熱力學及傳熱學基礎知識剖析

1、熱力學及傳熱學基礎知識1. 什么叫工質(zhì)?火力發(fā)電廠采用什么作為工質(zhì)?答：工質(zhì)是熱機中熱能轉變?yōu)闄C械能的一種媒介物質(zhì)（如燃氣、蒸汽等），依靠它在熱機中的狀態(tài)變化（如膨脹）才能獲得功。為了在工質(zhì)膨脹中獲得較多的功，工質(zhì)應具有良好的膨脹性。在熱機的不斷工作中，為了方便工質(zhì)流入與排出，還要求工質(zhì)具有良好的流動性。因此，在物質(zhì)的固、液、汽三態(tài)中,汽態(tài)物質(zhì)是較為理想的工質(zhì)。目前火力發(fā)電廠主要以水蒸汽作為工質(zhì)。2. 什么是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)?常用的狀態(tài)參數(shù)有幾個?基本狀態(tài)參數(shù)有幾個?答：描述工質(zhì)狀態(tài)特性的物理量稱為狀態(tài)參數(shù)，常用的工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)有溫度、壓力、比容焓熵、內(nèi)能等，基本狀態(tài)參數(shù)有溫度、壓力、比容。3.

2、什么是絕對壓力、表壓力?答：容器內(nèi)工質(zhì)本身的實際壓力稱為絕對壓力用符號Pa表示。工質(zhì)的絕對壓力與大氣壓的差值為表壓力，用符號Pg表示。因此，表壓力就是我們用表計測量所得的壓力，大氣壓力用符號Patm表示。絕對壓力與表壓力之間的關系為：Pa=Pg+Patm或Pg=Pa-Patm4. 什么是真空和真空度?答：當容器中的壓力低于大氣壓力時，把低于大氣壓力的部分叫真空。用符號“Pv”表示其關系式為：Pv=PatmPa發(fā)電廠有時用百分數(shù)表示真空值的大小，稱為真空度。真空度是真空值和大氣壓力比值的百分數(shù)，即：真空度=y-xlOO%完全真空時真空度為100%，若工質(zhì)的絕對壓力與大氣壓力相等時，真空度為零。例

3、如：凝汽器水銀真空表的讀數(shù)為710mmHg，大氣壓力計讀數(shù)為750mmHg，求凝汽器內(nèi)絕對壓力和真空度各為多少?Pv=PatmPa=750-710=40mmHg=0.0051MPa真空度=xl00%=丸xl00%=94.6%5. 什么是比容和密度?它們之間有什么關系?答：單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的容積稱為比容。用小寫的字母V表示，即;式中m物質(zhì)的質(zhì)量，kg；V物質(zhì)所占有的容積，m3。比容的倒數(shù)，即單位容積的物質(zhì)所具有的質(zhì)量，稱為密度，用符號P”表示，單位為kgm3。比容與密度的關系為Qv=l,顯然比容和密度互為倒數(shù)、即比容和密度不是相互獨立的兩個參數(shù)，而是同一個參數(shù)的兩種不同的表示方法。6. 什么

4、是平衡狀態(tài)?答:在無外界影響的條件下，氣體的狀態(tài)不隨時間而變化的狀態(tài)叫做平衡狀態(tài)。只有當工質(zhì)的狀態(tài)是平衡狀態(tài)時，才能用確定的狀態(tài)參數(shù)值去描述。只有當工質(zhì)內(nèi)部及工質(zhì)與外界間達到熱的平衡（無溫差存在）及力的平衡（無壓差存在）時，才能出現(xiàn)平衡狀態(tài)。7. 什么是標準狀態(tài)?答：絕對壓力為1.01325xl05Pa（l個標準大氣壓），溫度為0C（273.15K）時的狀態(tài)稱為標準狀態(tài)。8. 什么是參數(shù)坐標圖?答：以狀態(tài)參數(shù)為直角坐標表示工質(zhì)狀態(tài)及其變化的圖稱參數(shù)坐標圖。參數(shù)坐標圖上的點表示工質(zhì)的平衡狀態(tài)，由許多點相連而組成的線表示工質(zhì)的熱力過程，如果工質(zhì)在熱力過程中所經(jīng)過的每一個狀態(tài)都是平衡狀態(tài)，則此熱力過

