湖南大学工程热力学-第一章

工程热力学

陈敬炜

助理教授第一章基本概念BasicConceptsandDefinition1-1热能和机械能相互转换过程1-2热力系统1-3工质的热力学状态及其基本状态参数1-4平衡状态1-5工质的状态变化过程1-6功和热量1-7热力循环本章基本要求：掌握工程热力学中一些基本术语和概念：热力系、平衡态、准平衡过程、可逆过程等。掌握状态参数的特征，基本状态参数p、v、T

的定义和单位等。掌握热量和功量这些过程量的特征，并会用系统的状态参数对可逆过程的热量、功量进行计算。一、热能动力装置(Thermalpowerplant)

定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。分类燃气动力装置(combustiongaspowerplant)

内燃机(internalcombustiongasengine)燃气轮机装置(gasturbinepowerplant)喷气发动机(jetpowerplant)……蒸气动力装置(steampowerplant)1-1热能和机械能相互转换的过程

热能机械能化学能内燃机装置燃气轮机装置燃气轮机装置小型燃气轮机装置喷气发动机蒸汽轮机装置核电厂汽轮机电厂俯瞰图内燃机（汽油机）工作物质：燃气燃气热能机械能燃料化学能排入大气燃烧、膨胀排气吸气压缩工作过程：能量转换：内燃机工作原理动画1587624391－锅炉2－沸水管3－汽锅4－过热器5－汽轮机6－发电机7－冷凝器8－泵9－蓄水池热机工作过程示意图高温热源吸热Q1热机作功W机械能放热Q2低温热源锅炉汽轮机冷凝器水泵冷却水过热蒸汽乏汽循环水发电机为使热能源源不断地转化为机械能必须：凭借工质作为媒介物质；工质源源不断地从高温热源吸收热量；工质热力学状态发生循环往复的连续变化；向温度较低的热源排出一部分热量。工质：实现热能与机械能相互转化的媒介物质热源：工质从中吸取热能的物系，或称高温热源冷源：接受工质排出热能的物系，或称低温热源三个基本概念热能吸热膨胀作功排气机械能热动力装置的工作过程：工质自高温热源吸热，将其中一部分转化为机械能而做功，并把余下部分传给低温热源热源二、工质(workingsubstance)定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。对工质的要求:物质三态中气态最适宜。

1）膨胀性

2）流动性

3）热容量

4）稳定性，安全性

5）对环境友善

6）价廉，易大量获取工质是实现能量转换必不可少的内部条件三、热源(heatsource;heatreservoir)定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。•高温热源—热源

（

heatsource）低温热源—冷源（heatsink）•恒温热源(constantheatreservoir)

变温热源热动力装置工作可以概括为：工质从高温热源吸取热能，将其中一部分转化为机械能，把另一部分热能传给低温热源。1-2热力系统（热力系、系统、体系）外界和边界人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。•外界(surrounding)：与体系发生质、能交换的物系。•边界(boundary)：系统与外界的分界面（线）。一、定义边界可以是实在的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移动的•系统(thermodynamicsystem,system)

二、系统及边界示例•汽车发动机•汽缸-活塞装置（闭口系例）•移动和虚构边界边界特性真实、虚构固定、活动热力系统选取的人为性锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器只交换功只交换热既交换功也交换热1.系统与外界的作用都通过边界，不画边界进行热力学研究无意义。注意：2.热力系统的选取，取决于所提出的研究任务，但不能小到只包含少量的分子，以至不能遵守统计平均规律。3.边界可以是：

a）刚性的或可变形的或有弹性的

b）固定的或可移动的

c）实际的或虚拟的三、热力系分类

按组元数单元系(onecomponentsystem;puresubstancesystem)多元系(multicomponentsystem)按相数单相系(homogeneoussystem)复相系(heterogeneoussystem)注意：1）不计恒外力场影响；

