工程热力学第三版电子教案第2章自我测验题

第一篇：工程热力学第三版电子教案第2章自我测验题

第二章自我测验题

1、写出热力学第一定律的一般表达式，闭口系热力学第一定律表达式。

2、写出稳定流动能量方程式，说明各项的意义。

3、下面所写的热力学第一定律表达式是否正确？若错了，请改正。

q＝du＋dw，4、说明下列公式的适用条件：，，，，5、用稳流能量方程分析锅炉、汽轮机、压气机、汽凝器的能量转换特点，得出对其适用的简化能量方程。

6、稳定流动的定义是什么？满足什么条件才是稳定流动？稳定流动能量方程对不稳定流动是否适用？一般开口系能量方程式与稳定流动能量方程式的区别是什么

7、流动工质进入开口系带入的能量有______，推动切为______。工质流出开口系时带出的能量为________，推动功为______。

8、焓的定义式为_________，单位是________。

9、技术功Wt=________；可逆过程技术功Wt=________；技术功与膨胀功的关系为_________，在同一p-v图上表示出任意一可逆过程的W和Wt。

1O、若气缸中的气体进行膨胀由V1膨胀到V2，活塞外面是大气，大气压力为pO，问工质膨胀所作的功中有多少是对外作的有用功

11、如图所示已知工质从状态a沿路径a－c－b变化到状态b时，吸热84kJ，对外作功32kJ，问：（1）系统从a经d到b，若对外作功10kJ，吸热量＝______。

（2）系统从b经中间任意过程返回a，若外界对系统作功20kJ，则Qba＝_____，其方向为_______。（3）设Ua＝0，Ud＝42kJ，则Qad=______，Qdb=________。

12、质量为1.5kg的气体从初态1000kPa，0.2立方米膨胀到终态20OkPa，1.2立方米，膨胀过程中维持以下关系：p＝aV＋b，其中a，b均为常数。求：（l）过程的传热量；

（2）气体所获得的最大热力学能增量。

13、如图所示，一刚性活塞，一端受热，其他部分绝热，内有一不透热的活塞，活塞与缸壁间无摩擦。现自容器一端传热，Q＝20kJ，由于活塞移动对B作功10kJ求：（1）B中气体的热力学变化；（2）A和B总的热力学能变化；

14、由生物力学测定可知，一个人在静止时向环境的散热率为40OkJ/h。在一个容纳2000人的礼堂里，由于空调系统发生故障，求：

（1）故障后 20 min内，礼堂中空气的热力学能增加量；

（2）假定礼堂和环境无热量交换，将礼堂和所有的人取为热力系，该系统热力学能变化多少？应如何解释礼堂中的空气温度的升高？

15、在炎热的夏天，有人试图用关闭厨房的门窗和打开电冰箱门的办法使厨房降温，开始他感到凉爽，但过一段时间后这种效果消失，甚至感到更热，为什么？

16、压力 0.1 MPa、温的298 K的空气，被透平压缩机压缩到 O.5 MPa，45OK，透平压缩机消耗的功率为5kw，散热损失为5kJ/kg。假定空气进出口的动、位能差均略去不计，空气作理想气体处理，其进出口焓差为1.004△t kJ/kg。求空气的质量流量。

17、一水冷式的油冷却器，已知进人冷却器的温度为88℃，流量为45kg/min，流出冷却器的温度为38℃；冷却水进入和离开冷却器的温度各为15℃和26.5℃，此冷劫器在绝热的同时，可忽略动能变化。油和水两者的焓可用△h=c△t 计算。求冷却水的质量流量。

18、某燃气轮机装置，如图所示。已知在各截面处的参数是：

在截面1处：p1=0.1MPa,t1=28℃,v1=0.88立方米/kg； 在截面2处：p2=0.6MPa,t2=82℃,v2=0.173立方米/kg； 在截面3处：p3=p2,t3=600℃,v1=0.427立方米/kg；

在截面3'处：p3'=0.1MPa,t3'=370℃,v3’=1.88立方米/kg。且△u12=u2-u1=40kJ/kg，△u23=u3-u2=375kJ/kg，△u33'＝－167kJ/kg，Cf1=Cf2=Cf3=Cf4＝0，求：

