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
370 g N₂在 800 kPa 和 95 °C 下占多少体积 V？按理想气体处理。
m = 370 gM = 28.01 g/molP = 800 kPaT = 95 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
2.理想气体定律困难
一定量的CH₄从 100 kPa、2 L、40 °C 变化到 450 kPa 和 100 °C。求新的体积 V2。
P1 = 100 kPaV1 = 2 LT1 = 40 °CP2 = 450 kPaT2 = 100 °C
V2 = L
3.能量衡算中等
热轻油在无热损失的逆流换热器中冷却水。求水的出口温度 tout。
ṁh = 1.5 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 60 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.能量衡算困难
热轻油在换热器中加热水，该换热器将热流体放出热量的 15% 散失到环境中。求所需的水流量 ṁc。
ṁh = 2.5 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 70 °Ct: 25 → 90 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)损失 = 15 %
ṁc = kg/s
5.热机和制冷机中等
一台可逆制冷机通过排出 3 kW 的热量使冷库保持在 2 °C，并向 28 °C 的环境放热。求它放热的速率 Q̇H。
TL = 2 °CTH = 28 °CQ̇L = 3 kW
Q̇H = kW
6.热机和制冷机困难
一台热泵在室外 7 °C 时将房屋保持在 21 °C，向房屋提供 15 kW 热量。 求可能的最高性能系数 COPmax。
TH = 21 °CTL = 7 °CQ̇H = 15 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 = 16，预胀比 rc = v₃/v₂ = 2。 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 = 16rc = 2k = 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 18。 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 = 18k = 1.4
η = %
3溶液
1.理想气体定律
答案: V = 50.54 L
理想气体定律：PV = nRT，其中 n = m/M。
物质的量
n = 370/28.01 = 13.21 mol
T = 95 + 273.15 = 368.1 K
体积
V = nRT/P = 13.21·8.314·368.1/800 = 50.54 L
答案
V = 50.54 L
2.理想气体定律
答案: V2 = 0.5296 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 = 313.1 K, T2 = 373.1 K
联合气体定律
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(100/450)·(373.1/313.1) = 0.5296 L
答案
V2 = 0.5296 L
3.能量衡算
答案: tout = 107.9 °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 = 1.5·2.1·(170 − 60) = 346.5 kW
水吸收的热量
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 346.5/(1·4.18) = 107.9 °C
答案
tout = 107.9 °C
4.能量衡算
答案: ṁc = 1.314 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 = 2.5·2.1·(150 − 70) = 420 kW
传给水的热量
Qc = (1 − 0.15)·420 = 357 kW
水流量
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 357/(4.18·65) = 1.314 kg/s
答案
ṁc = 1.314 kg/s
5.热机和制冷机
答案: Q̇H = 3.283 kW
Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.
绝对温度
TH = 28 + 273.15 = 301.1 K
TL = 2 + 273.15 = 275.1 K
可逆循环的热量比
Q̇H = Q̇L·TH/TL = 3·301.1/275.1 = 3.283 kW
答案
Q̇H = 3.283 kW
输入功率：Ẇ = 0.2835 kW。
6.热机和制冷机
答案: COPmax = 21.01
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 = 21 + 273.15 = 294.1 K
TL = 7 + 273.15 = 280.1 K
可能的最佳 COP
COPHP,max = TH/(TH − TL) = 294.1/(294.1 − 280.1) = 21.01
答案
COPmax = 21.01
7.气体动力循环
答案: η = 61.38 %
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
(21.4 − 1)/(1.4·(2 − 1)) = 1.171
热效率
η = 1 − 0.3299·1.171 = 61.38%
答案
η = 61.38%
8.气体动力循环
答案: η = 56.21 %
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 − 1/180.2857 = 1 − 1/2.284 = 56.21%
答案
η = 56.21%
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