2）复相系未必不均匀—湿蒸汽；单元系未必均匀—气液平衡分离状态。

1.按组元和相分

闭口系（closedsystem）

（控制质量CM）—没有质量越过边界

2.按系统与外界质量交换开口系统的分类：(1)不稳定流动开口系(2)稳定流动开口系统稳定流动开口系统中的质量及状态参数不随时间变化。开口系（opensystem）（控制体积CV）—通过边界与外界有质量交换绝热系（adiabaticsystem）—与外界无热量交换;

孤立系（isolatedsystem）—与外界无任何形式的质能交换。3.按能量交换方式最重要的系统简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功4.简单可压缩系（simplecompressiblesystem）

—由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交换容积变化功的有限物质系统。注意：1）闭口系与系统内质量不变的区别；稳定流动开口系统2）开口系与绝热系的关系；3）孤立系与绝热系的关系。孤立系统=系统+相关外界=各相互作用的子系统之和

=一切热力系统连同相互作用的外界孤立系统一定是闭口系；反之则不然。孤立系统一定是绝热系统；绝热系统不一定是孤立系统。热力系统分类小结以系统与外界关系划分：有无是否传质开口系闭口系是否传热非绝热系绝热系是否传功非绝功系绝功系是否传热、功、质非孤立系孤立系四、热力系示例例1：刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝

红线内——闭口绝热系黄线内不包含电热丝——闭口系黄线内包含电热丝——闭口

绝热系兰线内——孤立系闭口系例2：刚性绝热喷管取红线为系统—取喷管为系统—开口系绝热系例３：A、B两部落“鸡、犬之声相闻，民至老死不相往来”ABA部落为系统A+B部落为系统

—闭口系—孤立系1-3工质的热力学状态和基本状态参数

热力学状态（stateofthermodynamicsystem）

—系统宏观物理状况的综合

状态参数（stateproperties）

—描述物系所处状态的宏观物理量

1．状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效应，只有平衡态才有状态参数，系统有多个状态参数，如一、热力学状态和状态参数二、状态参数的特性和分类压力p、温度T、比容v2．状态的单值函数物理上—与过程无关；数学上—其微量是全微分。状态参数的微分特征设z=z(x,y)dz是全微分充要条件：可判断是否是状态参数3．状态参数分类(1)广延量（extensiveproperty）:与系统的量有关，有可加性；如体积、热力学能、动能、位能等；(2)强度量（intensiveproperty

）：

与系统的量无关，无可加性，如温度、压力、速度等。又：广延量的比性质具有强度量特性，如比体积工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数。比参数：比容比内能比焓比熵基本状态参数工程热力学中常用的状态参数有压力、温度、比体积、比热力学能、比焓、比熵等，其中可以直接测量的状态参数有压力、温度、比体积，称为基本状态参数。

基本状态参数压力p、温度T、比容v按是否直接或容易测量分非基本状态参数内能U、焓H、熵S系统状态相同的充分必要条件系统两个状态相同的充要条件：

所有状态参数一一对应相等简单可压缩系两状态相同的充要条件：

两个独立的状态参数对应相等（一）温度和温标（temperatureandtemperaturescale）

温度是反映物体冷热程度的物理量。温度的高低反映物体内部微观粒子热运动的强弱。

当两个温度不同的物体相互接触时，它们之间将发生热量传递，如果没有其它物体影响，这两个物体的温度将逐渐趋于一致，最终将达到热平衡（即温度相等）。所以温度是热平衡的判据。（1）温度的物理意义温度相等

热平衡

（2）热力学第零定律：(zerothlawofthermodynamics)

如果两个物体中的每一个都分别与第三个物体处于热平衡，则这两个物体彼此也必处于热平衡。热力学第零定律是温度测量的理论依据。ABC温度：可以确定一个系统是否与其他系统处于热平衡的物理量。是一个强度量。热力学第零定律热力学第零定律1931年T热力学第一定律18401850年E热力学第二定律18541855年S热力学第三定律1906年

