第一章工程热力学

第一章工程热力学前言主要内容：1、什么是工程热力学?2、为什么要学习《工程热力学》?3、本课程的研究对象及主要内容；

1、什么是工程热力学?

从工程技术观点出发，研究工质的热力学性质，热能转换为机械能的规律和方法，以及如何合理而有效地利用热能的一门学科。即提高机械能与热能之间相互转换的效率，以消耗最少的热能，获得最多的机械能，或者以花费最少的机械能，获得最多的热能。前言2、为什么要学习《工程热力学》?热现象是自然界与科技领域中最普遍的物理现象，热能的转换和利用仍然是人类有效利用能源的最主要方式。而《工程热力学》正是研究热功转换规律、热能合理利用的科学。人均资源量少，能源利用效率低，环境污染严重，制约国民经济的发展和人们生活水平的提高。环保、节能意识甚至为解决这些问题而做出贡献。汽车发动机，火箭、飞机、常规电站、核动力装置、太阳能集热器等的设计和分析中，热力学起着非常重要的作用。所以掌握工程热力学的基本原理和基本应用是工程教育的重要部分。前言3、本课程的研究对象及主要内容研究对象：研究与热现象相关的能量利用与转换规律的科学。主要内容：（1）基本理论：工质的基本热力性质、热力学第一、二定律。（2）应用：各种热力装置的工作过程，并对气体和蒸汽循环、制冷循环进行热力分析和计算，探讨提高能量转换效率的途径。前言1.1工质及热力系1.2热力系的宏观描述1.3基本状态参数1.4理想气体状态方程第一节基本概念工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。

（1）要有好的流动性；（2）受热后有显著的膨胀性；（3）较大的热容量及安全可靠。工程中最适于充当工质的是气体或由液态过渡为气态的蒸气，如蒸汽轮机中的蒸汽，内燃机中的燃气，制冷装置中的制冷剂等。充当工质的最基本条件是：1.1工质及热力系第一节基本概念热源（高温热源）：工质从中吸取热能的物系。冷源（低温热源）：接受工质放出热能的物系。为了研究问题方便，热力学中常把分析对象从周围物体中分割出来，研究它与周围物体之间的能量和物质的传递。第一节基本概念热力系统（热力系）：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。外界：热力系统以外的部分。边界：系统与外界之间的分界面。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。第一节基本概念系统与边界：

开口系统闭口系统以空间为系统，进、出口边界均为假想边界，系统与外界有物质交换。以气缸内气体为系统,活塞表面上的边界是移动边界，系统与外界没有物质交换。第一节基本概念热力系统的分类：根据系统与外界物质交换、热量交换的情况：闭口系统：系统与外界无物质交换，系统内质量恒定不变，也称控制质量。开口系统：系统与外界有物质交换，系统被划定在一定容积范围内，也称控制容积。绝热系统：系统与外界无热量交换。孤立系统：系统与外界既无能量交换，也无物质交换。第一节基本概念物质流进和流出热力系统物质交换能量交换传热和作功两种形式热力系外界若系统流进、流出工质的质量相同，即系统内工质质量保持不变，该系统是开口系统还是闭口系?第一节基本概念在进、排气阀均关闭时，缸内气体为闭口系，在进气阀（或排气阀）开启，吸（排）气时气缸-活塞系统为开口系。思考：若系统流进、流出工质的质量相同，即系统内工质质量保持不变，该系统是开口系统还是闭口系?答案：开口系，区分开口系和闭口系的关键是是否有质量越过边界，只要有质量越过边界就是开口系，系统内工质质量的变化在这里没有影响。闭口系统与开口系统第一节基本概念绝热系统保温瓶中热水向外界散热很少，可近似作绝热系统，而热水袋则不是绝热系，蒸汽管道外均包保温材料，也可近似为绝热系统。第一节基本概念思考1：绝热系统可否与外界交换功？

答案:可以,只要系统与外界没有热量交换就是绝热系统。

思考2：开口系可不可以是绝热系？

答案：可以，工质在越过边界时其热力学能也越过了边界，但热能不是热量，只要系统与外界没有热量交换，就是绝热系。第一节基本概念A和B温度不同时，两物体发生能量传递，若取A+B为系统，则为孤立系。孤立系统（1）取A侧气体为系统，是什么系统？（2）取A侧和B侧全部气体为系统（不包括电热丝），是什么系统？（3）取A侧和B侧全部气体和电热丝，是什么系统？（4）取图中虚线内为系统，是什么系统？第一节基本概念活塞活塞可自由移动A、B中分别装有某种气体，但不能相互渗透。加热丝通电后问：闭口系统闭口系统孤立系统绝热系统1.2热力系的宏观描述一.热力学状态：

工质在某一瞬间呈现出来的宏观物理状况，简称状态。二.状态参数：

描述工质所处状态的宏观物理量。如温度、压力等。第一节基本概念三.状态参数的特性：

状态参数都是宏观的物理量。

状态参数是热力系统的单值函数，其值只取决于初终态，与过程无关。四.平衡状态如果在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变,则系统的这种状态称为平衡状态。第一节基本概念实现平衡的充要条件：系统内部及系统与外界之间的一切不平衡势差（力差、温差、化学势差）消失是系统实现热力平衡状态的充要条件。第一节基本概念自然界的物质实际上都处于非平衡状态，平衡只是一种极限的理想状态。

