092 = 67.07%
答案
η = 67.07%
8.气体动力循环
答案: η = 53.87 %
布雷顿循环（燃气轮机）：1→2 等熵压缩，2→3 定压加热，3→4 在涡轮中等熵膨胀，4→1 定压放热。压比 rp = P₂/P₁ 时：T₂ = T₁·rp(k−1)/k，T₄ = T₃/rp(k−1)/k，η = 1 − 1/rp(k−1)/k。净功 w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]。考虑等熵效率时，压气机需要 ws/ηc，涡轮输出 ηt·ws。
热效率
η = 1 − 1/150.2857 = 1 − 1/2.168 = 53.87%
答案
η = 53.87%
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