S基准（3）温标：温度的数值表示法。

建立温标的三个要素：a.选择温度的固定点，规定其数值；b.确定温度标尺的分度方法和单位；c.选择某随温度变化的物性作为温度测量的依据。摄氏温标:

2、固定点：在标准大气压下，纯水的冰点温度为0℃，纯水的沸点温度为100℃，纯水的三相点（固、液、汽三相平衡共存的状态点）温度为0.01℃。

1、单位：瑞典天文学家摄尔修斯（Celsius）于1742年建立。用摄氏温标确定的温度称为摄氏温度，用符号t表示，单位为℃。

3、物性及分度：选择水银的体积作为温度测量的物性，认为其随温度线性变化，并将0℃和100℃温度下的体积差均分100份，每份对应1℃。

华氏温标：

1、单位、物性：1714年德国物理学家华伦海特利用水银随温度的涨缩做为指示器，并在管子上设一个等级刻度表，使温度可以定量地读出。用符号

2、固定点：他把在实验室所得到的最低温度设为零，这是由盐和水的混合液测量得到的，而后他将纯水的冰点设为32度，沸点设为212度。

3、分度：有两个好处：第一、水的液态范围为180度，很自然和度联想在一起，因为半圆恰好是180度。第二、人体的温度精确值为98.6华氏度，约接近100华氏度。

用热力学温标确定的温度称为热力学温度，用符号T表示，单位为K（开）。

热力学温标（绝对温标）:

英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定律基础上建立，也称开尔文温标。

热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其温度为273.16K。温差1K相当于水的三相点温度的1/273.16。

热力学温标与摄氏温标的关系：温差:1K=1℃t=T–273.15K常用温标绝对K摄氏℃

华氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点559.67（4）温度的测量温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度温标

国际单位制（SI）采用热力学温T度作为基本状态参数。温度的测量方法a.接触式:水银温度计、酒精温度计热电偶、电阻温度计等。b.非接触式:光学辐射高温计激光全息干涉仪CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法极寒－40℃或低于此值奇寒－35～－39.9℃酷寒－30～－34.9℃严寒－20～－29.9℃深寒－15～－19.9℃大寒－10～－14.9℃小寒－5～－9.9℃轻寒－4.9～0℃微寒0～4.9℃科学家给地球上的气温划分了等级凉5～9.9℃温凉10～11.9℃微温凉12～13.9℃温和14～15.9℃微温和16～17.9℃温暖18～19.9℃暖20～21.9℃热22～24.9℃炎热25～27.9℃暑热28～29.9℃酷热30～34.9℃奇热35～39℃极热高于40℃定义：单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）

（二）压力(pressure)单位

:Pa（帕），1Pa=1N/m21MPa=103kPa=106Pa常用压力单位：

1bar（巴）=105Pa

1atm（标准大气压）=1.013105Pa

1at（工程大气压）=0.981105Pa

1mmH2O（毫米水柱）=9.81Pa1mmHg（毫米汞柱）=133.3Pa

气体分子撞击器壁的统计（平均）效果压力p测量一般是工质绝对压力与环境压力的相对值——相对压力注意：只有绝对压力p

才是状态参数其它压力测量方法高精度测量：活塞式压力计工业或一般科研测量：压力传感器压力表压力计测压原理绝对压力与相对压力当p

>pb表压力pe当p

<pb真空度pvpbpeppvp当地大气压pb(localatmosphericpressure)例1：已知当地大气压力pb,及压力表1、2的读数分别为pg1，pg2。求pg3？