（1）压气机消耗的功；（2）燃烧室加给工质的热量；（3）喷管出口的流速；（4）叶轮输出的功。

19、在如图所示的绝热容器A,B中，装有某种相同的理想气体。已知TA，pA，VA和TB，pB，VB，比热容可看作常数，比热力能与温度的关系为u＝cVT。若管路、闸门均绝热，求打开阀门后A、B容器中气体的终温与终压。

20、在19题中，如果容器不绝热，热损失为Q，其他条件不变，则打开阀门后，A、B容器中气体的终温与终压又各为多少？

第二章自测题答案

5、锅炉：q=△h； 汽轮机：Wt=-△h；压气机：Wt=-△h；冷凝器：q=△h；

7、8、h=u+pv，J/kg9、10、W有用＝W-P0(V2-V1)

11、（1）Qabd=62kJ；（2）Qba=-72kJ 系统向外放热；（3）Qad=52kJ,Qdb=10kJ

12、（1）Q＝690kJ；（2）△U＝90kJ。

13、（1）10kJ；（2）20kJ。

14、（1）267MJ；（2）0。16、0.03172kg/s 17、8.83kg/min

18、（1）－55.8kJ/kg；（2）527.4kJ/kg；（3）685.8m/s；（4）235.2kJ/kg

19、

第二篇：工程热力学第三版电子教案第3章自我测验题

第三章自我测验题

1、填空题

（1）气体常数Rg与气体种类_____关，与状态_____关。通用气体常数R与气体种类______关，与状态_____关。在SI制中R的数值是_____，单位是______。

（2）质量热容c，摩尔热容Cm与容积热容C'之间的换算关系为_________。

（3）理想气体的Cp及Cv与气体种类______关，与温度_________关。它们的差值与气体种类_______关，与温度_______关。它们的比值与气体种类_________关，与温度_______关。（4）对于理想气体，dU＝CvdT，dh=CpdT。它们的适用条件分别是________。

（5）2kg氮气经定压加热过程从67℃升到237℃。用定值比热容计算其热力学能约变化为________，吸热量为________。接着又经定容过程降到27℃，其焓变化为______，放热量为_______。

2、利用的计算公式。

3、公式（1），以及（２），这两组导出多变过程膨胀功的计算公式，利用

导出多变过程技术功公式对于理想气体的不可逆过程是否适用？对于实际气体的可逆过程是否适用？怎么样修改才适用于菲理想气体的可逆过程？

4、绝热过程中气体与外界无热量交换，为什么还能对外作功？是否违反热力学第一定律？

5、试将满足以下要求的理想气体多变过程在p－v图和T－s图上表示出来。（1）工质又膨胀，又放热。（2）工质又膨胀、又升压。

（3）工质又受压缩、又升温，又吸热。（4）工质又受压缩、又降温，又将压。（5）工质又放热、又降温、又升压。

6、理想气体的3个热力过程如图所示，试将3种热力过程定性地画在p-v图上；分析3个过程多变指数的范围，井将每个过程的功量、热量及热力学能变化的正负号填在表中。

7、试将图示的p－v图上的2个循环分别表示在T－s图上。

8、为了检查船舶制冷装置是否漏气，在充人制冷剂前，先进行压力实验，即将氮气充入该装置中，然后关闭所有通大气的阀门，使装置相当于一个密封的容器。充气结束时，装置内氮的表压力为 1MPa，温度为 27 ℃。24 h后，环境温度下降为 17℃（装置中氮气温度也下降到17℃），氮气的表压力为934.5kPa。设大气压力为O.1MPa，试问氮气是否漏气？

9、氧气瓶容积为10立方厘米，压力为20MPa。温度为20℃。该气瓶放置在一个O.01立方米的绝热容器中，设容器内为真空。试求当氧气瓶不慎破裂，气体充满整个绝热容器时，气体的压力及温度，并分析小瓶破裂时气体变化经历的过程。

10、绝热刚性容器用隔板分成两部分。使 VA＝2VB＝3立方米，A部分储有温度为20℃、压力为0.6MPa的空气，B为真空。当抽去隔板后，空气即充满整个容器，最后达到平衡状态。求：（1）空气的热力学能、焓和温度的变化；（2）压力的变化；（3）熵的变化。