5、程為平衡過程，只有平衡狀態(tài)及平衡過程才能用參數(shù)坐標圖上的點及線來表示。9. 什么是熱能?它與哪些因素有關?答：物體內(nèi)部大量分子不規(guī)則的運動稱為熱運動。這種熱運動所具有的能量叫做熱能，它是物體的內(nèi)能。熱能與物體的溫度有關，溫度越高，分子運動的速度越快，具有的熱能就越大。10. 什么是熱量?答：高溫物體把一部分熱能傳遞給低溫物體，其能量傳遞的多少用熱量來度量。因此物體吸收或放出的熱能稱為熱量。熱量傳遞的多少和熱力過程有關，只有在能量傳遞的熱力過程中才有功和熱量的存在，沒有能量傳遞的熱力狀態(tài)是根本不存在什么熱量的，所以熱量不是狀態(tài)參數(shù)。11. 什么是熱機?答：把熱能轉變?yōu)闄C械能的設備稱熱機。如汽輪機

6、、內(nèi)燃機、蒸汽機、燃氣輪機等。12. 什么是比熱容?影響比熱容的主要因素有哪些?答：單位數(shù)量（質(zhì)量或容積）的物質(zhì)溫度升高（或降低）1所吸收（或放出）的熱量，稱為氣體的單位熱容量，簡稱為氣體的比熱容。比熱容表示單位數(shù)量的物質(zhì)容納或貯存熱量的能力，物質(zhì)的質(zhì)量比熱容符號為C,單位為KJ/（KgC）。影響比熱容的主要因素有溫度和加熱條件，一般說來，隨著溫度的升高，物質(zhì)比熱容的數(shù)值也增大；定壓加熱的比熱容大于定容加熱的比熱容。此外，還有分子中原子數(shù)目、物質(zhì)性質(zhì)、氣體的壓力等因素也會對比熱容產(chǎn)生影響。13. 什么是熱容量?它與比熱有何不同?答：質(zhì)量為m的物質(zhì)，溫度升高（或降低）1所吸收（或放出）的熱量稱為

7、該物質(zhì)的熱容。熱容Q=mc,熱容的大小等于物體質(zhì)量與比熱的乘積，熱容與質(zhì)量有關，比熱容與質(zhì)量無關，對于相同質(zhì)量的物體比熱容大的熱容大，對于同一物質(zhì)，質(zhì)量大的熱容大。14. 什么是氣體內(nèi)能?答：氣體內(nèi)部分子運動所形成的內(nèi)動能和由于分子相互之間的吸引力所形成的內(nèi)位能的總和稱為內(nèi)能。u表示1kg氣體的內(nèi)能，U表示mkg氣體的內(nèi)能。則U=mu15. 什么是焓?答：在某一狀態(tài)下單位質(zhì)量工質(zhì)比容為v，所受壓力為P，為反抗此壓力，該工質(zhì)必須具備pv的壓力位能。單位質(zhì)量工質(zhì)內(nèi)能和壓力位能之和稱為比焓。比焓的符號為h單位KJ/kg。其定義式為：h=u十pvKJ/kg對m千克工質(zhì)，內(nèi)能和壓力位能之和稱為焓，單位k

8、J,即H=mh=U+pV由h=u+pv可看出，工質(zhì)的狀態(tài)一定，則內(nèi)能U及PV定，焓也一定，即焓僅為狀態(tài)所決定所以焓也是狀態(tài)參數(shù)。16. 什么是熵?答：在沒有摩擦的平衡過程中，單位質(zhì)量的工質(zhì)吸收的熱量dq與工質(zhì)吸熱時的絕對溫度T的比值叫熵的增加量。其表達式為：S=dq/T其中S=S2-S是熵的變化量。熵的單位是(J/(kgK)若某過程中氣體的熵增加，即厶S0,則表示氣體是吸熱過程。若某過程中氣體的熵減少，即SvO,則表示氣體是放熱過程。若某過程中氣體的熵不變。即S=O，則表示氣體是絕熱過程。17. 什么是理想氣體?什么是實際氣體?答：氣體分子間不存在引力，分子本身不占有體積的氣體叫理想氣體。反之

