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。

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1公式与方法

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

能量衡算

显热: Q = ṁ·c_p·ΔT
潜热: Q = ṁ·h_fg
混合: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
水: c_p ≈ 4.18 kJ/(kg·K)

热机和制冷机

效率: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
卡诺效率: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
制冷机 COP: COP_R = Q_C/W
热泵 COP: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
能量衡算: Q_H = W + Q_C

气体动力循环

等熵，体积比: T₂/T₁ = r^k−1
等熵，压力比: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
奥托循环效率: η = 1 − 1/r^k−1
狄塞尔循环效率: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
布雷顿循环效率: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
吸热量: 奥托：c_v(T₃ − T₂) 狄塞尔、布雷顿：c_p(T₃ − T₂)
布雷顿循环净功: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
等熵效率: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
冷空气标准: k = 1.4, c_p = 1.005, c_v = 0.718 kJ/(kg·K)

2练习题

1.理想气体定律中等

270 g CO₂在 300 kPa 和 100 °C 下占多少体积 V？按理想气体处理。

m = 270 gM = 44.01 g/molP = 300 kPaT = 100 °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CO₂在 850 kPa 和 130 °C 下的密度 ρ。

M = 44.01 g/molP = 850 kPaT = 130 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.能量衡算中等

热乙二醇混合液在无热损失的逆流换热器中冷却水。求水的出口温度 t_out。

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 80 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °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 15% 散失到环境中。求所需的水流量 ṁ_c。

ṁ_h = 0.5 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 60 °Ct: 15 → 65 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)损失 = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.热机和制冷机中等

一台热机在 525 °C 的高温热源和 5 °C 的低温热源之间工作。它吸收 3900 kJ 热量。求它最多能输出的功 W_max。

T_H = 525 °CT_L = 5 °CQ_H = 3900 kJ

W_max = kJ

6.热机和制冷机困难

一台卡诺热机从 850 °C 的热源吸收 120 kW 热量，并向 20 °C 的环境放热。它的全部功用于驱动一台卡诺制冷机，该制冷机从 -10 °C 的冷冻室排出热量，也向 20 °C 的环境放热。求从冷冻室排出热量的速率 Q̇_L。

T_H = 850 °CT₀ = 20 °CT_L = -10 °CQ̇_H = 120 kW

Q̇_L = kW

7.气体动力循环中等

一个理想狄塞尔循环的压缩比 r = 15，预胀比 r_c = v₃/v₂ = 1.8。压缩开始时空气温度为 290 K。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，c_p = 1.005 kJ/(kg·K)，c_v = 0.718 kJ/(kg·K)。求每千克空气的吸热量 q_in，以 kJ/kg 计。

r = 15r_c = 1.8T₁ = 290 Kk = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.气体动力循环困难

一座燃气轮机电站按布雷顿循环运行，压气机压比为 20。空气以 310 K 进入压气机，以 1200 K 进入涡轮。两台机器都是等熵的。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，c_p = 1.005 kJ/(kg·K)，c_v = 0.718 kJ/(kg·K)。求每千克空气的净输出功 w_net，以 kJ/kg 计。

r_p = 20T₁ = 310 KT₃ = 1200 Kk = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3溶液

1.理想气体定律

答案: V = 63.44 L

理想气体定律：PV = nRT，其中 n = m/M。

物质的量

n = 270/44.01 = 6.135 mol

T = 100 + 273.15 = 373.1 K

体积

V = nRT/P = 6.135·8.314·373.1/300 = 63.44 L

答案

V = 63.44 L

2.理想气体定律

答案: ρ = 11.16 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 = 130 + 273.15 = 403.1 K

密度

ρ = 850·44.01/(8.314·403.1) = 11.16 kg/m³

答案

ρ = 11.16 kg/m³

3.能量衡算

答案: t_out = 87.51 °C

换热器能量衡算：无损失时 ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in)。

热流体放出的热量

Q = 2·3.6·(170 − 80) = 648 kW

水吸收的热量

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 648/(2·4.18) = 87.51 °C

答案

t_out = 87.51 °C

4.能量衡算

答案: ṁ_c = 0.3969 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

Q_h = 0.5·2.44·(140 − 60) = 97.6 kW

传给水的热量

Q_c = (1 − 0.15)·97.6 = 82.96 kW

水流量

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 82.96/(4.18·50) = 0.3969 kg/s

答案

ṁ_c = 0.3969 kg/s

5.热机和制冷机

答案: W_max = 2541 kJ

第二定律的限制：在绝对温度为 T_H 和 T_L 的热源之间工作的任何循环都不能超过可逆（卡诺）循环：η_max = 1 − T_L/T_H，COP_R,max = T_L/(T_H − T_L)，COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L)。能量总是守恒：Q_H = W + Q_L。

绝对温度

T_H = 525 + 273.15 = 798.1 K

T_L = 5 + 273.15 = 278.1 K

卡诺效率

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 278.1/798.1 = 65.15 %

最大功

W_max = η_max·Q_H = 0.6515·3900 = 2541 kJ

答案

W_max = 2541 kJ

6.热机和制冷机

答案: Q̇_L = 777.9 kW

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures T_H and T_L can beat the reversible (Carnot) cycle: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) and COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energy is always conserved: Q_H = W + Q_L.

绝对温度

T_H = 850 + 273.15 = 1123 K

T₀ = 20 + 273.15 = 293.1 K

T_L = -10 + 273.15 = 263.1 K

热机的功

η = 1 − 293.1/1123 = 0.739

Ẇ = 0.739·120 = 88.68 kW

制冷机排出的热量

COP_R = 263.1/(293.1 − 263.1) = 8.772

Q̇_L = 8.772·88.68 = 777.9 kW

答案

Q̇_L = 777.9 kW

7.气体动力循环

答案: q_in = 688.8 kJ/kg

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 r_c = v₃/v₂ 时：T₂ = T₁·r^k−1，T₃ = r_c·T₂，q_in = c_p·(T₃ − T₂)，η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1))。

温度

T₂ = 290·15^0.4 = 856.7 K

T₃ = 1.8·856.7 = 1542 K

定压吸热量

q_in = 1.005·(1542 − 856.7) = 688.8 kJ/kg

答案

q_in = 688.8 kJ/kg

8.气体动力循环

答案: w_net = 271.9 kJ/kg

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 r_p = P₂/P₁ 时：T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k，T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k，η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k。净功 w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]。考虑等熵效率时，压气机需要 w_s/η_c，涡轮输出 η_t·w_s。

等熵温度

T₂ = 310·20^0.2857 = 729.6 K

T₄ = 1200/20^0.2857 = 509.9 K

压气机功和涡轮功

w_c = 1.005·(729.6 − 310) = 421.7 kJ/kg

w_t = 1.005·(1200 − 509.9) = 693.6 kJ/kg

净功

w_net = 693.6 − 421.7 = 271.9 kJ/kg

答案

w_net = 271.9 kJ/kg

回功比：w_c/w_t = 60.8%。

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