熱工基礎(chǔ)知識(shí)總結(jié)與考題解析引言熱工基礎(chǔ)，作為能源動(dòng)力、化工、冶金、機(jī)械等諸多工程領(lǐng)域的理論基石，其重要性不言而喻。它主要研究熱能與其他形式能量之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律，以及工質(zhì)的基本熱力性質(zhì)、熱力過程和熱力循環(huán)。掌握扎實(shí)的熱工基礎(chǔ)知識(shí)，不僅是應(yīng)對(duì)各類專業(yè)考試的前提，更是解決實(shí)際工程問題、優(yōu)化系統(tǒng)能效的關(guān)鍵。本文旨在對(duì)熱工基礎(chǔ)的核心知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理與總結(jié)，并結(jié)合典型考題進(jìn)行深入解析，以期為讀者提供一份既系統(tǒng)全面又具實(shí)用價(jià)值的參考資料。一、熱工基礎(chǔ)知識(shí)總結(jié)1.1基本概念與定義熱工理論的研究對(duì)象主要是工質(zhì)在熱力系統(tǒng)中發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換過程和狀態(tài)變化規(guī)律。*工質(zhì)：實(shí)現(xiàn)熱能與其他形式能量（主要是機(jī)械能）相互轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)，如蒸汽動(dòng)力裝置中的水和水蒸氣，內(nèi)燃機(jī)中的空氣和燃?xì)?。?duì)工質(zhì)的基本要求是具有良好的膨脹性、流動(dòng)性，以及易于獲取和處理。*熱力系統(tǒng)：人為劃定的研究對(duì)象的范圍，稱為熱力系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)。系統(tǒng)之外與系統(tǒng)發(fā)生能量或物質(zhì)交換的所有物質(zhì)統(tǒng)稱為外界。根據(jù)系統(tǒng)與外界是否發(fā)生物質(zhì)交換，可分為閉口系統(tǒng)（控制質(zhì)量）和開口系統(tǒng)（控制體積）。*熱力狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)：系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。描述系統(tǒng)狀態(tài)的宏觀物理量稱為狀態(tài)參數(shù)，如壓力（p）、溫度（T）、比體積（v）或密度（ρ）、熱力學(xué)能（u）、焓（h）、熵（s）等。狀態(tài)參數(shù)的重要特性是其值僅取決于系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，與達(dá)到該狀態(tài)的路徑無關(guān)，即狀態(tài)參數(shù)是點(diǎn)函數(shù)，其變化量僅與初終狀態(tài)有關(guān)。*平衡狀態(tài)：在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的狀態(tài)能夠長時(shí)間保持不變，則稱系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)是進(jìn)行熱力分析的基礎(chǔ)。*熱力過程：系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)變化稱為熱力過程，簡稱過程。實(shí)際過程都是不平衡過程，為便于分析，常引入“準(zhǔn)靜態(tài)過程”或“可逆過程”的理想化模型。準(zhǔn)靜態(tài)過程是指過程進(jìn)行得非常緩慢，使得系統(tǒng)在過程中的每一瞬間都無限接近平衡狀態(tài)。可逆過程是指當(dāng)過程逆向進(jìn)行時(shí)，系統(tǒng)和外界都能恢復(fù)到原來狀態(tài)而不留下任何痕跡的過程，它是準(zhǔn)靜態(tài)過程的進(jìn)一步理想化，無耗散效應(yīng)。1.2熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象領(lǐng)域的具體應(yīng)用，它揭示了熱能與其他形式能量之間的數(shù)量關(guān)系。*實(shí)質(zhì)：能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)移過程中能量的總量保持不變。*閉口系統(tǒng)能量方程：對(duì)于一個(gè)閉口系統(tǒng)，熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式（能量方程）為：Q=ΔU+W其中，Q為系統(tǒng)與外界交換的熱量（規(guī)定系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負(fù)）；ΔU為系統(tǒng)熱力學(xué)能的變化量（U2-U1）；W為系統(tǒng)與外界交換的功量（規(guī)定系統(tǒng)對(duì)外做功為正，外界對(duì)系統(tǒng)做功為負(fù)）。