9、，氣體分子間存在著引力，分子本身占有體積的氣體叫實際氣體。18. 火電廠中什么氣體可看作理想氣體?什么氣體可看作實際氣體?答：在火力發(fā)電廠中，空氣、燃氣、煙氣可以作為理想氣體看待，因為它們遠離液態(tài)，與理想氣體的性質(zhì)很接近。在蒸汽動力設備中，作為工質(zhì)的水蒸汽，因其壓力高，比容小，即氣體分子間的距離比較小，分子間的吸引力也相當大。離液態(tài)接近，所以水蒸汽應作為實際氣體看待。19. 什么是理想氣體的狀態(tài)方程式?答：當理想氣體處于平衡狀態(tài)時，在確定的狀態(tài)參數(shù)p、V、T之間存在著一定的關系，這種關系表達式PV=RT即為lkg質(zhì)量理想氣體狀態(tài)方程式。如果氣體質(zhì)量為m千克，則氣體狀態(tài)方程式為：pV=mRT式中

10、p-氣體的絕對壓力，Nm2；T氣體的絕對溫度，K;R-氣體常數(shù)，J/(kgK);V-氣體的體積，m3。氣體常數(shù)R與狀態(tài)無關，但對不同的氣體卻有不同的氣體常數(shù)。例如空氣的R=287J(kgK)，氧氣的R=259.8J/(kgK)。20. 理想氣體的基本定律有哪些?其內(nèi)容是什么？答：理想氣體的三個基本定律是：(1)波義耳-馬略特定律;(2)查理定律;(3)蓋呂薩克定律。其具體內(nèi)容：(1) 波義耳-馬略特定律：當氣體溫度不變時，壓力與比容成反比變化。用公式表示：pv=pv1122氣體質(zhì)量為m時:P1Vi=P2V2(其中V=mv)o(2) 查理定律：氣體比容不變時，壓力與溫度成正比變化。用公式表示為：

11、p/T=p/T1122(3) 蓋呂薩克定律：氣體壓力不變時，比容與溫度成正比變化，對于質(zhì)量為m的氣體，壓力不變時，體積與溫度成正比變化。用公式表示：V/T嚴2化或叫/=叮丁221. 什么是不可逆過程?答：存在摩擦，渦流等能量損失而使過程只能單方向進行，不可逆轉的過程叫做不可逆過程。實際的過程都是不可逆過程。22. 什么是等容過程?等容過程中吸收的熱量和所做的功如何計算?答：容積(或比容)保持不變的情況下進行的過程叫等容過程。由理想氣體狀態(tài)方程pv=RT得p/T=R/v=常數(shù)，即等容過程中壓力與溫度成正比。因v=0.所以容積變化功w=0,則=u十w=Au=U2-Ui,也即等容過程中，所有加入的熱

12、量全部用于增加氣體的內(nèi)能。23. 什么是等溫過程?等溫過程中工質(zhì)吸收的熱量如何計算?答：溫度不變的情況下進行的熱力過程叫做等溫過程。由理想氣體狀態(tài)方程Pv=RT對一定的工質(zhì)則pv=RT=常數(shù)，即等溫過程中壓力與比容成反比。其吸收熱量：q=Au十wq=T(s-s)2124. 什么是等壓過程?等壓過程的功及熱量如何計算？答：工質(zhì)的壓力保持不變的過程稱為等壓過程，如鍋爐中水的汽化過程，乏汽在凝汽器中的凝結過程，空氣預熱器中空氣的吸熱過程都是在壓力不變時進行的過程。由理想氣體狀態(tài)方程Pv=RT,T/v=p/R=常數(shù)，即等壓過程中溫度與比容成正比。等壓過程做的功：w=p(v-v)21等壓過程工質(zhì)吸收的熱

