工程热力学课件教学作者刘宝兴工程热力学18(全套课件齐)

1工程热力学精品课程教学课件PPT2面向21世纪高等学校课程教材

工程热力学

ENGINEERINGTHERMODYNAMICS

主编刘宝兴

主审任禾盛

机械工业出版社3第1章根本概念和定义1.1热力学的应用领域1.2系统的定义1.3系统的描述及其性质1.4比体积和压力1.5温度4热力学是一门研究能的科学，是研究物质性质和能量转换之间关系的根底工程学科。热转换成功，或化学能转换成电能就是能的形式的转换，热力学提供了对它们进行分析的科学工具。51.1应用领域在许多工程系统和其他生活方面常常遇到热力学的应用：心脏不断地将血液泵到人体全身。体细胞中的各种能量转换。体热不停地排放到环境。一间普通的房屋在某些方面就是一间充满热力学奇妙的展示厅，图1-1是具有太阳能热水系统的民宅。许多常用的家用器皿和家用电器都多少用到热力学原理6图1-1是具有太阳能热水系统的民宅。7典型工程设备及系统：蒸汽动力发电厂是现代文明根底的动力装置。图1-2描述一个简单蒸汽动力装置循环。它需要人们用热力学去加以分析改进以提高蒸汽动力发电厂的效率。8图1-2描述一个简单蒸汽动力装置循环。9燃气发动机—热力学可分析预测可从发动机得到多少功，如何降低发动机排气污染。燃气轮机是另一种动力源。基于微型燃气轮机的冷热电三联供系统，见图1-3。如何更有效地将燃料的化学能转换成机械能?10微型燃气轮机的冷热电三联供系统示意图。11直接的能量转换〔1〕燃料电池，它将化学能直接转换成电能，图1-4示意表示利用氢和氧的燃料电池。〔2〕热电发生器12图1-4示意表示利用氢和氧的燃料电池。13地热发电厂-蒸汽动力装置的另一种形式太阳能必须开发经济实用的一些方法。以降低储存本钱和设计出经济的房屋辅助采暖系统。热力学涉及所有与能有关的问题，掌握热力学原理对开发利用能源是十分重要的。141.2系统的定义热力学系统〔或称为系统〕—任何具有确定特性的物质或空间的整体。系统的选择由个人决定，如何确定系统需要一定的技巧。系统分为两类—闭口系统和开口系统。闭口系统〔也称为控制质量〕—定量物质，没有物质跨越边界。15孤立系统—与外界不以任何方式相互作用的闭口系统。开口系统〔也称为控制容积〕—物质可跨越系统的边界，是适中选择的空间区域，通常是包围涉及物质流动的装置设备外界—不在系统中的其他一切事物边界—分开系统和外界的外表161.3系统的描述及其性质研究方法—主要是用宏观的方法〔经典的方法〕，微观的方法〔统计的方法〕只用于解释某些用宏观方法不能理解的现象。状态—描述物质如何存在。它具有温度、压力、密度以及其他宏观参数。参数是整个系统的特征量，它不取决于系统状态如何变化，只取决于最终的系统状态。参数必须是系统的特性。一个系统从一个状态到另一个状态，参数只取决于状态，与系统经历的状态变化无关。17参数可以细分成两类，强度参数和广延参数。强度参数不依赖系统的大小，例如温度和压力。广延参数依赖于系统的大小，例如质量和体积。而单位质量的广延参数，如比体积，具有强度参数的性质。18平衡—只要系统内各处参数是均匀的，才有确定的参数值。这时系统就该参数来说是平衡的。热力学处理的是平衡状态—系统中没有不平衡的势〔或驱动力〕。当平衡系统孤立于外界时，就不经历变化。除非满足所有有关类型的平衡条件，否那么系统就不处于热力学平衡状态。19热平衡—整个系统的温度相同，即系统没有引起热流的驱动力，即温差。力平衡—力平衡与压力有关，系统任何点处没有压力随时间的变化。相平衡—每相的质量到达平衡含量并维持状态。化学平衡—系统化学组分不随时间变化，即没有化学反响发生。稳定状态—没有一个系统参数随时间而变。20状态公理—简单可压缩系统的状态完全可由两个独立的强度参数来给定。简单可压缩系统—没有电、磁、重力、运动和外表张力作用时的系统。这些作用是由外力场引起的，对大多数工程问题是可以忽略不计的。21温度与比体积是独立参数，并能一起确定简单可压缩系统的状态。温度和压力对单相系统是独立参数。对多相系统是互相对应的参数。因此温度和压力缺乏以确定两相系统的状态。22过程—系统从一个平衡状态到另一个平衡状态所经历的任何变化，过程就是系统状态的变化。途径—在一个过程中系统所经过的无数个系统状态。一个过程的完整地描述，应说明过程的初态和终态、过程的途径以及与外界的相互作用。23当过程进行中系统随时保持无限接近平衡状态，就称为准静态过程或准平衡过程。一个准静态过程可以被看作系统内不平衡势无限小、过程进行得足够慢的过程。人们对准静态过程感兴趣，一是因为它分析方便，二是可以用作与实际过程进行比较的标准。24用参数坐标图来分析热力过程是很方便的。图1-5表示汽缸—活塞压缩过程的p-V图。过程途径表示过程中系统经历的一系列平衡状态。对非准静态过程无法用一个状态来表征整个系统，所以也没有整个系统的过程途径。非准静态过程用初态和终态之间的虚线表示。25图1-5表示汽缸—活塞压缩过程的p-V图26过程中温度保持不变的过程叫等温过程。过程中压力保持不变的过程叫等压过程。过程中比体积保持不变的过程叫等容过程。热力学循环是两个或更多个过程的总体，并且终态等于初始状态。27稳定就意味着参数不随时间变化，反之就是不稳定。稳定流动过程被定义为在该过程中流体稳定地流过控制容积，这时流体参数可从控制容积中的一点到另一点发生变化，但是，在任何固定点、在整个过程中都保持不变。在稳定流动过程中控制容积的体积V、质量m和总能量E保持不变。28有些循环装置〔如往复式发动机或压缩机〕，当流体的参数随时间周期变化时，就可用参数的时间平均值来将经过这些装置的流动分析成稳定流动过程。均匀就意味着参数在给定区域中不随地点变化。29能可以许多形式存在，诸如热能、机械能、动能、势能、电能、磁能、化学能和核能，它们的总和构成系统的总能E。单位质量的系统总能e为e=E/m。热力学不讨论系统总能的绝对值，只研究系统总能的变化。于是可指定在某方便的参考点，系统总能为零。系统总能的变化与选择的参考点无关。30在热力学分析中，常常将构成总能的各种能的形式分为两种：宏观形式的能和微观形式的能。能的宏观形式是系统作为整体相对某外部参考系所具有的能的形式，如动能和势能。系统相对某参考系运动所具有的能量称为动能，Ke=m2/2。对单位质量有ke=2/2。由系统在重力场中的标高而具有的能量称为势能，Pe=mgz。对单位质量有pe=gz。31能的微观形式是与系统分子结构和分子活动程度有关的能的形式，它们独立于外部参考系。所有微观形式能的总和称为系统的热力学能，并用符号表示为U。32在不计电、磁和外表张力的作用时，系统总能E由热力学能、动能和势能构成，并表示为E=U+Ke+Pe=U+m2/2+mgze=u+ke+pe=u+2/2+gz静止系统的总能变化ΔE等于其热力学能的变化ΔU。与分子各种动能有关的系统热力学能称为显能。热力学能还与分子间、原子间和粒子间的结合力有关。与系统的相有关的热力学能称为潜能。另外热力学能还包括化学能和核能。33上述讨论的各种形式的能可储存在系统中，可看作能的静态形式。不储存在系统中的能是动态形式，或称为能的相互作用。动态形式能可在它跨越边界时被确认，也就代表系统在过程中得到或失去的能量。34与闭口系统有关的能的相互作用仅有传递热和功两种。如果驱动力是温差，那么能的相互作用就是传热，否那么就是功。对控制容积，还可通过质量传递来交换能量。在热力学中，通常指热力学能中的显能和潜能为热能，以与传递热相区分。35物体的动能是与所有分子有规律运动有关的有序形式能量，相反，分子的动能完全是无规律的，是高度无序形式能量。有序形式能量远比无序形式能量有价值，热力学的一个主要方面就是讨论无序形式能量〔热量〕向有序形式能量〔功〕的转换。有序形式能量可被完全转换成无序形式能量。只有一局部无序形式能量可通过热机被转换成有序形式能量。361.4比体积和压力比体积是物质的体积除以质量，v=V/m。密度是单位容积中物质的质量，即比体积的倒数，ρ=1/v。假设系统中的物质是均匀的、平衡的，作用在有限面积A上的法向力为F，那么每单位面积上的法向力p=F/A称为压力。压力单位定义为帕，1Pa=1N/m2。37相对绝对真空的压力称为绝对压力p。绝对压力p和当地大气压力pb之差称为表压力pg。小于大气压的压力称为真空压力pv或真空。pg

