绪论

绪论 (0-1 ~ 0-3)

这一部分是全书的灵魂，确立了热力学研究的宏观背景。

0-1 热能及其利用

能源 (Energy Source)：提供有效能量的物质资源（煤、石油、天然气、核能、太阳能等）[1]。
热能利用的两种形式：
1. 热利用：直接利用热能进行加热（如冶金、化工）[1]。
2. 动力利用：将热能转换为机械能或电能（热力学的重点研究方向）[1]。
核心结论：世界上 85%~90% 以上的能量是通过热能形式被利用的 [1]。

0-2 热力学发展简史

瓦特 (James Watt)：蒸汽机的改良者，开启了热能大规模转机械能的时代 [2]。
卡诺 (Sadi Carnot)：1824年提出卡诺循环与卡诺定理，指明了提高热机效率的方向 [2]。
热力学第一定律奠基人：迈耶、焦耳、亥姆霍兹。焦耳通过实验确定了热功当量 [2]。
热力学第二定律奠基人：克劳修斯、开尔文（汤姆逊）[2]。

0-3 工程热力学的内容及研究方法

工程热力学定义：研究热能与机械能相互转换规律及提高转换效率的科学 [3, 4]。
研究方法：
1. 宏观研究法（经典热力学）：将物质视为连续体，不考虑微观粒子，以实验定律为基础进行逻辑推理。这是本教材的主要方法 [4]。
2. 微观研究法（统计热力学）：基于分子运动论和统计规律研究物质性质 [5]。

第一章：基本概念及定义

从这里开始，你将接触到计算所需的参数和公式。

1-1 热能和机械能相互转换的过程

热能动力装置（热机）：实现热能与机械能转换的整套设备 [6]。
必备组件：工质（传递能量的媒介）、热源（放热给工质）、冷源（吸收工质余热）[7]。

1-2 热力系统 (Thermodynamic System)

定义：为了进行分析而划分出的有限物质或空间 [7]。
分类 [8, 9]：
- 闭口系统（控制质量）：与外界无质量交换，只有能量交换。
- 开口系统（控制容积）：与外界既有质量交换，又有能量交换。
- 绝热系统：与外界无热量交换。
- 孤立系统：与外界既无物质交换，也无能量交换。

1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数

工质的状态由状态参数描述，其变化量只与初终态有关，与路径无关 [10]。

1. 温度 ($T, t$) * 概念：系统宏观平衡的标志，微观粒子杂乱热运动剧烈程度的度量 [10]。 * 公式：\[T = t + 273.15\] * $T$：热力学温度，单位：开尔文 ($\text{K}$) [11]。 * $t$：摄氏温度，单位：摄氏度 ($^\circ\text{C}$) [11]。

2. 压力 ($p$) * 概念：垂直作用于单位面积上的力（即压强）[12]。 * 绝对压力 ($p$)：热力学状态参数必须使用绝对压力 [13]。 * 计算公式 [12]： * 高于大气压时：\[p = p_b + p_e\] * 低于大气压时：\[p = p_b - p_v\] * 变量含义： * $p$：绝对压力 ($\text{Pa}$)。 * $p_b$：环境大气压力 ($\text{Pa}$)。 * $p_e$：表压力 ($\text{Pa}$)。 * $p_v$：真空度 ($\text{Pa}$)。

3. 比体积 ($v$) 与密度 ($\rho$) * 比体积：单位质量物质占有的体积 [14]。 * \[v = \frac{V}{m}\] * $V$：总体积 ($\text{m}^3$)；$m$：质量 ($\text{kg}$)。 * 密度：单位体积物质拥有的质量 [14]。 * \[\rho = \frac{m}{V}\] * 关系：$v \rho = 1$ [14]。

1-4 平衡状态与状态方程

平衡状态：不受外界影响下，系统状态参数始终保持不变的状态 [14]。
理想气体状态方程 [15, 16]：
- \[pv = R_gT\] 或 \[pV = mR_gT\]
- 变量含义：
  - $R_g$：气体常数，单位为 $\text{J}/(\text{kg} \cdot \text{K})$。注意不同气体的 $R_g$ 不同。

1-5~1-6 过程、功与热量

准平衡过程：过程无限接近平衡态，在坐标图上可用连续曲线表示 [16, 17]。
可逆过程：系统与外界均能完全回复原状且无耗散损失的过程 [17, 18]。
体积功 (Expansion Work) [19, 20]：
- \[\delta W = p \text{d}V\] 或 \[w = \int_{1}^{2} p \text{d}v\]
- 含义：工质体积变化而通过边界传递的功。
过程热量 ($Q$) [21]：
- 可逆过程：\[\delta Q = T \text{d}S\]
- 约定：吸热为“+”，放热为“-”；系统对外作功为“+”，外界对系统作功为“-”。