13、量：q=Au十w=uu+p(v-v)=(u+pv)(u+pv)=h-h21212221112125. 什么是絕熱過程?絕熱過程的功和內(nèi)能如何計算？答：在與外界沒有熱量交換情況下所進行的過程稱為絕熱過程。如汽輪機為了減少散熱損失，汽缸外側包有絕熱材料，而工質(zhì)所進行的膨脹過程極快，在極短時間內(nèi)來不及散熱，其熱量損失很小，可忽略不計，故常把工質(zhì)在這些熱機中的過程作為絕熱過程處理。因絕熱過程q=0,則q=Au十ww=Au即絕熱過程中膨脹功來自內(nèi)能的減少，而壓縮功使內(nèi)能增加。w=(p1v1-p2v2)/(k-1)k為絕熱指數(shù)，與工質(zhì)的原子個數(shù)有關。單原子氣體k=1.67，雙原子氣體k=1.4,三原子氣體

14、k=1.28。26. 什么是等熵過程?答：熵不變的熱力過程稱為等熵過程。可逆的絕熱過程，即沒有能量損失的絕熱過程為等熵過程。在有能量損耗的不可逆過程中，雖然外界沒有加入熱量但工質(zhì)要吸收由于摩擦、擾動等損耗而轉變成的熱量，這部分熱量使工質(zhì)的熵是增加的，這時絕熱過程不為等熵過程。汽輪機工質(zhì)膨脹過程是個不可逆的絕熱過程。27. 簡述熱力學第二定律？答：熱力學第二定律說明了能量傳遞和轉化的方向、條件、程度。它有兩種敘述方法：從能量傳遞角度來講：熱不可能自發(fā)地不付代價地，從低溫物體傳到高溫物體；從能量轉換角度來講：不可能制造出從單一熱源吸熱，使之全部轉化成為功而不留下任何其它變化的熱力發(fā)動機。28. 什

15、么是熱力循環(huán)？答：工質(zhì)從某狀態(tài)點開始，經(jīng)過一系列的狀態(tài)變化又回到原來這一狀態(tài)點的封閉變化過程叫做熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。29. 什么叫是循環(huán)的熱效率?答：工質(zhì)每完成一個循環(huán)所做的凈功W和工質(zhì)在循環(huán)中從高溫熱源吸收的熱量q的比值叫做循環(huán)的熱效率，即n=w/q循環(huán)的熱效率說明了循環(huán)中熱轉變?yōu)楣Φ某潭龋琻越高，說明工質(zhì)從熱源吸收的熱量中轉變?yōu)楣Φ牟糠志驮蕉?，反之轉變?yōu)楣Φ牟糠衷缴佟?0. 卡諾循環(huán)是由哪些過程組成的?其熱效率如何計算?答：卡諾循環(huán)是由兩個可逆的定溫過程和兩個可逆的絕熱過程所組成。因而，整個卡諾循環(huán)是個可逆過程，見附圖：圖中12過程為可逆的定溫膨脹過程；23過程為可逆的絕熱膨脹做功過程；3

16、4過程為可逆的定溫壓縮過程；41過程為可逆的絕熱壓縮過程。qi=Ti(s2-si)(為工質(zhì)從熱源吸收的熱量)q2=T2(s2-si)=T2As(為工質(zhì)向冷源放出的熱量)0Ifi4if2(a)(a)卡諾循環(huán)在pv圖上的表示,sIS2s(b)卡諾循環(huán)在TS圖上的表示；圖215卡諾循環(huán)圖卡諾循環(huán)熱效率計算式為：n=w/q=(q-q)/q=1-q/q=(1-Ts)/(1-Ts)=1-T/T121212121卡諾循環(huán)能連續(xù)輸出的凈功是個T-s圖上的面積12341即凈功w=q-q1231. 從卡諾循環(huán)的熱效率能得出哪些結論?答：從nT-T2/中可以得出以下幾點結論：(1) 卡諾循環(huán)的熱效率決定于熱源溫度1