=p–pb

pv

=pb–p大气压力pb是空气受重力作用的结果，在海平面处是101325Pa=760mmHg。38测量压力的两种常用仪器是压力计和布尔登管式压力计。压力计用液柱高度来测量压差，液体可以是水、水银或油。图1-6所示的压力计是一端向大气敞开，另一端连接内含被测气体的封闭容器。气体压力和大气压力之差是p–pb

=ρgL

ρ是压力计液体的密度；g是重力加速度；L是两液面标高差。39图1-6用压力计测量压力40布尔登管式压力计测量的是相对于外界的压力，因此，当管子内外压力相等时，刻度读数为零。图1-7用布尔登管式压力计测量压力41图1-7用布尔登管式压力计测量压力42压力也可以通过其它方法来测量。压电式传感器：当某固体材料变型时就在其内产生电荷。这种机械输入/电子输出现象为压力测量、位移测量和力测量提供了根底。图1-8带有自动数据采集的压力传感器膜片传感器受力后就变位，改变电感、电阻、或电容。43图1-8带有自动数据采集的压力传感器441.5温度温度是物体冷、热程度的度量。温度的相同性是可以定义的。温度相同性是由别的性质〔如电阻和密度〕的变化来度量的。热力学第零定律说：“当两个物体都与第三个物体处于热平衡时，这两个物体就相互处于热平衡，因而处于相同的温度。〞这时，这第三个物体就是温度计。最普通的温度计是充满有色酒精或水银的密封玻璃毛细管。应注意到温度计取决于密度参数的变化来表示温度。45温度的数值表示法称为温标。温标使我们能够用共同的基准来测温。温标基准点有两种，一种是水的三相点〔冰、水和水蒸气共存点〕，另一种是在一个大气压下水的沸点。常用的温标有SI制的摄氏温标、英制华氏温标和热力学温标。46在摄氏温标中，指定水的冰点和沸点分别为0℃和100℃。在华氏温标中，指定水的冰点和沸点分别为32℉和212℉。热力学温标〔绝对温标〕是一种与任何物质性质无关的温标。在SI制中是开尔文温标，其温度单位表示为K，最低温度为0K。在英制中热力学温标是朗肯温标，其温度单位表示为R。47热力学温标规定水的三相点的温度为273.16K，因此，热力学温度的一度就是水的三相点温度的1/273.16。摄氏温标与开尔文温标的关系是t℃=TK-273.15摄氏温度℃与华氏温度℉的关系是t℃

=(5/9)(t℉-32)朗肯温标R与华氏温度℉的关系是TR=t℉+

459.6748第1章小结介绍一些热力学的根本概念和定义。热力学分析的一个重要方面是要确定系统并用参数和涉及的过程来描述系统的工作情况。讨论三个重要参数：比体积、压力、和温度。热力学考虑处于平衡状态的系统和经历状态变化的系统。除了研究过程中对平衡的偏离可忽略不计的准平衡过程之外，也研究过程中的状态是不平衡状态的过程。49第2章纯物质的性质2.1纯物质2.2纯物质的相2.3纯物质的相变过程2.4相变过程参数图2.5热力学参数表2-6理想气体状态方程2-7压缩因子—偏离理想气体性质的度量2-8实际气体状态方程2-9比热容2-10理想气体的热力学能、焓和比热容2-11固体和液体的热力学能、焓和比热容502.1纯物质整个物质处处具有固定的化学组成，那么该物质是纯物质。纯物质不一定是单种化学元素或化合物。各种化学元素或化合物的混合物也可看作纯物质，只要混合物是均匀的。这就意味着，纯物质必须是均匀的，在各处具有相同的化学和物理组成。51空气是多种气体的混合物，但空气常常被认为是纯物质，因为在常温常压时，氧气和氮气的混合物在各处都具有相同的化学组成。只要所有相的化学组成是相同的，那么纯物质的二相或多相混合物仍然是纯物质。例如，容器中的气态水〔在上部的水蒸气〕和液态水构成纯物质，但气态空气〔在上部〕和液态空气就不构成纯物质。522.2纯物质的相物质的某些状态集合称为该物质的相。当固体变成液体就出现融化；当液体变成固体就出现凝固；当液体变成气体〔蒸汽〕就出现蒸发；当气体〔蒸汽〕变成液体就出现冷凝；当固体变成气体就出现升华。532.3纯物质的相变过程

处于没开始蒸发的未饱和水称为过冷水。正要蒸发的液体称为饱和水。局部液体变成蒸汽，出现液体和蒸汽的混合物，称为湿蒸汽。所有的液体全部蒸发，成了饱和蒸汽。使饱和蒸汽温度上升成了过热蒸汽。图2-1水的定压加热相变过程图2-2水在等压下加热过程的T-v图54图2-1水的定压加热相变过程55图2-2水在等压下加热过程的T-v图56在给定压力下纯物质发生相变的温度称为饱和温度Ts。在给定温度下纯物质发生相变的压力称为饱和压力ps。在相变过程中，压力和温度显然是相对应的参数，即Ts

=f(ps)。所有纯物质都有类似的特性。图2-3水的汽液饱和曲线57图2-3水的汽液饱和曲线58相变过程中吸收或释放的能量称为潜热。潜热的大小取决于发生相变时的温度或压力。在1atm下，冰的融化潜热是333.7kJ/kg，水的蒸发潜热是2257.1kJ/kg。592.4相变过程参数图