11、如图所示，为了提高进入空气预热器的冷空气温度，采用再循环管。已知冷空气原来的温度为20℃，空气流量为 90 000 立方米/h，从再循环管出来的热空气温度为350℃。若将冷空气温度提高至40℃，求引出的热空气量（标准状态下）。用平均比热咨表数据计算，设过程进行中压力不变。又若热空气再循环管内的空气表压力为1.47kPa，流速为20m/s，当地的大气压力为100kPa，求再循环管的直径。12、1kg空气，初态p1＝1.0MPa，t1＝500℃，在气缸中可逆定容放热到p2＝0.5MPa，然后可逆绝热压缩到t3=500℃，再经可逆定温过程又回到初态。求各过程的△u，△h，△s及w和q各为多少？并在p－v图和T－s图上画出这3个过程。

13、某储气筒内装有压缩空气，当时当地的大气温度t0=25℃，大气压力p0=98kPa，问储气筒内压力在什么范围才可能使放气阀门打开时，在阀附近出现结冰现象？

14、柴油机的气缸吸入温度为t1＝50℃、压力为p1＝0.1MPa的空气外0.032立方米。经过多变压缩过程，使气体的压力上升为p2＝3.2MPa，容积为V2=0.00213立方米，求在多变过程中，气体于外界交换的热量、功量以及气体的热力学能的变化

15、在一个承受一定重量的活塞下装有20℃的空气0.4kg，占据容积0.2立方米，试问当加入20kJ热量后，其温度上升到多少？并作了多少 功？若当活塞达到最后位置后予以固定，以后再继续加入20kJ热量，则其压力上升至多少？

16、某双原子理想气体在多变过程（n＝1.18）中作了膨胀功660kJ/kg，温度从650℃降到40℃，试求气体热力学能及熵的变化，以及气体在过程中的吸热量。

17、在一个绝热的封闭气缸中，配有一无摩擦的且导热良好的活塞，活塞将气缸分为在、右两部分，如图所示。初始时活塞被固定，左边盛有1kg的压力为O.5MPa、温度为350℃的空气，右边盛有3kg的压力为0.2MPa，温度为450K的二氧化碳。求活塞可自由移动后，平衡温度及平衡压力

第三章自测题答案

1、（1）有，无。无，无。8.314，J/（mol*K）（2）Cm=Mc=22.41C'（3）有，有。有，无。有，有。（4）理想气体的任何工质，任何过程。（5）252.4kJ，353.3kJ,-436.5kJ, 311.8kJ

8、有漏气2.8%

9、（1）取绝热容器为系统，由能量方程，得终态温度为20℃。（2）利用状态方程求出终态压力为20kPa（3）小瓶破裂时气体经过得是不可逆绝热过程

10、（1）取整个绝热容器为系统，得△T=△U=△H=0；（2）△p＝－0.2MPa（3）△S＝2490.5J/K11、5686.5立方米/h，0.478m12、1－2定容过程：q=-277.5kJ/kg，△h=-388kJ/kg，△s=-0.4977kJ/(kg*K)，w=0 2－3定熵过程：w=-277.5kJ/kg，△h=388kJ/kg，△s=0，q=0 3－1定温过程：q=w=384.4kJ/kg，△h=△u＝0，△s=0.4977kJ/(kg*K)

13、将放气过程视为可逆绝热过程，根据定熵过程状态参数之间得关系可得：P≤133.3kPa.14、多变指数为1.28，气体质量为0.0345kg

15、包含两个过程：定压过程1－2，定容过程2－3；69.8℃，5.72kJ，16、△u＝－297.4kJ/kg，△s=0.644kJ/(kg*K)，q＝326.6kJ/kg 17、425.6K，246.2kPa

335.8kPa

第三篇：工程热力学第三版电子教案教学大纲

教学大纲

课程名称：工程热力学

英文译名：Engineering Therodynamics(Architecture type)总学时数：54 讲课学时：50（含习题课4）实验学时：8 授课对象：建筑环境与设备专业、建材专业本科生 课程要求：必修 分类：技术基础课 开课时间：第三学期

主要先修课：高等数学、大学物理、理论力学、材料力学 选用教材及参考书

教材：采用由我校廉乐明主编，李力能、谭羽非参编的全国建筑暖通专业统编教材、全国高等学校教材《工程热力学》。本书自1979年出版至今，历经第一版、第二版、第三版和第四版共四次修订，计十二次印刷，在全国发行量达12万余册。本书曾获国家级教学成果奖教材二等奖、建设部部优教材奖。主要参考教材：