解：⑴压力表1测得的是A室的相对压力，故⑵压力表2测得的也是A室的相对压力，但它处在B室环境中，故⑶压力表3测得的是B室的相对压力，故

如图，已知大气压pb=101325Pa，U型管内汞柱高度差H=300mm，气体表B读数为0.2543MPa，求：A室压力pA及气压表A的读数peA解：强调：pb是测压仪表所在环境压力（三）比体积和密度比体积单位质量工质的体积密度(density)单位体积工质的质量两者关系:比体积和密度二者相关，通常以比体积作为状态参数。1-4平衡状态一、平衡状态（thermodynamicequilibriumstate）1、定义：

在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。

温差

—热不平衡势

压差—力不平衡势

化学反应—化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡与均匀平衡：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的为什么引入平衡概念？如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述但平衡状态是死态，没有能量交换能量交换状态变化破坏平衡如何描述二、状态方程、坐标图平衡状态可用一组状态参数描述其状态状态公理：独立状态参数个数N=n+1想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？状态公理（statepostulate）N—系统独立的状态参数数；n—系统与外界交换功形式数。简单可压缩系与外界仅有容积变化功一种形式

N=n+1

N=1+1=2n

容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等状态方程简单可压缩系统：N

=n

+1=2状态方程

基本状态参数（p,v,T)之间的关系状态方程的具体形式取决于工质的性质如：理想气体状态方程为：状态参数坐标图（parametriccoordinates）简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点，如：1）系统任何平衡态可表示在坐标图上说明：2）过程线中任意一点为平衡态3）不平衡态无法在图上用实线表示常见p-v图和T-s图pv21返回：可逆过程的功一、准静态过程(quasi-staticprocess;quasi-equilibriumprocess)1-5工质的状态变化过程平衡状态状态不变化能量不能转换非平衡状态无法简单描述热力学引入准静态（准平衡）过程一般过程p1

=p0+重物T1

=T0突然去掉重物最终p2

=

p0T2

=

T0p，Tp0pv12..准静态过程p1

=

p0+重物p，Tp0T1=

T0假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层pv12...系统随时接近于平衡态准静态过程有实际意义吗？既是平衡，又是变化既可以用状态参数描述，又可进行热功转换疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）>>有足够时间恢复新平衡

准静态过程思考题：容器为刚性绝热，抽去隔板，重又平衡，过程性质。逐个抽去隔板，又如何？准静态过程的工程应用3.已知活塞式发动机每分钟2000转，曲柄每转2冲程，每冲程位移0.15米，判断活塞式发动机在工作状况下是否可以视为准静态过程。解：活塞运动速度cf=2000*2*0.15/60=10m/s；压力波恢复平衡速度可以按声速处理，压力波恢复平衡速度a≥350m/s；在一定的位移Δx下，τ1=Δx/10，τ0=Δx/350，则τ1/τ0=35>>1。因此，活塞式发动机在工作状况下可以视为准静态过程。 一般地，工程上的热力过程都可认为是准静态过程。二、可逆过程(reversibleprocess)

系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。(1)可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。(2)可逆过程是一个理想过程。实际过程都是不可逆过程，如传热、混合、扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等。注意：可逆过程的实现准静态过程+无耗散效应=可逆过程无不平衡势差通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）

不平衡势差

不可逆根源

耗散效应（有序变成无序）

耗散效应准静态着眼于系统内部平衡，可逆着眼于系统内部及系统与外界作用的总效果典型的不可逆过程不等温传热自由膨胀T1T2T1>T2Q真空•••••••••••••••••节流过程(阀门）混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★p1p2p1>p2典型的不可逆过程引入可逆过程的意义(1)准静态过程是实际过程的理想化过程,但并非最优过程，可逆过程是最优过程。