1.T-v图一点二线三区见图2-4连接所有的饱和液体状态点构成饱和液体线。连接所有的饱和蒸汽状态点构成饱和蒸汽线。当压力升高，饱和液体线和饱和蒸汽线靠近，最后成一点，称为临界点。在临界点处的温度、压力、和比体积分别称为临界温度Tc，临界压力pc，和临界比体积vc。水的临界参数分别为Tc

=374.14℃，pc

=22.09MPa，和vc

=0.003155m3/kg。60图2-4水在不同压力下的T-v图61所有过冷液体状态都位于饱和液体线左侧区域，称为过冷液体区。所有过热蒸汽状态都位于饱和蒸汽线右侧区域，称为过热蒸汽区。所有涉及两相平衡共存的状态位于饱和液体线和饱和蒸汽线之间的区域，称为湿蒸汽区。当压力高于临界压力时，就不存在明显的相变过程；通常将温度高于临界温度的物质称为过热蒸汽，温度低于临界温度的物质称为过冷液体。622.p-v图活塞汽缸装置内过冷水的等温逐渐降压过程：见图2-5当压力降低时，水的容积略微增加。当压力降到对应该给定温度下的饱和压力时，水就开始沸腾。在这相变过程中，温度和压力保持恒定，但比体积增加。一旦水全部蒸发完后，再减小压力就会引起比体积继续增大。在别的温度下重复上述过程，可得到类似的p-v对应关系。再连接所有的饱和液体状态点构成饱和液体线，连接所有的饱和蒸汽状态点构成饱和蒸汽线。这就是纯物质的p-v图。63图2-5纯物质的p-v图643.p-T图〔相图〕升华曲线将固态和气态分开，汽化曲线将液态和气态分开，而融化曲线将固态和液态分开。这三条线交于三相平衡共存的三相点。汽化曲线的另一端是临界点，在临界点以上无法区分液相和气相。物质凝固时体积增大〔如水〕，还是体积缩小〔如CO2〕，只是相图中融化曲线斜率的不同。图2-6纯物质的p-T图65图2-6纯物质的p-T图662.5热力学参数表

将复合参数U+pV定义为焓，表示为H=U+pV。对单位质量有h=u+pv。饱和水和饱和水蒸气热力性质表〔按温度排列〕〔按压力排列〕

干度x定义为饱和蒸汽质量占湿蒸汽混合物总质量的比例，x=mv/mtot。67在湿蒸汽分析中，干度是确定状态的两个独立强度参数之一。x=(hx-hf)/(hg-hf)，这式是用比焓来说明的，但对别的比参数也同样适用。干度可与T–v图或p–v图中湿蒸汽区的水平距离之比联系起来。其中分子是湿蒸汽状态和饱和液体状态之间的距离，而分母是饱和蒸汽状态和饱和液体状态之间的距离。干度x=0.5的状态就位于水平线的中间。68过热水蒸气热力性质表通常取温度和压力作为两个独立参数。未饱和水热力性质表通常取温度和压力作为两个独立参数。在缺少过冷液体数据时，可近似将过冷液体处理成给定温度下的饱和液体。然而，在非常高的压力时，用h≈hf+vf(p-ps)来计算可较大地减小h的误差。69热力学能U、焓H和熵S都无法直接测量，都是通过可测量参数采用热力学参数关系式来计算的。然而，这些关系式给出的是参数的变化量，不是给定状态的参数值。因此就需要选择方便的参考状态并指定在那状态的一个或几个适宜的参数值为零。对水，取0.01℃的饱和水为参考状态，这时的热力学能和熵值被指定为零。70对制冷剂R-134a，取-40℃的饱和液体为参考状态，这时的焓和熵值被指定为零。采用不同的参考状态会使不同的参数表在相同的状态列出不同的参数值。所以要从同一张表或图中取值。712-6理想气体状态方程物质的蒸气相在温度高于临界温度时习惯上称为气体，蒸气通常是指离凝结状态不太远的气体。任何将物质的压力、温度和比体积联系起来的关系式称为状态方程。理想气体状态方程〔理想气体定律〕并可表达为pV=mRT，对每kg工质有pv=RT。满足这个关系的气体称为理想气体。72假设M是摩尔质量，是摩尔体积，那么可得，即。式中Ru是通用气体常数，其值为8.314kJ/(kmol·K)。假设n是物质的量，那么可得pV=nRuT。在低压和高温时，气体密度降低，其表现就象处于这些条件下的理想气体一样。在实践应用范围，许多熟悉的气体，诸如空气、氮气、氧气、氢气、氦气、氩气、氖气、氪气，甚至较重的气体，诸如二氧化碳，都能处理成理想气体而可忽略误差〔常常小于1%〕。

73稠密的气体，诸如蒸汽动力装置中的水蒸气和制冷机中的制冷剂蒸气，不应处理成理想气体，对这些物质应使用参数表。压力低于10kPa时，水蒸气可以处理成理想气体，而不管其温度，并可忽略误差〔小于0.1%〕。然而，在较高压力时，理想气体假设产生了不可接受的误差，特别是在临界点和饱和蒸汽线附近〔超过100%〕。在空调场合，空气中的水蒸气可以被处理成理想气体，实质上没有误差。742-7压缩因子——偏离理想气体性质的度量

对给定的温度，当气体压力增大时，分子越来越被填充紧密。由于作用在分子上的力，引起非理想气体的行为。一些状态方程通过引入经验常数来考虑这种偏离。对理想气体有pv/RT=1；对非理想气体有pv/RT=Z。压缩因子Z=v实际/v理想。Z值偏离1越远，那么气体偏离理想气体性质越多。于是要求获得所有气体的压缩因子图表。

图2-7氢的压缩因子图75图2-7氢的压缩因子图76尽管各种气体在给定的温度和压力下性质是不同的，但在用临界参数进行标准后的温度和压力下，性质就非常一致；于是就只需开发一张图表。标准后的温度和压力称为比照温度Tr=T/Tc和比照压力pr=p/pc。对所有气体，在相同的比照温度和比照压力下的压缩因子Z近似相等，这就是对应态原理。对所有实验数据进行曲线拟合就得到适用所有气体的通用压缩因子图。77图2-8一些气体的压缩因子图78图2-9NELSON-OBERT通用压缩因子图〔低压区〕79图2-10NELSON-OBERT通用压缩因子图〔中压区〕80图2-11NELSON-OBERT通用压缩因子图〔高压区〕81由通用压缩因子图可得结论：在非常低的压力，pr«1，那么气体如同理想气体，不管在什么温度。在高温，Tr＞2，理想气体假设具有好的精度，除了压力pr»1。在临界点附近气体偏离理想气体性质最远。82当p和v，或者T和v，就采用准比照比体积vr=v实际/(RTc/pc)和通用压缩因子图来确定第三个参数。应该注意准比照比体积vr的定义不同于Tr和pr的定义，它是与Tc和pc有关，不用vc。等vr线也被标画在各通用压缩因子图上，这样就可以不用迭代来确定T或p。832-8实际气体状态方程

