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工程热力学核心原理与应用 一本全面而深入的工程热力学教材，旨在为工程、物理及化学领域的学生和专业人士提供坚实的理论基础与丰富的实际应用案例。 本书聚焦于热力学第一、第二和第三定律的严谨阐述，并将其系统地应用于各种工程系统和物理过程的分析之中。我们相信，掌握热力学，即是掌握了能量转换与利用的本质规律，这是现代工程技术得以发展和创新的基石。 第一部分：热力学基础与宏观视角 第一章：热力学的基本概念与系统描述 本章首先界定热力学的研究范围，区分宏观热力学与微观统计力学的视角。我们详细探讨了“系统”、“边界”和“环境”的定义，以及纯净物、纯物质和混合物的概念。重点讲解了热力学平衡态的判据，包括热平衡、力平衡和化学平衡。压力、温度、体积和密度的基本热力学性质得到严格定义，并引入了比容、密度等重要参数。本章还深入讨论了热力学过程的描述，如等温、等压、定容和绝热过程，并引入了“状态函数”的概念，强调其路径无关性。最后，介绍了理想气体状态方程的推导和应用，为后续的分析奠定了基础。 第二章：热力学第一定律——能量守恒的数学表达 热力学第一定律被确立为能量守恒定律在热力学过程中的具体体现。本章严格推导了适用于封闭系统和控制体（控制容积）的第一定律表达式。对于封闭系统，我们详细分析了功（$W$）的各种形式，包括体积功、非体积功（如轴功、电功）的计算方法。能量（内能 $U$）作为核心状态函数被引入，并与热量（$Q$）和功（$W$）联系起来。 对于流动系统，本章的核心在于控制体分析。通过对流体微元体进行能量平衡，我们导出了稳态和非稳态流动的能量方程。本章包含了对基本流动设备的详细应用分析，如等熵流动的节流过程、热交换器、泵和压缩机的分析，着重于理解能量如何在这些设备中传递和转化。 第三章：热力学性质的确定与查表 本章侧重于实用性，讲解如何准确获取和利用纯物质的热力学性质。我们详细考察了水（蒸汽）作为最常见的工质的热力学性质图表（$P-v, T-v, T-s, h-s$ 图）的解读与使用方法。饱和状态、过热蒸汽、湿蒸汽区域的划分与计算被详尽阐述。此外，还介绍了查取其他常见工质（如制冷剂）性质表的方法，并解释了插值技术在实际工程计算中的重要性。 第二部分：过程的不可逆性与效率限制 第四章：热力学第二定律——过程的方向与熵 热力学第二定律是理解能量质量和过程方向的关键。本章首先引入了开尔文-普朗克（Kelvin-Planck）和克劳修斯（Clausius）表述，确立了热机和制冷循环的效率极限。 熵（$S$）作为第二定律的核心状态函数被系统地引入。本章推导了熵的平衡方程，即熵产生（$S_{gen}$）的概念，阐明了熵产生是衡量过程不可逆性的量度。我们详细分析了可逆过程、不可逆过程和不可能过程的区别，并通过等熵过程（熵产生为零）在流动系统中的应用（如等熵膨胀和压缩）进行讲解。 第五章：熵的产生与热力学过程的优化 本章致力于将第二定律应用于实际工程系统的效率分析。我们引入了“有效能”（Exergy）或称“㶲”的概念，将其定义为参考状态下系统所能做的最大功。有效能分析是评估能量利用质量的强大工具，它不仅考虑了能量的大小（第一定律），更考虑了能量的品质（第二定律）。 本章详细讲解了㶲的损失（不可用能）如何产生，以及如何通过㶲平衡来定位工程系统中的主要能耗和损失环节。通过对燃烧室、涡轮和换热器进行㶲分析，读者将能理解如何通过最小化㶲损失来最大化系统的热力学效率。 第六章：热力学循环分析 本章应用前述定律来分析常见的能量转换循环。 1. 蒸汽动力循环： 详细分析朗肯循环（Rankine Cycle）及其改进型，如回热、再热和冲煮循环，并计算其热效率和平均有效压力。 2. 气体动力循环： 深入研究理想布雷顿循环（Brayton Cycle）及其在燃气轮机中的应用，探讨其对压缩比和涡轮进气温度的依赖性。 3. 制冷与热泵循环： 阐述蒸汽压缩制冷循环（Vapor-Compression Refrigeration Cycle）的工作原理，并引入性能系数（COP）的概念，区分制冷和热泵的评价标准。 4. 内燃机循环： 分析理想的奥托循环（Otto Cycle）和狄塞尔循环（Diesel Cycle），探讨其与实际发动机性能的关系。 第三部分：应用与高级主题 第七章：热力学关系式与偏导数运算 本章着重于热力学性质之间的数学联系，为深入研究打下基础。我们推导并应用了麦克斯韦关系式（Maxwell Relations），展示了如何通过更容易测量的性质（如 $P, V, T$）来计算难以直接测量的性质（如 $S, U, H$）。本章还涵盖了偏微分方程的链式法则、全微分和雅可比行列式的应用，这些工具对于处理复杂系统的性质变化至关重要。 第八章：化学热力学基础与相平衡 本章将热力学原理扩展到化学反应和相变平衡领域。我们介绍了化学势（Chemical Potential）的概念，它是判断系统在化学反应或相变中是否处于平衡状态的关键状态函数。 重点讨论了反应的吉布斯自由能（$Delta G$）及其与反应方向和平衡常数的关系。通过范特霍夫（Van't Hoff）方程和克劳修斯-克拉佩龙（Clausius-Clapeyron）方程，我们将热力学分析应用于液相/气相平衡和化学反应平衡的定量预测。 第九章：气体混合物与燃烧分析 本章处理气体混合物的性质计算，特别是当混合物发生燃烧反应时。我们使用分压和体积分数来描述混合物的状态。对于燃烧过程，详细讨论了化学计量数、理论空气量、燃烧产物的成分分析（干基与湿基），以及燃烧温度（绝热火焰温度）的计算，这对设计高效燃烧设备具有直接指导意义。 结语 本书的结构设计旨在提供一个从基本概念到复杂应用的平稳过渡。通过大量的图表、详细的推导过程和丰富的工程实例，我们力求使读者不仅能够“使用”热力学公式，更能深刻理解这些公式背后的物理意义，从而在面对复杂和前所未有的工程挑战时，能够建立准确的热力学模型并做出最优决策。本书是工程师解决能源、动力、制冷和化学过程问题的必备参考工具书。
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