1、清华大学主编、高教出版社出版的《工程热力学》

2、西安交通大学主编、高教出版社出版的《工程热力学》

3、Krle C.Potter Craig W.Somerton《Engineering Therodynamics》(1998年版)

一、本课程的性质、教学目的及其在教学计划中的地位与作用

本课程是研究物质的热力性质、热能与其他能量之间相互转换的一门工程基础理论学科，是建筑环境与设备专业的主要技术基础课之一。本课程为专业基础课，主要用于提高学生热工基础理论水平，培养学生具备分析和处理热工问题的抽象能力和逻辑思维能力。为学生今后的专业学习储备必要的基础知识，同时训练学生在实际工程中的理论联系实际的能力。通过对本课程的学习，使学生掌握有关物质热力性质、热能有效利用以及热能与其它能量转换的基本规律，并能正确运用这些规律进行各种热工过程和热力循环的分析计算。此外本课程在有关计算技能和实践技能方面也使学生得到一定的训练。因此本课程不仅是学习后续课程，包括《供热工程》、《空调工程》、《锅炉及锅炉房设备》等主要专业的理论基础外，而且能广泛服务于机械工程、动力工程、冶金、石油、电力工程等各个研究领域。

本课程以经典宏观热力学为理论体系，主要特点是理论分析、实验研究与工程实际应用密切结合，其中基础理论部分占65%，工程应用部分占35%。

二、本课程的主要内容、各章节内容及其学时

绪 论(2学时，包括观看热力学绪论录象1学时)。教学目的，基本内容，学习本课程应注意的问题。第一章 基本概念(4学时)主要内容：热力系统；工质热力状态及基本状态参数；平衡状态；准静态过程、可逆过程；热力循环。

应使学生清晰理解热力学的有关基本概念，如热力系统、外界、状态参数（特别是焓、熵两个参数）、功、热量、平衡状态、准静态过程，可逆过程，热力循环等。

要使学生明确状态量和过程量、平衡和可逆、内能和热量、膨胀功、推动功和技术功等容易混淆的各概念之间的区别与联系。三种典型的热力系统，p、v、T三个状态参数的物理意义，测温测压装置；绝对压力和相对压力的计算；可逆过程的判定准则。要求学生能够较熟练的应用基本概念，针对实际问题的特点选取热力系统，进行功和热量的计算，从而初步具有正确建立热力模型的能力。

第二章 理想气体性质（4学时）

主要内容：理想气体（包括理想气体混合物）概念；理想气体状态方程；理想气体比热；混合气体性质。

要使学生熟练理想气体状态方程的各种表述形式，利用状态方程及公式进行热力计算，理想气体比热的物理意义，以及该参数在工程中的应用特点。对于常用工质如空气、水蒸气、湿空气和制冷工质等的热力学性质的图表和公式，应能熟练的运用各种热力过程的计算。应使学生学会利用对比态参数的通用图表对工质热力学性质参数进行计算。此外对于研究工质热力学性质的一般方法，包括工质热力学普遍关系式在内，也应使学生有所了解。第三章 热力学第一定律（6学时）

主要内容：系统储存能；系统与外界传递的能量；闭口、开口系统能量方程；稳态稳流能量方程及应用。

热力学第一定律及其应用是本课程的重点内容，应使学生深刻理解这个定义的普遍适用性及其实质。牢固掌握闭口系统的热力学第一定律解析式及开口系统稳定流动能量方程式在不同场合的具体应用以及它们之间的内在联系，也应掌握充气和放气过程的计算，对于热力学第一定律在化学反应中的应用，应使学生有所了解。

应使学生熟练应用热力学第一定律，结合热力模型，分析和导出各种热力过程（包括压气过程）的相应计算式，并应能利用状态坐标图表示各种过程及过程中能量转换的特点。热力学第一定律习题课（2学时）

主要内容：结合工程实际过程，应用热力学第一定律建立热力模型，进行热功能量转换过程的热力计算。

第四章 理想气体热力过程及气体压缩（4学时）

主要内容：分析热力过程的目的及一般方法；气体的基本热力过程及多变过程；压气机的理论压缩轴功；活塞式压气机余隙影响；多级压缩及中间冷却。

要使学生掌握热力学计算的特殊性，并能利用状态坐标图表示各种过程及过程中能量转换的特点。使学生能熟练的结合热力学第一定律，分析和导出各种基本热力过程及多变过程（包括压气过程）的相应计算式并进行计算，利用p-v、T-s图分析热力过程。第五章 热力学第二定律（8学时）