范德瓦尔状态方程含有两个常数，通过物质在临界点的性质来确定。方程形式为

常数a和b修正了气体的非理想特征。常数b涉及气体分子占据的有限容积，而项涉及内局部子作用力。84里德立希-匡状态方程是关于压力的显式方程。该方程在较高压力时比较精确。贝蒂-布里奇曼状态方程它基于5个实验确定的常数，其形式为

在气体比体积超过其临界比体积两倍的气体状态范围内，这个方程是相当精确的。852-9比热容比热容定义为单位质量物质温度升高1度所需要的能量。在热力学中对两类比热容感兴趣，比定容热容cv和比定压热容cp。单位质量物质在容积保持不变时温度升高1度所需要的能量称为比定容热容cv。单位质量物质在压力保持不变时温度升高1度所需要的能量称为比定压热容cp。比定压热容cp总是大于比定容热容cv，因为在定压时允许系统膨胀，就必须给系统供能用于膨胀功。86用别的热力学参数来表示比热容讨论静止闭口系统中的固定质量经历一个定容过程(就不涉及膨胀功或压缩功)能量守恒原理ein-eout=Δesys的微分形式可表示为δein-δeout=du式子的左侧表示传入系统的净能量。由cv的定义，这局部能量必须等于cvdT，即cvdT=du〔在定容过程〕或cv=(∂u/∂T)v

类似有比定压热容cp的表达式，可通过讨论定压膨胀或定压压缩过程来获得：cp=(∂h/∂T)p上面两式是cv和cp的定义式。它们分别解释为定容时热力学能随温度的变化和定压时焓随温度的变化。87几点结论注意到cv和cp都是用别的参数表示的，因此cv和cp本身必定是参数。cv

=(∂u/∂T)v和cp

=(∂h/∂T)p都是参数关系式，因此与各过程的类型无关。它们适用于经历任何过程的任何物质。88cv和定容过程唯一有关的是cv正好等于定容过程时传给系统每单位质量工质温升1度所需的能量。它说明如何来确定cv值。这也就是比定容热容名字的由来。同样，在定压过程时传给系统每单位质量工质温升1度所需的能量正好等于cp。它说明如何来确定cp值。这也就是比定压热容名字的由来。89cv与热力学能变化有关，而cp与焓变有关。事实上，cv的更适宜的定义是定容过程中单位质量物质每单位温度变化相应的热力学能的变化。cp可定义为在定压过程中单位质量物质每单位温度变化相应的焓的变化。90也就是说，cv是物质热力学能随温度变化的度量，而cp是物质焓随温度变化的度量。物质的热力学能和焓的变化可通过任何形式的能量传递，热量仅仅是其中的一种形式。因此，术语比能也许比术语比热容更恰当。比热容的单位通常是kJ/(kg·℃)或kJ/(kg·K)。这两个单位是一样的。有时比热容以摩尔物量单位给出，于是表示为和，单位为kJ/(kmol·℃)或kJ/(kmol·K)。912-10理想气体的热力学能、焓和比热容理想气体的热力学能是温度的单值函数。u=f(T)。

在经典的焦尔实验中，焦尔推理认为热力学能只是温度的函数，不是比体积和压力的函数。后来他又证明，明显偏离理想气体性质的气体，热力学能不只是温度的函数。理想气体的焓是温度的单值函数。h=f(T)。92对理想气体，cv和cp至多也只取决于温度。于是理想气体的热力学能和焓的微元变化可表示为du=cv(T)dTdh=cp(T)dT

从状态1到状态2，理想气体的热力学能和焓的变化可积分表示为Δu=u2-u1

=

cv(T)dT

Δh=h2-h1

=cp(T)dT93必须知道比热容随温度的变化关系图2-12一些理想气体的摩尔定压热容94理想气体热力性质表包括比热力学能u和比焓h的数据。状态1作为参考点并取为0K，并指定这时的比热力学能和比焓值为零。理想气体比热容精确分析的三次多项式表达式。在小于几百度的温度范围可近似看作直线关系，这时可取平均温度来计算，即有Δu=cv,av(t2-t1)Δh=cp,av(t2-t1)式中平均比热容可采用平均温度(t1

+t2)/2来查表获得95也可以计算出t1和t2时的比热容再取平均值。通常这两种方法没必要区分哪一个更好。单原子气体的比热容在整个温度范围是常量。96应该指出，上述Δu和Δh的关系式对所有过程都是正确的。式中比定容热容cv的出现不应该认为这个式子只适用定容过程。相反，Δu=cv,avΔT适用经历任何过程的任何理想气体。同样的讨论也适用cp和Δh。97小结理想气体的比热力学能变化和比焓变化可用三种方法计算：1〕采用表上的u和h的数据。这是最方便、最精确的方法。2〕采用cv和cp作为温度的函数的关系式进行积分计算。这对手算是不方便的，但对计算机计算是十分理想的。3〕采用平均比热容。在没有参数表的情况下，非常简单方便。如果温度范围不很大，那么结果也相当精确。98理想气体的cv和cp之间的特殊关系cp

=cv

+R比热容比γ≡cp(T)/cv(T)它也只是温度的函数，但受温度的影响很小。对单原子气体可取γ=1.667。许多双原子气体，包括空气，在室温下比热容比约为1.4。cp(T)=γR/(γ-1)cv(T)

=R/(γ

-1)992-11固体和液体的热力学能、焓和比热容密度恒定不变的物质称为不可压缩物质。固体和液体可近似地看作不可压缩物质而不会失去很多精度。对不可压缩物质，比定容热容和比定压热容是相等的，所以对固体和液体有cp

=cv

=c。与理想气体一样，不可压缩物质的比热容也只取决于温度。du=cvdT=c(T)dTΔu=u2-u1100对于小的温度变化范围可用平均温度下的c值，并看作常数，即Δu≈cv,av(T2

-T1)由焓的定义式的微分和比体积等于常量可得到Δh=Δu+vΔp≈cv,avΔT+vΔp

对固体，vΔp项是不重要的小量，因此，Δh=Δu≈cv,avΔT对液体，在定压过程有Δh=Δu≈cv,avΔT；在定温过程有Δh=vΔp。101第2章小结用表、图、和方程的形式来讨论广泛范围的物质的参数关系。热力学分析的关键是确定状态，这由纯物质、简单可压缩系统的状态原理来支配，它说明强度状态由两个独立的强度参数值来确定。热力学分析的另一个重要方面是将各过程的主要状态置于适当的图中：p-v，T-v，和p-T图。当求解涉及能量平衡的问题时，确定状态和利用参数图的技巧特别重要。引入理想气体模型，采用压缩因子作为偏离理想气体性质的度量。这种安排强调理想气体模型的界限。当采用理想气体模型适宜时，强调比热容通常随温度而变化，并在求解问题时采用理想气体表。102第3章经由功和热量及物质的能量传递3.1动能、势能和热力学能3.2经由功的能量传递3.3经由热量的能量传递3.4质量守恒原理3.5推动功和流动流体的能量1033.1动能、势能和热力学能在连续体分析中物体的总能表示为E=Ke+Pe+U这里Ke和Pe代表宏观上可观察到的物体的动能和势能。应注意到这些都是能的有序形式，它与所有分子在一个方向的直线运动、绕轴运动、或位移运动有关。热力学能U与分子的杂乱或无序状况有关。可以正确地推断，有序能远比无序能有用。重要的是寻找方法来将无序能转换成可宏观利用的有序的分子运动。两个系统合在一起的能量是他们各自的能量之和。用热力学语言说，能量是广延量。1043-2经由功的能量传递在热力学中讨论功，必定涉及系统。通常约定系统对外界作功为正，外界对系统作功为负。闭口系统所作的功：取活塞-气缸系统，在准平衡过程中，系统就有均匀的压降，那么系统作功为膨胀功和压缩功常常称为移动边界功，或简称边界功。105图3-1在p-V图上的过程曲线下的面积表示边界功在p-V图上的过程曲线下的面积在数值上等于闭口系统准平衡膨胀或压缩过程中所作的边界功。功是途径的函数〔即取决于所走的途径和初终态〕。一个循环有净功输出是因为系统的膨胀功大于压缩功，其差值就是循环净功，即过程曲线包围的面积。106图3-1在p-V图上的过程曲线下的面积表示边界功107满足pVn=C的过程称为多变过程。多变过程边界功的表达式为W=(p1V1-p2V2)/(n-1)对理想气体可得W=mR(T1-T2)/(n-1)n≠1