對(duì)于單位質(zhì)量工質(zhì)，表達(dá)式為：q=Δu+w*熱力學(xué)能（U）：是工質(zhì)內(nèi)部儲(chǔ)存能量的總和，包括分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能、分子間相互作用的勢能以及分子內(nèi)部的能量等。它是狀態(tài)參數(shù)。*焓（H）：定義為H=U+pV，單位質(zhì)量工質(zhì)的焓（比焓）為h=u+pv。焓是為了工程計(jì)算方便而引入的一個(gè)組合狀態(tài)參數(shù)，在開口系統(tǒng)的能量分析中具有重要地位。*開口系統(tǒng)能量方程（穩(wěn)定流動(dòng)能量方程）：對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)（系統(tǒng)內(nèi)任何一點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化，且流入與流出系統(tǒng)的質(zhì)量流量相等），能量方程為：Q=ΔH+ΔEk+ΔEp+Ws其中，ΔEk為工質(zhì)動(dòng)能的變化量；ΔEp為工質(zhì)勢能的變化量；Ws為軸功。在許多工程應(yīng)用中，ΔEk和ΔEp相對(duì)較小，可忽略不計(jì)，此時(shí)方程簡化為Q=ΔH+Ws。對(duì)于單位質(zhì)量工質(zhì)，相應(yīng)的表達(dá)式為q=Δh+ws。*熱力學(xué)第一定律的意義：它否定了創(chuàng)造能量的第一類永動(dòng)機(jī)的可能性，是一切熱力過程必須遵循的基本規(guī)律。1.3熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律揭示了能量轉(zhuǎn)換的數(shù)量守恒關(guān)系，但并未指出能量轉(zhuǎn)換的方向、條件和限度。熱力學(xué)第二定律則彌補(bǔ)了這一不足。*實(shí)質(zhì)：自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的，它們具有確定的方向性。*兩種經(jīng)典表述：*克勞修斯表述：不可能將熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化。*開爾文-普朗克表述：不可能從單一熱源取熱，并使之完全變?yōu)橛杏霉Χ灰鹌渌兓?。也可表述為：第二類永?dòng)機(jī)是不可能制成的。（第二類永動(dòng)機(jī)是指能從單一熱源取熱并使之完全變?yōu)楣Χ涣粝氯魏斡绊懙臋C(jī)器）。*熵（S）與熵增原理：熵是一個(gè)重要的狀態(tài)參數(shù)，用于定量描述熱力學(xué)第二定律。其定義式為dS=(δQ)rev/T，其中(δQ)rev是可逆過程中系統(tǒng)與外界交換的微元熱量，T是熱源的熱力學(xué)溫度。對(duì)于孤立系統(tǒng)（與外界既無能量交換也無物質(zhì)交換的系統(tǒng)），其熵永不減少。這就是熵增原理，是熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)形式之一，即ΔSiso≥0?？赡孢^程ΔSiso=0，不可逆過程ΔSiso>0。*卡諾循環(huán)與卡諾定理：卡諾循環(huán)是由兩個(gè)可逆定溫過程和兩個(gè)可逆絕熱過程組成的理想循環(huán)?？ㄖZ定理指出：在相同溫度的高溫?zé)嵩春拖嗤瑴囟鹊牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆熱機(jī)，其熱效率都相等，與工質(zhì)無關(guān)；在相同溫度的高溫?zé)嵩春拖嗤瑴囟鹊牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切不可逆熱機(jī)，其熱效率都小于可逆熱機(jī)的熱效率?？ㄖZ循環(huán)的熱效率為ηc=1-T2/T1，它指出了熱機(jī)熱效率的極限值。1.4熱力過程與循環(huán)*基本熱力過程：工質(zhì)在熱力設(shè)備中常見的狀態(tài)變化過程，如定壓過程、定容過程、定溫過程和絕熱過程（包括定熵過程，即可逆絕熱過程）。分析這些過程時(shí)，通常需要確定初終狀態(tài)參數(shù)、過程中工質(zhì)與外界交換的熱量和功量。這可以通過熱力學(xué)第一定律、理想氣體狀態(tài)方程以及過程的特性方程（如定容過程v=常數(shù)，定壓過程p=常數(shù)等）來求解。*多變過程：實(shí)際的熱力過程往往不符合上述基本過程的規(guī)律，這時(shí)可以用多變過程來描述，其過程方程為pvn=常數(shù)，其中n為多變指數(shù)。