主要内容：热力学第二定律实质及表述；卡诺循环、卡诺定理；熵与熵方程；孤立系统熵增原理；用和 无。

应使学生深刻理解热力学第二定律的实质及对生产实践的指导意义，掌握卡诺循环及卡诺定理的结论及热力学意义，熟悉动力循环及制冷循环的分析方法。

应使学生正确理解熵是一个状态参数，并能应用热力学第二定律来说明熵这个参数的重要性，了解孤立系统熵增原理及过程不可逆性与熵增之间的关系，利用熵方程进行热力计算以及作功能力损失的计算。对于热力学第二定律在化学反应中的应用，也应使学生有所了解。热力学第二定律习题课（2学时）。

使学生掌握热力过程的方向性与不可逆性的判定，系统熵变的热力计算以及作功能力损失的计算。

第七章 水蒸汽（4学时）

主要内容：液体的蒸发与沸腾；水蒸气的定压发生过程；水蒸汽表和图；水的相图及三相点；水蒸汽的基本过程（自学，课堂主要采取辅导形式）。

使学生掌握工业上水蒸气的定压生成过程，学会使用水蒸气热力学性质的图表，并能熟练的运用于各种热力过程的计算。二氧化碳临界状态实验 第八章 湿空气（6学时）

主要内容：湿空气的性质；湿空气的焓湿图；湿空气的基本热力过程；

应使学生牢固掌握湿空气状态参数、h-d图的使用，并会进行湿空气基本热力过程的计算。理想气体比热实验

第九章 气体和蒸汽的流动(6学时)主要内容：绝热稳定流动的基本关系式；气体在喷管中的绝热流动、喷管中流速及流量计算；喷管主要尺寸的确定；实际喷管中有磨擦的流动；扩压管流动；气体和蒸汽的绝热节流。应使学生深刻理解喷管内绝热稳定流动的基本方程及流动的基本特性，掌握喷管出口的截面、流速和流量的计算，喷管的设计和校核计算，绝热节流过程的特点。掌握临界压力比、临界流速和临界流量的概念和计算，会应用基本公式计算喷管出口的截面、流速和流量，应掌握绝热节流过程的特点。对扩压管的概念使学生有所了解。第十章 动力循环(4学时)主要内容：蒸汽动力基本循环；朗肯循环；回热循环与再热循环；热电循环；内燃机循环； 燃气轮机循环

应使学生掌握回热循环、再热循环以及热电循环的组成、热效率计算及提高热效率的方法和途径。热电循环中最佳用热和用电的分配比例的确定，提高热效率的途径和计算方法。第十一章 致冷循环(4学时)主要内容：空气压缩致冷循环；蒸气压缩致冷循环；蒸气喷射致冷循环；吸收式致冷循环；热泵；气体的液化

应使学生掌握和理解蒸汽压缩制冷循环的组成、制冷系数的计算及提高制冷系数的方法和途径。对吸收制冷、蒸汽喷射制冷及热泵也应使学生有所了解。

三、本课程的其它教学环节

（1）习题主要在于巩固所学的理论，培养学生运用理论解决实际问题的能力，因此课外习题不应少于50题。

（2）本课程的实验应使学生通过动手操作验证课堂教学的某些理论，同时使学生在实验方法及测量参数等方面得到一定的锻炼，实验项目不应少于2个（4学时）。

四、考核方式

期末考试采用笔试，百分制。考试内容覆盖全部授课内容，课程重点内容约占全部考试内容的80%，基本理论与基本概念约占考试内容的50%，计算部分约占考试内容的60%。考试题以检查学生在学习过程中对基本概念、基本方法、基本技术的掌握，尤其是在期终总结复习的过程中对整个知识系统的全面掌握和灵活运用。

学生撰写科研小论文和心得总结报告，可给予最高达10分的奖励。实验课结果，包括实验出席率、实验报告，将以5%计入期末成绩。《工程热力学》课程教学小组 执笔人：谭羽非