对n=1的特殊情况〔即等温过程〕：W=pVln(V2/V1)对n=±∞的特殊情况〔即等容过程〕：W=0对n=0的特殊情况〔即等压过程〕：W=p(V2-V1)108准平衡过程在活塞上方放置几块重物而维持某一位置。如果去掉一块重物，那么活塞会迅速向上运动，并上下震荡直到到达平衡位置。显然，在这个过程中压力是不均匀的，过程不是准平衡过程。为了趋向实现准平衡过程，可以将几块重物都细分成很小很小质量的薄片。每当去掉一薄片时，活塞会略微向上运动，并经过非常小的震荡就到达它的平衡状态。109为了进一步改进这个过程，就必须使薄片质量无限小，以至活塞高度的变化以微分高度差出现。这个过程是想象的，但它代表了理想的、可能的最大功；所有的能量都用于使活塞运动，没有耗损在活塞的震荡。当给活塞增加无限小薄片，就会开始相反的过程。这个过程被称为平衡过程或可逆过程。对活塞上置几块重物的情况，我们就无法将一块重物轻轻放到活塞上使过程再次回复。这是不可逆过程，它不可能沿原来途径回到其原始状态。110有许多因素使过程不可逆：1〕系统中的不均匀压力使工质在系统中运动，消耗的能量就不能用于作功。2〕摩擦作用显然也是不可逆的。用于克服机械摩擦的能量损失了。3〕流体粘性力，产生流体摩擦，消耗有用能。4〕还有别的产生不可逆的原因，其作用总是减少有用能量的输出，增加所需要的能量。111除了机械功外，还有别的功的形式。这些形式很少占据支配地位，但忽略它们也会导致误差。例如，液体外表液膜作功、弹性限度内拉伸金属丝的张力功、电功和磁功。1123.3经由热量的能量传递热量被定义为由于系统与外界之间的温差而跨越系统边界的能量。热量和功在这方面是类似的，它们都是能量的流动，都必须跨越系统边界才有意义。热量只以跨越系统边界的能量存在；一旦进入系统就没有意义。跨越系统边界的热量也有一个方向约定。进入系统的热量是正的，流出系统的热量是负的。热量用符号Q表示，具有能量的单位kJ。没有热量传递的过程，Q=0，称为绝热过程。113热量是途径的函数。在两个状态1和2之间过程的传热量用符号Q12表示，系统每单位质量工质的传热量用q表示，单位是kJ/kg。有的时候需要知道每单位时间传递的热量，用符号

表示，具有功率的单位kW。在系统和外界相互作用时进出系统的能量不是参数，因为这种量不只取决于系统的状态。114热量和功是系统和外界之间的能量传递机理，两者有许多类似的地方：①热量和功都是在跨越系统边界时在边界上被识别的，即两者都是边界现象。②系统具有能量，但不具有热量或功。③两者都与过程有关。在某状态点，热量和功都没有意义。④两者都是途径的函数，它的大小取决于过程中的途径和初终状态。1153.4质量守恒原理质量守恒原理说明：过程中系统的总质量是恒定的。在闭口系统，定义质量是确定的，自然满足质量守恒。在开口系统，其质量守恒表达为：过程中进出控制容积的净质量传递等于过程中控制容积总质量的净变化。即min-mout=Δmcv

(∫Aρ

ndA)in–(∫Aρ

ndA)out=d(∫cv

ρdV)/dτ这些式子也称为质量平衡或连续性方程，并适用于经历任何类型过程的任何系统。116对稳态流动，控制容积中的质量变化为零，即(∫AρndA)in=(∫AρndA)out

对稳态一维流动，其质量守恒表达式为(ρA)in=(ρA)out

对稳态一维不可压缩流动，其质量守恒表达式为(A)in=(A)out

1173.5推动功和流动流体的能量控制容积涉及流体流过其边界，并需要作功来推动流体进出控制容积。这类功称为推动功，或压力势能，它对于维持通过控制容积的连续流动是必须的。推动流体微元跨越边界的推动功〔也称压力势能〕为Wrep=FL=pAL=pVwrep=pv定义流动功为Δ(pv)=p2v2–p1v1118图3-2推动功示意图119简单可压缩系统的总能由三局部组成：热力学能、动能和势能。对单位质量可表示为e=u+ke+pe=u+2/2+gz

进入或离开控制容积的流体具有另一种形式的能，压力势能，即推动功pv。于是单位质量流动流体的总能θ为θ=pv+e=pv+u+ke+pe=h+2/2+gz采用焓代替热力学能来表示流动流体的能量，就不需要关心推动功。实际上，这是定义焓的主要原因。今后，进出控制容积的流体的能量用θ表示，不再提及推动功。120经由物质的能量传递：Emass=mθ=m(h+2/2+gz)

通常流体的动能和势能可以忽略，那么有Emass=mh和121第3章小结能量可以以热量和功的形式穿过闭口系统的边界。对控制容积，能量也可以通过物质来输运。如果能量传递是由于闭口系统和其外界之间的温差引起的，那么就是热量；否那么就是功。机械功的最普通形式是边界功。122在p-V图上过程曲线下的面积代表准平衡过程的边界功。质量守恒原理说明，在过程中进出系统的净质量传递等于该过程中系统总质量的净变化。推动单位质量流体进出控制容积所需要的功叫推动功〔或压力势能〕，并表示为wrep=pv。在控制容积的分析中，为了方便就将热力学能u和压力势能pv结合成焓h，那么总能就是θ=h+2/2+gz123第4章热力学第一定律4.1热力学第一定律的实质4.2闭口系统的能量平衡4.3稳定流动系统的能量平衡4.4某些稳定流动的工程设备4.5三过程循环4.6非稳定流动过程的能量平衡1244.1热力学第一定律的实质热力学第一定律，也称为能量守恒原理。基于实验观察，热力学第一定律说明，能既不能被创造也不能被销毁；它只能改变形式。焦尔实验的结论：对闭口系统的两个给定状态之间的所有绝热过程，所作的净功是相同的，而不管闭口系统的性质和过程细节如何。这个基于焦尔实验的结论无法从任何的物理原理来得到，而被认为是一个根本原理，并被称为热力学第一定律，简称第一定律。125热力学第一定律的主要结果是说明了存在总能E这个参数，并对它作了定义。考虑到闭口系统的两个给定状态之间的所有绝热过程的净功是相同的，那么该净功值必定只取决于系统的初终状态，于是，必须对应一个系统参数的变化。这个参数就是总能E。应注意到热力学第一定律并没有涉及闭口系统在某个状态的总能值，它只是说绝热过程的总能变化必定与所作的净功相同。所以，可任意指定某方便的状态总能值作为参考点。第一定律陈述的内涵是能量守恒。虽然第一定律的实质是参数总能的存在，但第一定律常常被看作能量守恒原理的陈述。126能量守恒原理常常表达为过程中系统总能的净变化等于过程中进入和离开系统的总能量之差Ein-Eout=(Qin-Qout)+(Win-Wout)+(Emass,in-Emass,out)=ΔEsys

