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
340 g O₂在 550 kPa 和 40 °C 下占多少体积 V？按理想气体处理。
m = 340 gM = 32 g/molP = 550 kPaT = 40 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
2.理想气体定律困难
按理想气体处理，求CH₄在 200 kPa 和 10 °C 下的密度 ρ。
M = 16.04 g/molP = 200 kPaT = 10 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
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 = 2 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 100 °Cṁc = 0.5 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.能量衡算困难
热乙醇在换热器中加热水，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 = 1.5 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 80 °Ct: 25 → 80 °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 775 °C 的高温热源和 10 °C 的低温热源之间工作。 求可能的最高热效率 ηmax。
TH = 775 °CTL = 10 °C
ηmax = %
6.热机和制冷机困难
一台热泵从 5 °C 的热源吸热，向 35 °C 的供暖系统提供 11.5 kW 的热量。其实际 COP 为这两个温度之间卡诺 COP 的 60%。求它消耗的电功率 Ẇ。
TH = 35 °CTL = 5 °CηII = 60%Q̇H = 11.5 kW
Ẇ = kW
7.气体动力循环中等
一个理想狄塞尔循环的压缩比 r = 18，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 = 18rc = 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 14。 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 = 14k = 1.4
η = %
3溶液
1.理想气体定律
答案: V = 50.3 L
理想气体定律：PV = nRT，其中 n = m/M。
物质的量
n = 340/32 = 10.63 mol
T = 40 + 273.15 = 313.1 K
体积
V = nRT/P = 10.63·8.314·313.1/550 = 50.3 L
答案
V = 50.3 L
2.理想气体定律
答案: ρ = 1.363 kg/m³
理想气体密度：ρ = PM/(RT)。
整理气体定律
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 10 + 273.15 = 283.1 K
密度
ρ = 200·16.04/(8.314·283.1) = 1.363 kg/m³
答案
ρ = 1.363 kg/m³
3.能量衡算
答案: tout = 115.5 °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 = 2·2.1·(150 − 100) = 210 kW
水吸收的热量
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 210/(0.5·4.18) = 115.5 °C
答案
tout = 115.5 °C
4.能量衡算
答案: ṁc = 1.512 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 = 1.5·2.44·(180 − 80) = 366 kW
传给水的热量
Qc = (1 − 0.05)·366 = 347.7 kW
水流量
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 347.7/(4.18·55) = 1.512 kg/s
答案
ṁc = 1.512 kg/s
5.热机和制冷机
答案: ηmax = 72.99 %
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 = 775 + 273.15 = 1048 K
TL = 10 + 273.15 = 283.1 K
卡诺效率
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 283.1/1048 = 72.99 %
答案
ηmax = 72.99 %
6.热机和制冷机
答案: Ẇ = 1.866 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 = 35 + 273.15 = 308.1 K
TL = 5 + 273.15 = 278.1 K
卡诺 COP 和实际 COP
COPmax = 308.1/(308.1 − 278.1) = 10.27
COP = 0.6·10.27 = 6.163
输入功率
Ẇ = Q̇H/COP = 11.5/6.163 = 1.866 kW
答案
Ẇ = 1.866 kW
7.气体动力循环
答案: η = 63.16 %
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 − 0.3147·1.171 = 63.16%
答案
η = 63.16%
8.气体动力循环
答案: η = 52.95 %
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 − 1/140.2857 = 1 − 1/2.126 = 52.95%
答案
η = 52.95%
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