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·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
20 g ArP = 300 kPaT = 60 °CV = ?

20 g Ar在 300 kPa 和 60 °C 下占多少体积 V？按理想气体处理。

m = 20 gM = 39.95 g/molP = 300 kPaT = 60 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
2.理想气体定律困难
状态 1状态 2

一定量的O₂从 400 kPa、10 L、35 °C 变化到 650 kPa 和 170 °C。求新的体积 V2。

P1 = 400 kPaV1 = 10 LT1 = 35 °CP2 = 650 kPaT2 = 170 °C
V2 = L
3.能量衡算中等
热侧冷侧轻油 · 130 °C100 °C水 · 10 °Ct = ? °C

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: 130 → 100 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.能量衡算困难
热侧冷侧轻油 · 150 °C100 °C水 · 30 °C45 °C · ṁ = ?损失 10%

热轻油在换热器中加热水，该换热器将热流体放出热量的 10% 散失到环境中。求所需的水流量 ṁc。

ṁh = 1 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 100 °Ct: 30 → 45 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)损失 = 10 %
ṁc = kg/s
5.热机和制冷机中等
TH​ = 400 °CTL​ = 35 °CEQH​QL​W

一台热机在 400 °C 的高温热源和 35 °C 的低温热源之间工作。 求可能的最高热效率 ηmax。

TH = 400 °CTL = 35 °C
ηmax = %
6.热机和制冷机困难
TH​ = 21 °CTL​ = 0 °CHPQ̇H​ = 9 kWQ̇L​Ẇ = ?

一台热泵在室外 0 °C 时将房屋保持在 21 °C，向房屋提供 9 kW 热量。 求最小输入功率 Ẇmin。

TH = 21 °CTL = 0 °CQ̇H = 9 kW
Ẇmin = kW
7.气体动力循环中等
vP1234qin​qout​

一个理想狄塞尔循环的压缩比 r = 17，预胀比 rc = v₃/v₂ = 2.2。 压缩开始时空气温度为 320 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，cp = 1.005 kJ/(kg·K)，cv = 0.718 kJ/(kg·K)。 求加热终了时的温度 T3，以 K 计。

r = 17rc = 2.2T1 = 320 Kk = 1.4
T3 = K
8.气体动力循环困难
vP1234qin​qout​

一座燃气轮机电站按布雷顿循环运行，压气机压比为 16。空气以 295 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，cp = 1.005 kJ/(kg·K)，cv = 0.718 kJ/(kg·K)。 求每千克空气的净输出功 wnet，以 kJ/kg 计。

rp = 16T1 = 295 KT3 = 1200 Kk = 1.4cp = 1.005 kJ/(kg·K)
wnet = kJ/kg

3溶液

1.理想气体定律

答案: V = 4.622 L

理想气体定律：PV = nRT，其中 n = m/M。

物质的量

n = 20/39.95 = 0.5006 mol
T = 60 + 273.15 = 333.1 K

体积

V = nRT/P = 0.5006·8.314·333.1/300 = 4.622 L

答案

V = 4.622 L
2.理想气体定律

答案: V2 = 8.85 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 = 308.1 K, T2 = 443.1 K

联合气体定律

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(400/650)·(443.1/308.1) = 8.85 L

答案

V2 = 8.85 L
3.能量衡算

答案: tout = 25.07 °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·(130 − 100) = 126 kW

水吸收的热量

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 126/(2·4.18) = 25.07 °C

答案

tout = 25.07 °C
4.能量衡算

答案: ṁc = 1.507 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 = 1·2.1·(150 − 100) = 105 kW

传给水的热量

Qc = (1 − 0.1)·105 = 94.5 kW

水流量

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 94.5/(4.18·15) = 1.507 kg/s

答案

ṁc = 1.507 kg/s
5.热机和制冷机

答案: ηmax = 54.22 %

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 = 400 + 273.15 = 673.1 K
TL = 35 + 273.15 = 308.1 K

卡诺效率

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 308.1/673.1 = 54.22 %

答案

ηmax = 54.22 %
6.热机和制冷机

答案: Ẇmin = 0.6425 kW

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 = 0 + 273.15 = 273.1 K

可能的最佳 COP

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 294.1/(294.1 − 273.1) = 14.01

最小功率

可逆机器所需的功最少，其 COP 最高。

Ẇmin = Q̇H/COP = 9/14.01 = 0.6425 kW

答案

Ẇmin = 0.6425 kW
7.气体动力循环

答案: T3 = 2187 K

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))。

压缩终了

T2 = 320·170.4 = 993.9 K

定压加热

T3 = rc·T2 = 2.2·993.9 = 2187 K

答案

T3 = 2187 K
8.气体动力循环

答案: wnet = 301.7 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 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。

等熵温度

T2 = 295·160.2857 = 651.4 K
T4 = 1200/160.2857 = 543.4 K

压气机功和涡轮功

wc = 1.005·(651.4 − 295) = 358.2 kJ/kg
wt = 1.005·(1200 − 543.4) = 659.8 kJ/kg

净功

wnet = 659.8 − 358.2 = 301.7 kJ/kg

答案

wnet = 301.7 kJ/kg

回功比：wc/wt = 54.28%。

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