这个关系式常常被称为能量平衡，适用经历任何类型过程的任何类型系统。确定过程中系统总能的净变化涉及到系统初终状态能量的计算，即ΔEsys=Efinal–Einitial=E2–E1

127对闭口系统经历一个循环，那么初终状态相同，就有ΔEsys=E2–E1=0。于是循环的能量平衡就简化成Ein-Eout=ΔEsys=0，即Ein=Eout对闭口系统没有物质流动进出边界，所以对循环的能量平衡可用热量和功的相互作用表达为Qnet=WnetΦnet=Pnet这就是循环的净热输入等于净功输出。128作为能量，热量和功没有什么不同。系统能量的变化等于跨越系统边界的能量，不管跨越系统边界的能量是热量还是功都没啥区别。从第一定律的观点来看，热量和功完全没啥区别。然而，从第二定律的观点来看，热量和功完全不同。热力学第一定律无法用数学证明，但自然界中还没有一个过程违反第一定律。如果基于别的原理可证明第一定律，那么第一定律就成了那些原理的结果，就不是根本物理定律了。1294.2闭口系统的能量平衡对闭口系统：E2–E1=Qnet-Wnet

对单位质量：q=e2-e1+w

q=u2-u1+(22-12)/2+g(z2-z1)+w

通常动能和势能可忽略不计：q=u2-u1+w

q=Δu+w

130其微分形式为δq=du+δwδQ=dU+δW在准平衡过程中闭口系统作功为δW=pAdL=pdV那么能量平衡式：δq=du+pdvδQ=dU+pdV1311．等压过程第一定律对闭口系统有Q=U2-U1+W对可逆过程可表示为Q=U2-U1+pdV又因为H≡U+pV，对其微分可得dH=dU+pdV+Vdp=δQ+VdpδQ=dH–Vdpδq=dh–vdp对等压过程dp=0，那么有δQ=dH132对理想气体和定比热容可表示为ΔH=mcp(T2-T1)ΔU=mcv

(T2-T1)闭口系统可逆等压过程的功为W=p(V2-V1)引入理想气体状态方程后可得W=mR(T2-T1)1332．等容过程等容过程dv=0。取刚性密闭容器中的气体为系统。由第一定律Q=ΔU+W可得Q=ΔU对理想气体和定比热容可表示为

Q=ΔU=mcv(T2-T1)1343．等温过程取活塞-气缸中的气体为系统。由第一定律：Q=ΔU+W对理想气体：ΔU=0对定温过程可得Q=W=p1V1ln(V2/V1)1354.多变过程前面介绍的理想气体在闭口系统的各种热力过程都是多变过程pV

n=C的特殊情况。多变过程的参数关系式：T2/T1=(p2/p1)(n-1)/n

T2/T1=(v1/v2)n-1

p2/p1=(v1/v2)n

136功的计算公式为W=(p1V1–p2V2)/(n-1)该式在推导时没用到理想气体状态方程式，所以它适用于实际气体和理想气体的可逆过程。对理想气体的可逆过程，那么有W=mR(T1–T2)/(n–1)1375.等熵过程

经常被用来与实际过程进行比较的一类过程是可逆绝热过程，即等熵过程。对理想气体可逆过程的第一定律可表示为δq=du+pdvδq=dh–vdp对绝热过程δq=0，对理想气体又有du=cvdT和dh=cpdT，代入上式可得cvdT=-pdvcpdT=vdp。两式相除得cp/cv≡κ=-v/p(dp/dv)，κ(dv/v)=-dp/p138κ称作等熵指数，对理想气体，就等于比热容比γ。两边积分得κln(v2/v1)=ln(p1/p2)等熵过程的参数关系式：T2/T1=(p2/p1)(κ-1)/κ

T2/T1=(v1/v2)κ-1

p2/p1=(v1/v2)κ

139功的计算公式为

W=(p1V1-p2V2)/(κ-1)该式在推导时没用到理想气体状态方程式，所以它适用于实际气体和理想气体的可逆过程。对理想气体的可逆过程：W=mR(T1-T2)/(κ-1)140等压过程、等容过程、等温过程和等熵过程等四种根本热力过程在p-v图和T-s图上的表示141图4-1四种根本热力过程的p-v图和T-s图1424.3稳定流动系统的能量平衡物质流进和流出这个确定的空间，或称控制容积。在稳定流动过程中，控制容积中的强度参数和广延参数都不随时间变化，结果是边界功等于零，进出控制容积的质量或能量相等。即in=out

in=out143对控制容积能量平衡式可表示为

Φin+in+Σi(hi+i2/2+gzi)=Φout+out+Σe(he+e2/2+gze)Φ=Σe(he+e2/2+gze)–Σi(hi+i2/2+gzi)+144对只有一个进口和一个出口的系统，并分别用1和2表示，另外有1=2≡，那么有Φ=[h2-h1+(22-12)/2+g(z2-z1)]+对单位质量工质可表示为q=h2-h1+(22-12)/2+g(z2-z1)+w微分形式为δq=dh+d2/2+gdz+δw145d2/2+gdz+δw是技术上可以利用的能量，称作技术功wt。那么有δq=dh+δwt由dh=du+pdv+vdp和δq=du+pdv可得到δq=dh–vdp，那么可得到δwt=-vdp=-∫vdp当技术功用-vdp表示时，就意味着在推导过程中也已引入可逆过程的假设。所以它只适用于可逆流动过程。146可逆等压过程的技术功δwt=-vdp=0，换热量等于焓的变化q=h2-h1。对开口系统的换热器，对外不作功，在不计动能和势能变化时，流体间的换热量总是等于焓的变化q=h2-h1。对理想气体开口系统等温过程功，在不计动能和势能变化时，可表达为

=-dp=-dp/p=p1v1ln(p1/p2)147开口系统稳定流动，在不计动能和势能变化时，多变过程pvn=C的功，可表达为

=n/(n-1)[p1v1-p2v2]=n/(n-1)R(T1-T2)=n/(n-1)RT1[1-(p2/p1)(n-1)/n]1484.4某些稳定流动的工程设备