上述基本過程都是多變過程的特例（n=0為定壓，n=1為定溫，n=κ為絕熱，n→∞為定容，κ為絕熱指數(shù)）。*熱力循環(huán)：工質(zhì)從某一初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化后又回到初始狀態(tài)的封閉過程稱為熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。*正向循環(huán)（熱機(jī)循環(huán)）：將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的循環(huán)。其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)用熱效率ηt表示，ηt=Wnet/Q1，其中Wnet為循環(huán)凈功，Q1為循環(huán)從高溫?zé)嵩次盏臒崃俊?逆向循環(huán)（制冷循環(huán)與熱泵循環(huán)）：消耗機(jī)械能將熱量從低溫?zé)嵩磦飨蚋邷責(zé)嵩吹难h(huán)。制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)用制冷系數(shù)ε表示，ε=Q2/Wnet，其中Q2為從低溫?zé)嵩矗ɡ鋷欤┪盏臒崃?。熱泵循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)用供熱系數(shù)ε'表示，ε'=Q1/Wnet，其中Q1為向高溫?zé)嵩矗ü┡臻g）放出的熱量。1.5傳熱學(xué)基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ)不僅包括熱力學(xué)，還涉及熱量傳遞的基本規(guī)律，即傳熱學(xué)。熱量傳遞有三種基本方式：*導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）：物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。傅里葉定律是導(dǎo)熱的基本定律：q=-λ(dt/dx)，其中q為熱流密度，λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，(dt/dx)為溫度梯度，負(fù)號(hào)表示熱量傳遞方向與溫度梯度方向相反。*對(duì)流：由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程。對(duì)流換熱是指流體與固體壁面之間的熱量傳遞過程，其遵循牛頓冷卻公式：q=h(tw-tf)或q=h(tf-tw)，其中h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，tw為壁面溫度，tf為流體溫度。h的大小與流體種類、流動(dòng)狀態(tài)（層流、湍流）、流動(dòng)原因（自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流）、壁面形狀和尺寸等多種因素有關(guān)。*熱輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。物體會(huì)因各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。熱輻射可以在真空中進(jìn)行，并且伴有能量形式的轉(zhuǎn)換（熱能-電磁能-熱能）。黑體是理想化的輻射體，能吸收投入到其表面上的所有熱輻射能量。斯蒂芬-玻爾茲曼定律描述了黑體的輻射力（單位時(shí)間內(nèi)單位表面積向外輻射的總能量）：Eb=σT4，其中σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，T為黑體的絕對(duì)溫度。實(shí)際物體的輻射力E=εEb，ε為該物體的發(fā)射率（黑度）。在實(shí)際問題中，熱量傳遞往往不是單一方式，而是多種方式的復(fù)合，稱為復(fù)合傳熱或綜合傳熱。二、典型考題解析2.1概念辨析與基本計(jì)算例題1：判斷題“工質(zhì)的焓值越大，則其擁有的熱量越多。”這句話是否正確？為什么？解析：這句話不正確。焓（h=u+pv）是工質(zhì)的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，它表征的是工質(zhì)在某一狀態(tài)下所具有的一種能量屬性，其值僅取決于工質(zhì)的狀態(tài)（如溫度、壓力）。而熱量（Q）是過程量，它是工質(zhì)在狀態(tài)變化過程中與外界交換的能量，其值不僅與工質(zhì)的初終狀態(tài)有關(guān)，還與具體的變化過程有關(guān)。狀態(tài)參數(shù)不能直接與過程量劃等號(hào)。一個(gè)系統(tǒng)的焓值高，并不意味著它“擁有”的熱量多，因?yàn)闊崃恐挥性趥鬟f過程中才體現(xiàn)出來。