17、和冷源溫度T2,而與工質(zhì)性質(zhì)無關，提高匚降低T2,可以提高循環(huán)熱效率。(2) 卡諾循環(huán)熱效率只能小于1,而不能等于1,因為要使使Ti=(無窮大)或T2=0(絕對零度)都是不可能的。也就是說，q2損失只能減少而無法避免。(3) 當1=-時，卡諾循環(huán)的熱效率為零。也就是說，在沒有溫差的體系中，無法實現(xiàn)熱能轉變?yōu)闄C械能的熱力循環(huán),或者說,只有一個熱源裝置而無冷卻裝置的熱機是無法實現(xiàn)的。32. 什么是動態(tài)平衡?什么是飽和狀態(tài)、飽和溫度、飽和壓力、飽和水、飽和蒸汽?答：一定壓力下汽水共存的密封容器內(nèi)，液體和蒸汽的分子在不停地運動，有的跑出液面、有的返回液面，當從水中飛出的分子數(shù)目等于因相互碰撞而返回水中

18、的分子數(shù)時，這種狀態(tài)稱為動態(tài)平衡。處于動態(tài)平衡的汽、液共存的狀態(tài)叫飽和狀態(tài)。在飽和狀態(tài)時，液體和蒸汽的溫度相同，這個溫度稱為飽和溫度；液體和蒸汽的壓力也相同，該壓力稱為飽和壓力。飽和狀態(tài)的水稱為飽和水；飽和狀態(tài)下的蒸汽稱為飽和蒸汽。33. 為什么飽和壓力隨飽和溫度升高而增高?答：溫度升高，分子的平均動能增大，從水中飛出的分子數(shù)目越多，因而使汽側分子密度增大。同時蒸汽分子的平均運動速度也隨著增加，這樣就使得蒸汽分子對器壁的碰撞增強，其結果使得壓力增大，所以說：飽和壓力隨飽和溫度升高而增高。34. 什么是濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽、過熱蒸汽?答：在水達到飽和溫度后，如定壓加熱，則飽和水開始汽化，在水沒

19、有完全汽化之前，含有飽和水的蒸汽叫濕飽和蒸汽，簡稱濕蒸汽。濕飽和蒸汽繼續(xù)在定壓條件下加熱，水完全汽化成蒸汽時的狀態(tài)叫干飽和蒸汽。干飽和蒸汽繼續(xù)定壓加熱蒸汽溫度上升而超過飽和溫度時，就變成過熱蒸汽。35. 什么是液體熱、汽化熱、過熱熱?答：把水加熱到飽和水時所加入的熱量，稱為液體熱。lkg飽和水在定壓條件下加熱至完全汽化所加入的熱量叫汽化潛熱，簡稱汽化熱。干飽和蒸汽定壓加熱變成過熱蒸汽，過熱過程吸收的熱量叫過熱熱。36. 什么是朗肯循環(huán)?答：以水蒸氣為工質(zhì)的火力發(fā)電廠中，讓飽和蒸汽在鍋爐的過熱器中進一步吸熱然后過熱蒸汽在汽輪機內(nèi)進行絕熱膨脹做功，汽輪機排汽在凝汽器中全部凝結成水。并以水泵代替卡諾

20、循環(huán)中的壓縮機使凝結水重又進人鍋爐受熱，這樣組成的汽水基本循環(huán)，稱之為朗肯循環(huán)。37. 朗肯循環(huán)是通過哪些熱力設備實施的?各設備的作用是什么?畫出其熱力設備系統(tǒng)圖？答：朗肯循環(huán)的主要設備是蒸汽鍋爐、汽輪機、凝汽器和給水泵四個部分。(1) 鍋爐：包括省煤器、爐膛、水冷壁和過熱器，其作用是將給水定壓加熱，產(chǎn)生過熱蒸汽，通過蒸汽管道，送入汽輪機。(2) 汽輪機：蒸汽進入汽輪機絕熱膨脹做功將熱能轉變?yōu)闄C械能。(3) 凝汽器：作用是將汽輪機排汽定壓下冷卻，凝結成飽和水，即凝結。(4) 給水泵：作用是將凝結水在水泵中絕熱壓縮，提升壓力后送回鍋爐。38.1-鍋爐；2-汽輪機；3-凝汽器；4-給水泵圖216朗