第四篇：工程热力学第三版电子教案教学大纲 （本站推荐）

教学大纲

一、教学目的和教学要求

在能源动力需求日益增长的今天，如何更有效地实现能量转换，如何开发新的能源，是一个十分迫切而又重要的课题。这就要求能源动力、土建和航空航天等大类专业本科生掌握有关能量及其相互转换规律的知识。工程热力学研究热能与其它形式能量相互转换的规律，是能源动力、土建和航空航天等大类专业的一门主要技术基础课。

通过对《工程热力学》的学习，使学生着重从工程的角度掌握热力学的基本规律；并能正确运用这些规律，理论联系实际地进行热力过程、热力循环的分析和热力计算；同时也注意培养学生正确逻辑思维的能力。从而为学生学习后继有关专业课程，提供必要的工程热力学的基础理论知识和热力计算的基本方法，而且也为学生毕业后从事热能工程的设计、管理和科学研究提供重要的热力学理论基础。

二、教学内容及教学安排

每周4学时，共17周。

（一）基本概念及定义 4学时

1．热力系及其描述

1学时

2．基本状态参数

1学时

3．状态方程式，状态参数坐标图 1学时

4．热力过程及热力循环 1学时

（二）能量与热力学第一定律 4学时

1．功、热与热力学第一定律的实质 1学时

2．循环的第一定律表达式及推论

热力系与外界的物质交换 1学时

3．热力学第一定律的表达式 1学时

4．能量方程式的应用

非稳定流动的能量方程式

1学时

（三）熵与热力学第二定律

10学时

1．过程的不可逆性

1学时 2．热力学第二定律的几种表述

1学时 3．卡诺定理

14．热力学温度标尺

5．卡诺循环与克劳修斯不等式

6．状态参数熵及熵增原理

7．熵方程及其应用举例

8．热力系的可用能

9．第二定律的统计解释及局限性

（四）热力学一般关系

1．常用状态函数的偏微商

基本热力学关系

2．热力学能、焓和熵的微分式

热系数之间的一般关系

（五）气体的热力性质

1．理想气体性质

2．理想气体比热容及参数计算

3．实际气体状态方程

4．实际气体比热容及焓、熵函数

（六）蒸汽的热力性质

学时 1学时 1学时 1学时 2学时 1学时 1学时

2学时

学时 1学时

4学时

1学时 1学时 1学时 学时

4学时

1．单元工质的相图与相转变

1学时 2．单元复相系平衡条件

1学时 3．蒸汽的定压发生过程

蒸气热力性质表及其应用

1学时 4．蒸气热力性质图及其应用

1学时

1．混合物的成分及气体常数

2．分压定律与分容积定律

3．理想气体混合物的有关计算

4．湿空气及其状态参数

5．干–湿球温度和焓–湿 图 6．湿空气过程

1．热力过程的分析方法

2．多变过程

3．热力过程的火用分析举例

1．稳定流动的基本方程

2．定熵流动的基本特性

3．气体在喷管和扩压管中的流动 4．喷管中气体流动的计算

5．水蒸气在喷管中的定熵流动 6．有摩擦的绝热流动与绝热节流

6学时

1学时

1学时 1学时

1学时

1学时

1学时

3学时

1学时

1学时 1学时

6学时

1学时 1学时 1学时 1学时 1学时 1学时

（七）理想气体混合物与湿空气

（八）理想气体的热力过程

（九）气体与蒸汽的流动

（十）气体的压缩

4学时

1．压气机的工作原理

1学时 2．压缩过程的热力学分析

1学时 3．单级活塞式压气机余隙容积的影响 1学时 4．多级压缩及中间冷却

1学时

（十一）蒸汽动力循环

1．蒸汽动力循环的分析方法

朗肯循环

2．蒸汽参数对循环热效率的影响

蒸汽再热循环

3． 回热循环

4． 热电循环和理想工质循环

5． 蒸汽动力设备热力学分析举例

（十二）气体动力循环

1．燃气轮机装置定压加热理想循环 2．考虑不可逆损失时的热力学分析 3．具有回热的燃气轮机装置循环 4．往复活塞式内燃机理想循环

5．其他燃气动力循环

（十三）制冷循环

1． 制冷机与热泵

逆卡诺循环

2．空气制冷循环

6学时

1学时 1学时 1学时 学时 1学时 学时

5学时

1学时

1学时

1学时 学时 0.5学时5学时

1学时 1学时

1.3．蒸汽压缩制冷循环

1.5学时 4．蒸汽喷射制冷循环

吸收式制冷装置循环

1学时 5．热泵供热循环

0.5学时

（十四）化学反应系统的热力学原理

5学时

1．概述

化学反应的功和热

1学时 2．赫斯定律

1学时 3．基尔霍夫定律及理论燃烧温度

1学时 4．第二定律在化学反应中的应用

1学时 5．化学平衡