(2)可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。

(3)实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。几种可逆形式可逆完全可逆内部可逆，外部不可逆外部可逆，内部不可逆常见的形式判断是否准静态与可逆（1）以冰水混合物为热力系90℃0℃缓慢加热外部温差传热准静态过程系统内部等温传热，无耗散内可逆外不可逆判断是否准静态与可逆（2）带活塞的气缸内，水被缓慢的加热缓慢加热，每一时刻水有确定的温度准静态过程水与火有温差外不可逆以水为系统内可逆以水+活塞为系统活塞与壁面无摩擦内可逆活塞与壁面有摩擦内不可逆是否准静态，看加热快慢判断是否准静态与可逆（3）电或重物带动搅拌器加热容器中气体电功热机械功热但不可逆耗散可逆过程与准静态过程的区别与联系准静态过程+无耗散效应=可逆过程可逆过程一定是准静态过程准静态过程不一定是可逆过程可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念准静态过程很少用（就是为了引出可逆过程）一、功(work)的定义和可逆过程的功1．功的力学定义:力×在力的方向上的位移

2．功的热力学定义：通过边界传递的能量其全部效果可表现为举起重物。

（定义二：通过有序运动方式传递的能量）3．功的一般表达式1-6过程功和热量热力学最常见的功—容积变化功（可逆、准静态过程）解释可逆过程功的表达式来源准静态过程+无耗散效应=可逆过程1、准静态过程的容积变化功以气缸中mkg工质为系统初始：如果：可视为准静态过程mkg工质发生容积变化对外界作的功pp外21pV12Wpp外21mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdv可逆过程的功▲功是过程量▲功可以用p-V图上过程线与v轴包围的面积表示进入：状态方程及坐标图

系统对外作功为“+”外界对系统作功为“-”5．功和功率的单位：附：4．功的符号约定：单位质量工质所作的功，用w表示，单位：J/kg6．讨论有用功(usefulwork)概念其中:W—膨胀功(compression/expansionwork)；

Wl—摩擦耗功；

Wp—排斥大气功。pbf思考题：1kg某种气态工质，从初态1可逆膨胀到达终态2的过程中分别遵循：求：两过程中各作功多少（a、b、c为常数）解：（1）（2）可用面积1A2MN1表示可用面积1B2MN1表示功与初、终态及中间过程有关！灵活计算功：用外部参数计算不可逆过程的功?二、广义功(generalizedwork)简介弹性力功表面张力功

电极化功及磁化功等三、热量（heat）1．定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。2．符号约定：系统吸热“+”；放热“-”3．单位：

4．计算式及状态参数图热量是过程量（T-S图上）表示熵的初步了解：P，T为强度量，V广延量熵S为广延量，单位：J/K比熵s，单位：J/(kg·K）熵的定义式：热量与容积变化功比较过程量可逆过程公式过程推动力过程标志WpdVQTdS准静态也可以仅可逆1、熵是状态参数熵的说明2、符号规定系统吸热时为正系统放热时为负3、熵的物理意义：体现了可逆过程传热的大小和方向4、用途：判断热量方向，计算可逆过程的传热量示功图与示热图pVWTSQ

示功图温熵图四、热量与功的异同：

1.均为通过边界传递的能量；

3.功传递由压力差推动，体积变化是作功标志；

热量传递由温差推动，熵变化是传热的标志；

4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量；

热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。功2.均为过程量；热是无条件的；热功是有条件、限度的。不同点相同点1-7热力循环要实现连续作功，必须构成循环定义：

热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。分类：可逆过程不可逆循环可逆循环封闭的热力过程，特性：一切状态参数恢复原值，即不可逆循环pVTS净效应：对外作功净效应：吸热正向循环：顺时针方向2112pVTS净效应：对内作功净效应：放热逆向循环：逆时针方向211220:14热力循环的评价指标1、正向循环：净效应（对外作功，吸热）WT1Q1Q2T2动力循环：热效率数值范围：20:14热力循环的评价指标2、逆向循环：净效应（对内作功，放热）制冷循环：制冷系数WT0Q1Q2T2数值：>0热力循环的评价指标3、逆向循环：净效应（对内作功，放热）制热循环：供热系数或热泵系数WT1Q1Q2T0数值：>1

动力循环：热效率(thermalefficiency)