1〕喷管和扩压管喷管是将焓转换成动能的装置，是以压力为代价来提高流体的速度。扩压管是使流体减速来增加流体的压力。在亚音速流动中，喷管的横截面面积沿流动方向减小，而在超音速流动中，喷管的横截面面积沿流动方向增大。相反的情况对扩压管是正确的。在喷管和扩压管的流动分析中一般认为不涉及作功，高速流动就忽略传热而看作绝热过程。1492〕透平和压气机透平对外输出功，是动力装置。压气机、泵和风机是提高流体压力的设备，是耗功装置。透平和压气机一般不计散热损失。这些设备都忽略势能的变化。压气机和泵中的流体速度太小而可不计动能的变化。透平中的流体速度很高，动能也有相当大的变化，但与焓变相比又很小，所以也可不计动能的变化。1503〕节流阀

任何阻碍流体流动引起明显压降的装置叫节流阀。它们产生压降但不涉及任何的功。流体的压降常常伴随温度明显下降，因此，节流装置常用于制冷和空调场合。151节流过程温度下降的大小〔有时温度上升〕受焦-汤系数控制。在节流阀进口和出口处的焓值相等h2≈h1。节流过程的结果取决于过程中是热力学能增加还是压力势能增加。152如果过程中压力势能增加(p2v2＞p1v1)，即流动功Δ(pv)＞0，那么流体热力学能减少，通常伴随温度下降。如果过程中压力势能减少(p2v2＜p1v1)，即流动功Δ(pv)＜0，那么流体热力学能增加，通常伴随温度上升。对于理想气体，焓是温度的单值函数，所以节流过程初终温度保持不变。1534〕换热器

〔1〕混合式换热器混合室的质量守恒原理就是进出质量流量相等。混合室没有散热损失，不涉及作功，动能和势能可忽略不计，所以能量平衡中只剩焓项。154〔2〕间壁式换热器间壁式换热器的质量守恒原理要求流经换热器的每一股流体的质量流量保持不变。对每一股流体有w=0Δke≈0Δpe≈0与换热器有关的换热量取决于控制容积的选择。可以取一股流体为控制容积；也可以取两股流体为控制容积。1555)管道内的流动通过管道的流动通常可用稳定流动过程来分析其正常工况。对长管道，流体得到或失去的热量会很大。如果控制容积包括电阻加热段、风机或泵，就要考虑功的相互作用。其中风机功通常较小而可忽略不计。管道流动的速度相对较小，而动能变化通常不重要。但在变截面面积的管道中的气体流动，动能变化是重要的，特别当压缩性起作用时。当流体经历较大位差的流动时就要考虑势能项。1564.5三过程循环把两个或更多的过程结合起来就可构成一个循环。实际上构成一个循环至少要三个过程。对于一个循环就具有∮δQ=∮δWΣQ=ΣW1574.6非稳定流动过程的能量平衡许多过程涉及控制容积内的参数随时间而变，称为非稳定流动过程或瞬时流动过程。分析非稳定流动过程时，就必须研究开口系统的非稳定流动。重要的是要记住控制容积的质量和能量以及跨越边界的能相互作用。158控制容积的质量平衡可表达为：Σmi-Σme=(m2–m1)sys非稳定流动过程中，控制容积内的能量变化量取决于跨越系统边界作为热量和功传递的能量以及通过质量流进出控制容积输运的能量。159大多数非稳定流动过程可很合理地用均匀流动过程来表示，它被理想化为：在任何进口或出口处的流体流动都是均匀的和稳定的，因此，流体的参数不随时间和进口或出口横截面上的位置而变。在整个过程中被平均处理为常数。非稳定流动系统的状态可随时间而变；那么可根据情况另外假设，在任何瞬间离开控制容积的物质的状态等于在那瞬间控制容积中的物质的状态。160均匀流动系统的能量平衡式为：Ein-Eout=ΔEsys(Qin+Win+Σmiθi)-(Qout+Wout+Σmeθe)=(m2e2–m1e1)sys

式中θ=h+ke+pe是在任何进口或出口处每单位质量流动流体的能量，而e=u+ke+pe是控制容积中每单位质量非流动流体的能量。161当与控制容积和流动流体有关的动能变化和势能变化可忽略不计时〔情况经常是这样〕，能量平衡式可简化成：(Qin+Win+∑mihi)-(Qout+Wout+∑mehe)=(m2u2–m1u1)sys如果过程中没有质量进出控制容积，即mi=me=0，m1=m2=m，这个方程就演化为闭口系统的能量平衡式。同样，非稳定流动系统可以包括边界功以及电功和轴功。1621〕容器的排气控制容积中总能的变化等于其热力学能的变化，对容器的排气问题有能量方程为dUcv=δQ+(h+υ2/2+gz)outdmout动能变化和势能变化忽略不计，那么可得：dUcv=δQ+(hdm)out假定可逆绝热过程就有：m2/m1=(T2/T1)1/(κ-1)m2/m1=(p2/p1)1/κ1632〕容器的充气假设动能变化和势能变化可忽略不计，不对外作功〔情况经常是这样〕，容器绝热，那么能量方程可简化成m0h0=m2u2-m1u1式中m0是充气量，输气总管的h0=常量。假设容器初始时是真空状态，即m1=0，m0=m2，那么有h0=u2假设工质是理想气体就有cpT0=cvT2，即T2=κT0因此，对真空容器充气，假定容器中的气体时时处于平衡状态，那么终态温度是输气总管状态温度的κ倍。164第4章小结1〕热力学第一定律实质上是能量守恒原理的表述，也被称为能量平衡。对经历任何过程的任何系统，质量平衡和能量平衡可表达为min-mout=ΔmsysEin-Eout=ΔEsys经由热量、功、和质量的净能量传递=热力学能、动能、和势能等的变化。1652〕取传给系统的热量和系统作功为正值，那么闭口系统的能量平衡可表示为Q–W=ΔU+ΔKe+ΔPe其中：W=Wb+Wother，ΔU=m(u2-u1)，ΔKe=m(22-12)/2，ΔPe=mg(z2-z1)对一个等压过程，Wb+ΔU=ΔH，那么有Q-Wother=ΔH+ΔKe+ΔPe3〕涉及控制容积的热力过程可考虑分为两类：稳定流动过程和非稳定流动过程。在稳定流动过程中，流体稳定流过控制容积，在确定的位置上不经历随时间的变化，控制容积的质量和能量保持恒定。1664〕稳定流动过程的质量守恒和能量守恒可分别表示为Σi=ΣeΦ–P=Σe(he+e2/2+gze)–Σi(hi+i2/2+gzi)这些是稳定流动方程的最普遍形式。5〕对单一流〔一个进口，一个出口〕系统，诸如喷管、扩压管、透平、压缩机和泵，它们可简化为1=2Φ–P=[(h2-h1)+(22-12)/2+g(z2-z1)]式中，角码1和2分别表示进口和出口状态。1676〕大多数非稳定流动过程可建模为均匀流动过程，它要求在任何进口或出口处流体流动是均匀的、稳定的，于是，在进口或出口横断面处，流体的性质不随时间或位置变化。如果他们变化，那么取平均，并处理成在整个过程中为常数。关于均匀流动系统的能量平衡可表示为(Qin+Win+∑miθi)-(Qout+Wout+∑meθe)=(m2e2–m1e1)sys当与控制容积和各股流体有关的动能和位能的变化可忽略时，能量关系式可简化为(Qin+Win+∑mihi)-(Qout+Wout+∑mehe)=(m2u2–m1u1)sys168在求解热力学问题时，建议对所有问题都采用能量平衡的普遍形式Ein-Eout=ΔEsys，对特殊问题再简化；不推荐对不同的过程采用上述特殊关系式求解。7〕对控制容积采用质量和能量平衡的一个重要方面是要仔细明确地列出适宜的假设，掌握建模技术是十分重要的。169第5章热力学第二定律5.1第二定律的引入5.2第二定律的表述5.3可逆过程和不可逆过程5.4卡诺循环5.5卡诺定理5.6热力学温标5.7卡诺热机5.8卡诺制冷机和卡诺热泵1705.1第二定律的引入自发过程总有确定的方向。举三个例子来说明。①一个温度为T1的灼热物体放置在温度为T0的环境空气中，最终会冷却到环境温度T0。②重物下降带动叶轮搅拌水，使水的热力学能增加。③电流流过电阻丝发热使室内空气温度上升。第一定律并没有涉及过程的方向性。第二定律说明过程的发生要沿确定的方向，能量不仅有量的概念还有质的概念，过程只有既满足第一定律又满足第二定律才能发生。是否违反第二定律，可用参数熵来判断。1715.2第二定律的表述