热力学第三定律

1学时

三、主要参考教材

《工程热力学》 曾丹苓 高等教育出版社

四、有关说明

本课程的主要预修课为高等数学和普通物理。实验安排在另一门课程“热工实验”中。

第五篇：工程热力学报告

工程热力学（2015 秋）课程论文

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纳米晶材料的热力学函数研究

一、摘要.........................................................................................1

二、纳米晶材料的几何假设...........................................................1

三、界面热力学函数分析...............................................................2

四、内部热力学函数分析...............................................................6

五、整体热力学函数分析...............................................................6

六、总结.........................................................................................6

七、纳米晶材料热力学应用展望....................................................6

一、摘要

纳米晶材料（nanophase material)是具有纳米级超细晶组织的材料。由于超细晶粒(小于100nm)、高的界面体积分数(高达50%)和界面区的原子间距分布较宽，其性能特别是和近邻原子相关联的性能，如力学性能、热学性能、磁学性能，与一般多晶材料或同成分的非晶态材料有很大的差别[1]。本文应用界面膨胀模型[2]并以普适状态[3]为基础对纳米材料的整体的热力学函数计算模型进行了阐述分析，进而对其应用进行了展望。

二、纳米晶材料的几何假设

纳米晶材料中的原子可分为两部分，一部分是位于晶粒内部点阵位置上有序排列的原子，另一部分是位于晶界面上无序或部分有序的原子。假设纳米晶粒子为球形，直径为d，界面厚度为，如图1所示。原子在晶界面区域和晶粒内部的排布密度（原子的空间占据百分数）分别为和。位于晶界面上和晶粒内部的原子个数和可由下式计算：

(1)

(2)

其中：Vb为纳米晶体界面上一个原子所占的体积，V0为平衡状态的原子体积。

所以，晶体面处的原子分数xb为

(3)

其中，rb和r0分别为纳米晶界面处原子的半径和平衡状态时原子的半径。

图1 球形纳米晶粒及表征几何尺寸示意图[4]

为方便表达，设定纯物质纳米晶体的热力学函数为以纳米晶界面处和晶粒内部两部分热力学函数的求和。

三、界面热力学函数分析

Fecht和Wagner提出，纳米晶界面的性质可以通过膨胀晶体的性质来近似考虑，建立了“界面膨胀模型”[2]。由理论分析和计算模拟表明[5],晶界的过剩体积（相对完整晶格）是描述晶体能态最合理的一个参量，它也是晶界的一个主要的结构参量，反映了界面原子体积相对于晶内原子体积的增加量，的定义为：。（其中和分别为完整单晶体和晶界的体积）。在晶界处原子配位结构与完整的晶格不同，通常表现为原子配位距离增大，最近邻原子配位数减少，造成晶界上存在一定的过剩体积，为了便于计算，将晶界上原子配位数的减少视为晶界密度降低，将晶界近似为减少了最近邻原子配位数（即减少了密度）的完整晶体，换言之，将晶界的热力学性能近似为具有相同过剩体积的膨胀晶体的性能，这种膨胀晶体的性能可以根据现有理论进行计算，从而得到晶界的热力学性能近似。[6]由Simth及其合作者发展的普适状态方程[3]定量描述了结合能与晶格常数之间的关系，并以证实，该理论对由纳米晶界面过剩体积所产生的晶内负压给予了很好的解释。

结合“界面膨胀模型”和普适状态方程，以界面上原子的体积V和绝对温度T为变量，纳米晶界面处单位原子的基本热力学函数焓、熵和吉布斯自由能的表达式分别为[1]：

(4)

(5)

(6)式中下标b表示晶界。其中，参量E由下式确定[7]：

(7)为平衡态结合能，可根据线膨胀系数和体弹性模量的关系式[8]计算：

(8)此外，(9)