21、肯循環(huán)熱力設備系統(tǒng)圖朗肯循環(huán)的熱效率如何計算?答：根據(jù)效率公式n=w/qi=(%代)/qi式中qilkg蒸汽在鍋爐中定壓吸收的熱量，kJ/kgq2lkg蒸汽在凝汽器中定壓放出的熱量，kJ/kg。對朗肯循環(huán)1kg蒸汽在鍋爐中定壓吸收的熱量為：q=hh給kJ/kg(142)11給式中hi過熱蒸汽焓，kJ/kgh給給水焓，kJ/kg給1kg排汽在凝汽器中定壓放出熱量為q2=h2-h2kJ/kg式中h2汽輪機排汽焓，kJ/kg;h2凝結水焓，kJ/kg。因水在水泵中絕熱壓縮時，其溫度變化不大，所以h給可以認為等于凝結水焓狒。則給2循環(huán)所獲功為：w=q-q=(h-h)-(h-h)=(h-h)-(h-h)

22、=h-h121給2212給212所以n=w/q=(h-h)/(h-h)1121239. 影響朗肯循環(huán)效率的因素有哪些?答：從朗肯循環(huán)效率公式n=(hi-h2)/(hi-h2)可以看出n取決于過熱蒸汽焓1，排汽焓h2以及凝結水焓h2，而1由過熱蒸汽的初參數(shù)從、t決定。h2和h2都由參數(shù)p2決定，所以朗肯循環(huán)效率取決于過熱蒸汽的初參數(shù)p1七和終參數(shù)p2。毫無疑問：初參數(shù)(過熱蒸汽壓力，溫度)提高，其他條件不變熱效率將提高，反之，則下降，終參數(shù)(排汽壓力)下降，初參數(shù)不變，則熱效率提高，反之，則下降。40. 什么是給水回熱循環(huán)?答：把汽輪機中部分做過功的蒸汽抽出，送入加熱器中加熱給水，這種循環(huán)叫給水

23、回熱循環(huán)。41. 采用給水回熱循環(huán)的意義是什么?答：采用給水回熱加熱以后，一方面從汽輪機中間部分抽出一部分蒸汽，加熱給水提高了鍋爐給水溫度。這樣可使抽汽不在凝汽器中冷凝放熱，減少了冷源損失q尹另一方面，提高了給水溫度，減少給水在鍋爐中的吸熱量。因此，在蒸汽初、終參數(shù)相同的情況下，采用給水回熱循環(huán)的熱效率比朗肯循環(huán)熱效率高。一般回熱級數(shù)不止一級，中參數(shù)的機組，回熱級數(shù)34級；高參數(shù)機組67級；超高參數(shù)機組不超過8一9級。42. 什么是再熱循環(huán)?答：再熱循環(huán)就是把汽輪機高壓缸內(nèi)已經(jīng)做了部分功的蒸汽再引入到鍋爐的再熱器，重新加熱，使蒸汽溫度又提高到初溫度，然后再引回汽輪機中、低壓缸內(nèi)繼續(xù)做功，最后的乏汽排入凝汽器的一種循環(huán)。43. 采用中間再熱循環(huán)的目的是什么?答：采用中間再熱循環(huán)的目的有兩個：低終濕度：由于大型機組初壓入的提高，使排汽濕度增加，對汽輪機的末幾級葉片侵蝕增大。雖然提高初溫可以降低終濕度，但提高初溫度受金屬材料耐溫性能的限制，因此對終濕度改善較少；采用中間再熱循環(huán)有利于終濕度的改善使得終濕度降到允許的范圍內(nèi)，減輕濕蒸汽對葉片的沖蝕、提高低壓部分的內(nèi)效率。提高熱效率:采用中間再熱循環(huán)，正確的選擇再熱壓力后，循環(huán)效率可以提高4%5%。44. 什么是換熱?換熱有哪幾種基本形式?答:物體間的熱量交換稱為換熱。換熱有三種