基本概念与定义

热力学第一定律

气体和蒸汽的性质

理想气体混合物及湿空气

气体和蒸汽的基本热力学过程

热力学第一定律

气体与蒸汽的流动

压气机的热力过程

气体动力循环

蒸汽动力装置循环

制冷循环

实际气体的性质及热力学的一般关系式

化学热力学基础

Reuse

CC BY-NC-SA 4.0

--- title: 工程热力学 author: QMD date: 2026/04/10 description: 一文快速掌握全书 categories: 速通 engine: knitr --- # 绪论 ### 绪论 (0-1 ~ 0-3) 这一部分是全书的灵魂，确立了热力学研究的宏观背景。 #### 0-1 热能及其利用 * **能源 (Energy Source)**：提供有效能量的物质资源（煤、石油、天然气、核能、太阳能等）[1]。 * **热能利用的两种形式**： 1. **热利用**：直接利用热能进行加热（如冶金、化工）[1]。 2. **动力利用**：将热能转换为机械能或电能（热力学的重点研究方向）[1]。 * **核心结论**：世界上 85%~90% 以上的能量是通过热能形式被利用的 [1]。 #### 0-2 热力学发展简史 * **瓦特 (James Watt)**：蒸汽机的改良者，开启了热能大规模转机械能的时代 [2]。 * **卡诺 (Sadi Carnot)**：1824年提出卡诺循环与卡诺定理，指明了提高热机效率的方向 [2]。 * **热力学第一定律奠基人**：迈耶、焦耳、亥姆霍兹。焦耳通过实验确定了热功当量 [2]。 * **热力学第二定律奠基人**：克劳修斯、开尔文（汤姆逊）[2]。 #### 0-3 工程热力学的内容及研究方法 * **工程热力学定义**：研究热能与机械能相互转换规律及提高转换效率的科学 [3, 4]。 * **研究方法**： 1. **宏观研究法（经典热力学）**：将物质视为连续体，不考虑微观粒子，以实验定律为基础进行逻辑推理。**这是本教材的主要方法** [4]。 2. **微观研究法（统计热力学）**：基于分子运动论和统计规律研究物质性质 [5]。 --- ### 第一章：基本概念及定义从这里开始，你将接触到计算所需的参数和公式。 #### 1-1 热能和机械能相互转换的过程 * **热能动力装置（热机）**：实现热能与机械能转换的整套设备 [6]。 * **必备组件**：工质（传递能量的媒介）、热源（放热给工质）、冷源（吸收工质余热）[7]。 #### 1-2 热力系统 (Thermodynamic System) * **定义**：为了进行分析而划分出的有限物质或空间 [7]。 * **分类** [8, 9]： * **闭口系统（控制质量）**：与外界无质量交换，只有能量交换。 * **开口系统（控制容积）**：与外界既有质量交换，又有能量交换。 * **绝热系统**：与外界无热量交换。 * **孤立系统**：与外界既无物质交换，也无能量交换。 #### 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的状态由**状态参数**描述，其变化量只与初终态有关，与路径无关 [10]。 **1. 温度 ($T, t$)** * **概念**：系统宏观平衡的标志，微观粒子杂乱热运动剧烈程度的度量 [10]。 * **公式**：$$T = t + 273.15$$ * $T$：热力学温度，单位：开尔文 ($\text{K}$) [11]。 * $t$：摄氏温度，单位：摄氏度 ($^\circ\text{C}$) [11]。 **2. 压力 ($p$)** * **概念**：垂直作用于单位面积上的力（即压强）[12]。 * **绝对压力 ($p$)**：热力学状态参数必须使用绝对压力 [13]。 * **计算公式** [12]： * 高于大气压时：$$p = p_b + p_e$$ * 低于大气压时：$$p = p_b - p_v$$ * **变量含义**： * $p$：绝对压力 ($\text{Pa}$)。 * $p_b$：环境大气压力 ($\text{Pa}$)。 * $p_e$：表压力 ($\text{Pa}$)。 * $p_v$：真空度 ($\text{Pa}$)。 **3. 比体积 ($v$) 与密度 ($\rho$)** * **比体积**：单位质量物质占有的体积 [14]。 * $$v = \frac{V}{m}$$ * $V$：总体积 ($\text{m}^3$)；$m$：质量 ($\text{kg}$)。 * **密度**：单位体积物质拥有的质量 [14]。 * $$\rho = \frac{m}{V}$$ * **关系**：$v \rho = 1$ [14]。 #### 1-4 平衡状态与状态方程 * **平衡状态**：不受外界影响下，系统状态参数始终保持不变的状态 [14]。 * **理想气体状态方程** [15, 16]： * $$pv = R_gT$$ 或 $$pV = mR_gT$$ * **变量含义**： * $R_g$：气体常数，单位为 $\text{J}/(\text{kg} \cdot \text{K})$。注意不同气体的 $R_g$ 不同。 #### 1-5~1-6 过程、功与热量 * **准平衡过程**：过程无限接近平衡态，在坐标图上可用连续曲线表示 [16, 17]。 * **可逆过程**：系统与外界均能完全回复原状且无耗散损失的过程 [17, 18]。 * **体积功 (Expansion Work)** [19, 20]： * $$\delta W = p \text{d}V$$ 或 $$w = \int_{1}^{2} p \text{d}v$$ * **含义**：工质体积变化而通过边界传递的功。 * **过程热量 ($Q$)** [21]： * 可逆过程：$$\delta Q = T \text{d}S$$ * **约定**：吸热为“+”，放热为“-”；系统对外作功为“+”，外界对系统作功为“-”。 # 基本概念与定义 # 热力学第一定律 # 气体和蒸汽的性质 # 理想气体混合物及湿空气 # 气体和蒸汽的基本热力学过程 # 热力学第一定律 # 气体与蒸汽的流动 # 压气机的热力过程 # 气体动力循环 # 蒸汽动力装置循环 # 制冷循环 # 实际气体的性质及热力学的一般关系式 # 化学热力学基础