例如，一塊高溫鐵塊，其焓值相對(duì)環(huán)境較高，但如果它不與外界發(fā)生熱交換（絕熱），就不會(huì)有熱量的傳遞。例題2：計(jì)算題1kg某種理想氣體，從初態(tài)p1=0.1MPa，t1=27°C經(jīng)歷定容過程，吸熱Q=30kJ。已知該氣體的比熱容cv=0.717kJ/(kg·K)，氣體常數(shù)Rg=0.287kJ/(kg·K)。求：(1)終態(tài)溫度t2；(2)終態(tài)壓力p2；(3)熱力學(xué)能變化量Δu；(4)過程中系統(tǒng)與外界交換的功量w。解析：(1)求終態(tài)溫度t2：對(duì)于定容過程，體積不變，所以系統(tǒng)不對(duì)外做功，w=0。根據(jù)閉口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律：q=Δu+w，因w=0，故q=Δu。理想氣體的熱力學(xué)能變化Δu=cvΔT=cv(T2-T1)。已知q=Q/m=30kJ/1kg=30kJ/kg。所以T2=T1+q/cvT1=27°C+273=300KT2=300K+30kJ/kg/0.717kJ/(kg·K)≈300K+41.84K=341.84Kt2=341.84K-273≈68.84°C(2)求終態(tài)壓力p2：理想氣體定容過程遵循查理定律：p1/T1=p2/T2p2=p1*T2/T1=0.1MPa*341.84K/300K≈0.1139MPa(3)求熱力學(xué)能變化量Δu：由(1)分析知，Δu=q=30kJ/kg?？偀崃W(xué)能變化量ΔU=mΔu=1kg*30kJ/kg=30kJ。(4)求過程中系統(tǒng)與外界交換的功量w：定容過程，工質(zhì)體積不變，所以膨脹功w=∫pdv=0。點(diǎn)評(píng)：本題主要考察熱力學(xué)第一定律在定容過程中的應(yīng)用，以及理想氣體狀態(tài)方程和比熱容的概念。關(guān)鍵在于理解定容過程的特點(diǎn)（w=0，q=Δu）以及狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系。2.2熱力學(xué)第一定律綜合應(yīng)用例題3：計(jì)算題某蒸汽動(dòng)力循環(huán)裝置的汽輪機(jī)入口處蒸汽參數(shù)為p1=3MPa，t1=400°C，蒸汽流量m=10kg/s。蒸汽在汽輪機(jī)中絕熱膨脹至p2=0.005MPa的飽和水蒸汽狀態(tài)。已知在該入口參數(shù)下蒸汽的焓h1=3230kJ/kg，出口參數(shù)下飽和水蒸汽的焓h2=2560kJ/kg。忽略蒸汽在汽輪機(jī)進(jìn)出口的動(dòng)能差和勢能差。求：(1)汽輪機(jī)的軸功率是多少？(2)若環(huán)境溫度T0=293K（20°C），進(jìn)口蒸汽溫度T1約為673K（400°C），此過程是否滿足熱力學(xué)第二定律？（簡要說明理由，不要求精確計(jì)算熵變）解析：(1)求汽輪機(jī)的軸功率Ws：對(duì)于汽輪機(jī)，可視為穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)，且通常為絕熱過程（Q=0），忽略動(dòng)能差和勢能差（ΔEk≈0，ΔEp≈0）。根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程：Q=mΔh+mΔEk+mΔEp+Ws簡化為：0=m(h2-h1)+Ws所以Ws=m(h1-h2)代入數(shù)據(jù)：Ws=10kg/s*(3230kJ/kg-2560kJ/kg)=10*670=6700kW=6.7MW(2)判斷過程是否滿足熱力學(xué)第二定律：此過程為絕熱膨脹過程（Q=0）。對(duì)于可逆絕熱過程，系統(tǒng)熵不變（Δs=0）；對(duì)于實(shí)際的絕熱膨脹過程，由于存在摩擦等不可逆因素，系統(tǒng)熵會(huì)增加（Δs>0）。蒸汽在汽輪機(jī)中從高溫高壓狀態(tài)膨脹到低溫低壓狀態(tài)，盡管對(duì)外做出了功，但過程是不可逆的（有熵產(chǎn)）。孤立系統(tǒng)（包括蒸汽和環(huán)境）的總熵變應(yīng)為ΔSiso=ΔS蒸汽+ΔS環(huán)境。由于過程絕熱，環(huán)境熵變?chǔ)環(huán)境=0，所以ΔSiso=ΔS蒸汽≥0。只要ΔS蒸汽≥0，就滿足熱力學(xué)第二定律的熵增原理。實(shí)際的汽輪機(jī)內(nèi)過程是不可逆絕熱過程，蒸汽的熵是增加的，因此滿足熱力學(xué)第二定律。點(diǎn)評(píng)：本題考察了穩(wěn)定流動(dòng)能量方程在動(dòng)力機(jī)械（汽輪機(jī)）中的應(yīng)用，以及對(duì)熱力學(xué)第二定律本質(zhì)的理解。計(jì)算軸功率時(shí)，關(guān)鍵在于正確運(yùn)用焓差和質(zhì)量流量的關(guān)系。第二問則需要從熵變或過程不可逆性的角度進(jìn)行定性分析。2.3熱力循環(huán)分析例題4：分析