1.开尔文说法热源是一类特殊的总是维持恒定温度的系统。通常把吸收热量的热源又叫作低温热源或冷源。由叶轮搅拌水的例子可知，功可以直接地完全转换成热，但是要将热转换成功就需要采用特殊的装置，这类装置称为热机。热机和其它循环装置常常涉及在循环中依次吸热或放热的流体，被称为工质。172最根本的热机就是由锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵组成的蒸汽动力装置。图5-1卡诺蒸汽动力装置示意图173图5-1卡诺蒸汽动力装置示意图174动力装置的净功输出就是总输出功和总输入功之差，即Wnet,out=Wout-Win

作为经历循环的闭口系统，内能变化ΔU=0，因此系统的净功输出也等于传给系统的净热量，即Wnet,out=Qin-Qout175输入热量中被转换成功的份额称为热效率ηt。ηt=Wnet,out/Qin=1-Qout/Qin

是否能去除系统中的冷源，节省全部排弃的热量，而仍然维持循环呢？不能！这样就成了单热源热机，导致第二类永动机。176第二定律的开尔文说法不可能有这样的循环过程，其唯一的结果是热流来自单个热源并作出等量的功。没有一个热机的热效率为100%。没有效率为100%的热机并不是由于摩擦或别的耗散效应的原因，它是对理想热机和实际热机的一种限制。动力装置为了连续运行，工作流体必须与炉膛和环境交换热量。1772.克劳修斯说法从低温介质到高温介质的传热需要特殊的装置，称为制冷机。制冷机是逆循环运行装置。制冷循环使用的工作流体叫制冷剂。最常用的制冷循环是蒸汽压缩制冷循环，它由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。图5-2蒸汽压缩制冷循环示意图178图5-2蒸汽压缩制冷循环示意图179制冷机的效率用性能系数COP表示。COPR=QL/Wnet,in=QL/(QH-QL)COPR值可大于1。也就是从冷室获得的热量可大于输入功。180热泵是另一类将热量从低温介质传到高温介质的特殊的装置。目的在于维持采暖空间在较高的温度。热泵性能系数表示为COPHP=QH/Wnet,in=QH/(QH-QL)制冷机和热泵的性能系数之间的关系为COPHP=COPR+1181图5-3蒸汽压缩制冷热泵循环示意图182第二定律的克劳修斯说法不可能建造一台装置，其循环运行的唯一结果是将热量从低温物体传到高温物体。克劳修斯说法不是意味着建造将热量从低温介质传到高温介质的循环装置是不可能的。它是指制冷机除非有外力驱动压缩机否那么它不会运行的。也就是说除了将热量从低温物体传到高温物体外，还留下消耗外功的痕迹。183第二定律的开尔文说法与热机有关，而克劳修斯说法是与制冷机有关。第二定律是基于实验观察，至今还没有一个实验与其矛盾就足以证明它的正确。184两种说法的等效第二定律的开尔文说法与克劳修斯说法的实质是一致的。任何装置违反开尔文说法那么必定违反克劳修斯说法，反之亦然。图5-4第二定律开尔文说法与克劳修斯说法的一致性185图5-4第二定律开尔文说法与克劳修斯说法的一致性186永动机

过程的发生一定要同时满足热力学第一定律和第二定律。违反其中一个定律的装置称作永动机。违反第一定律的装置称作第一类永动机，违反第二定律的装置称作第二类永动机。187有人提出将蒸汽动力装置中的锅炉改用电阻加热器。装置中透平带动的发电机输出的电能，一局部供给电阻加热器将水加热成蒸汽，另一局部供给水泵来提升凝结水的压力，余下的作为净功输入电网。这个没有能量进，只有能量出的系统显然违反第一定律，属于第一类永动机。188由锅炉、透平、发电机和水泵组成的系统一旦运行，来自单一热源输入的能量就将无限期地向外界输出净功。这个单热源热机没有违反第一定律，但显然违反第二定律，不能工作，属于第二类永动机。1895.3可逆过程和不可逆过程对一个过程，如果其反向过程的实现可使系统和整个外界都能完全回复到它们各自的初始状态，那么这个过程称为可逆过程。如果一个过程，其反向过程的实现不能使系统和整个外界都完全回复到它们各自的初始状态，那么这个过程称为不可逆过程。这样关注虚构的可逆过程是因为在可逆过程中系统经历一系列的平衡状态。1.可逆过程和不可逆过程190可逆过程容易分析。可作为实际过程的比较标准。可逆过程可使产功装置供给最大的功，可使耗功装置消耗最少的功。实际过程接近相应的可逆过程的程度是实际过程第二定律效率的定义。可用来比较各种不可逆过程的性能；不可逆性越小，那么设计越好，第二定律效率也越高。1912.不可逆性

引起过程不可逆的诸因素称作不可逆性。它包括摩擦、自由膨胀、两股流体的混合、温差传热、电流通过电阻、固体的非弹性变形和化学反响。摩擦：不可能反向进行这个过程，回收那局部损失的能量，即使这个过程并不违反能量守恒原理。192气体的自由膨胀〔压力空气向真空膨胀〕：……外界的回复涉及空气放热量完全转换成外界压缩空气所作的功。这是违反第二定律的。温差传热：一杯冷汽水吸收室内空气的热量最后与空气同温。这个过程反向进行时，外界不能回复到初始状态。这时要使外界也回复到初始状态就只有将这局部额外的热能全部转换成功，这是违反第二定律的。1933.内部可逆过程和外部可逆过程一个典型的过程涉及系统和外界之间的相互作用，一个可逆过程不涉及与系统和外界有关的不可逆性。内部可逆过程是指过程中系统边界内不出现不可逆性。在内部可逆过程中，系统经过一系列的平衡状态。当过程逆向进行时，系统经历完全相同的平衡状态回复其初始状态。内部可逆