(10)

其中（9）式中的长度尺度[9]用以表征束缚能曲度的宽度，可由下式得到：

(11)

其中（5）式中的Grflneisen参数是反映晶格振动频率和原子体积之间关系的一个函数，由下式计算[10]：

(12)

根据普式状态方程，晶体中的压力P是原子体积V和温度T的函数[9]：

(13)

(14)

(15)

(16)

以上式子中，CV是恒定体积下的比热，对于单位原子其值约为3kB，kB是Boltzmann常数，TR为参照温度，r0为p=0时平衡态的原子半径，rb是纳米晶界面处原子的半径，B0(TR)和a0(TR)分别为参照温度下，P=0时的体弹性模量和体膨胀系数。

至此，由以上公式可以计算出纳米晶界面的焓、熵和吉布斯自由能，详细的表达式如下：

(17)

(18)

(19)

上式中：

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

四、内部热力学函数分析

将纳米晶粒内部晶体的性质等同于粗晶，可以根据块体材料的热力学函数表达式进行计算。由经典热力学理论，完整晶体中原子的自由焓、熵和吉布斯自由能表达式分别为：

(27)(28)(29)

式中下标i表示晶体内部，计算中完整晶体的等压热容（Cp）的数据取决于SGTE热力学数据库。

五、整体热力学函数分析

引入纳米晶界面上的原子分数xb作为权重，整体纳米材料的热力学函数可以表达为：(30)

(31)

(32)

这样就得到了整体纳米材料的热力学函数的表达式。焓、熵和吉布斯自由能是材料热力学研究中重要的参数，材料的制备，反应方向和材料相变的预测以及对复杂化合物及新材料的热力学性质的测定等都可以通过这3个参量的计算而得出，因此上述的计算结果对于纳米材料的研究具有十分重要的指导意义。

六、总结

本文在应用“界面膨胀模型”和普适状态方程研究纳米晶界面热力学特性的基础上，发展了纳米晶整体材料热力学函数的计算模型[4]，给出了纳米晶体单相材料的焓、熵、自由能随界面过剩体积、温度以及晶粒尺寸发生变化的明确表达式，由此可以定量预测纳米晶材料发生相变的特征温度和临界尺寸。

七、纳米晶材料热力学应用展望

纳米晶材料的特殊性能是由其化学组成、界面结构以及产生微细组织的制备过程等共同决定的，是与纳米结构和组织形成及转变的热力学和动力学紧密联系的。然而，相对于粗晶的大块多晶体材料，纳米材料的比热值升高、热膨胀系数成倍增大、以及与同成分块体材料具有明显差异的相变特征和相稳定性等特性，因此，应用于块体材料的传统热力学理论不能很好的合理解释纳米晶材料的相变行为[11]。因此发展纳米晶材料的热力学研究具有很重要的意义。

[1] 柯成 主编.金属功能材料词典.北京：冶金工业出版社.1999.第172-173页.[2] Fecht J H.Intrinsic instability and entropy stabilization of Grain boundaries.[J].Phys Rev Lett,1990,65:610-613.[3] Wagner M.Structure and thermodynamic properties of nanocrysralline metals.[J] Phys Rev B,1992,45:635-639.[4] 高金萍,张久兴,宋晓艳,刘雪梅.纳米晶材料热力学函数及其在相变热力学中的应用[A].第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅱ[C].2004 [5]D.Wolf.Phit.Mog.B59(1989),667.[6] 卢柯.金属纳米晶的界面热力学特性.[J].物理学报1995,44;1454.[7] Rose J H,Smith J R,Guinea F, et al.Universal features ofthe equation of state of metals..Phys Rev B.1984

[8] Dugdale J S,Macdonald D K C.The thermal expansion ofsolids..Phys Rev.1959

[9] Vinet P,Smith J R,Ferrante J, et al.Temperature effects onthe universal equation of state of solids..Phys Rev B.1987

[10] Dugdale J S,Macdonald D K C.The thermal expansion ofsolids..Phys Rev.1959

[11] 宋晓艳,张久兴,李乃苗,高金萍,杨克勇,刘雪梅.金属纳米晶和纳米粒子材料热力学特性的模拟计算与实验研究[A].2005年全国计算材料、模拟与图像分析学术会议论文集[C].2005