工程热力学通常只研究平衡状态。热力平衡状态满足：热平衡：组成热力系统的各部分之间没有热量的传递。力平衡：组成热力系统的各部分之间没有相对位移。第一节基本概念实现条件：力平衡：无压差△p→0

热平衡：无温差

△T→0

思考题：热力系实现平衡的条件是什么？平衡态定义：在不受外界影响下，热力系客观性质不随时间改变的状态。第一节基本概念一.温标定义：温标是指温度的数值表示法。温标三要素：测温物质及其测温属性基准点分度方法1.3基本状态参数第一节基本概念第一节基本概念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一定处于热平衡，这个基本的实验事实又称为热力学第零定律。这一定律为温度这一概念的建立、温度的测量以及建立温度计量的标尺提供了理论基础。在温度的测量中，温度计即为第零定律中的第三个物体，当温度计与被测物体达到热平衡时，温度计所指示的温度就是被测物体的温度。热力学第零定律任选一种物质的某一测温属性，采用以上温标的规定所得到的温标称为经验温标，经验温标依赖于测温物质的物理性质。热力学理论指出可以建立一种不依赖于测温物质的性质的温标,即热力学绝对温标。

经验温标与绝对温标：第一节基本概念热力学绝对温标（热力学温度或绝对温度）开尔文在热力学第二定律的基础上，从理论上引入的与测温物质性质无关的温标。是国际单位制（SI）的基本温标，它可作为标准温标，一切经验温标均可以用此温标来校正。

符号为T，单位为K(称“开尔文”)

规定水的三相点为基准点，并规定此点的温度为273.15K第一节基本概念摄氏温度与热力学温度之间的关系是：T＝t＋273.15（K）

华氏温标与摄氏温标之间有以下关系：t＝5/9(tF-32)（℃）

第一节基本概念二.压力定义：单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强)压力计：测量工质压力的仪器。常见的压力计有压力表和U型管。由于压力计的测压元件处于某种环境压力的作用下，因此压力计所测得的压力是工质的真实压力（或称绝对压力）与环境压力度之差，叫做表压力或真空第一节基本概念真空度绝对压力、表压力、真空度及大气压力之间的关系：第一节基本概念压力的单位：国际标准单位：帕斯卡(简称帕)符号：，

工程单位：标准大气压（atm,也称物理大气压）巴(bar)工程大气压（at）毫米汞柱（mmHg)毫米水柱（mmH2O)第一节基本概念具体换算见教材表1-1PSI(Poundspersquareinch)

第一节基本概念例题1：如图所示已知大气压Pb=101325Pa，U型管内汞柱高度差H=300mm，压力表B的读数为0.2543MPa。求A室压力PA及压力表A的读数PeA。三.比体积和密度比体积单位质量物质所占的体积单位：密度单位体积物质的质量单位：kg/m3v与ρ互成倒数，即：vρ＝1第一节基本概念1.4理想气体状态方程一、定义为了便于研究自然界中客观存在的比较复杂的真实气体，人们提出了理想气体的概念。理想气体：是一种假象的气体模型，气体分子是一些弹性的、不占体积的质点，分子之间没有相互作用力。工程中常用的氧气、氮气、氢气、一氧化碳等及其混合气体、燃气、烟气等工质，在通常使用的温度、压力下都可作为理想气体处理。实际气体：不符合上述理想气体两个微观假设条件的，则称为实际气体。如：水蒸气、氟里昂蒸汽、氨蒸汽等，它们距离液体较近，不能忽略分子本身的体积和分子间的作用力。第一节基本概念二、理想气体状态方程大量实验证明，理想气体的三个基本状态参数间存在着一定的函数关系：1kg：mkg：1mol：nmol：R0为通用气体常数，与气体种类及状态无关：R0＝8314J/(kmol·K)。R为气体常数，与气体种类有关：第一节基本概念作业：P111、2、3、4、5、6、7

下次课交2.1热力过程2.2热力学第一定律2.3稳定流动能量方程与焓2.4热力学第二定律2.5热力学第三定律第二节热力学基本定律2.1热力过程一.热力过程：过程是指系统从一个平衡状态向另一个平衡状态变化时经历的全部状态的总合。过程是系统平衡被破坏的结果。就热力系本身而言，热力学仅对平衡状态进行描述。第二节热力学基本定律二.准平衡过程（准静态过程）定义：由一系列连续的平衡态组成的过程称为准平衡过程，也称准静态过程。准静态过程特点：准平衡过程是实际过程进行得足够缓慢的极限情况。实现准平衡过程的条件：促使系统平衡被破坏的压力差及温度差为无限小，过程进行的时间非常长。“平衡”和“过程”这两个矛盾的概念怎样统一起来呢？这就需要引入准平衡过程。第二节热力学基本定律T第二节热力学基本定律为什么要引入准平衡过程概念？有确定的状态参数变化描述过程在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程12pv第二节热力学基本定律思考：用常温的水放入冷库制冰，这个过程是不是准静态过程？答案：不是，因为冷库的温度和水的温度差不是无限小。三.可逆过程与不可逆过程如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向运行时,能使系统和外界都返回到原来的状态，而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程，否则为不可逆过程。注意：判别系统是否经历了一个可逆过程的关键并不在于其是否能恢复到原状态，而在于是否系统在回复到原状态的同时不给外界留下任何影响。第二节热力学基本定律无耗散效应的准静态过程是可逆过程实现的充要条件。思考题：实现可逆过程的条件是什么？第二节热力学基本定律第二节热力学基本定律气缸内气体膨胀做功，输出有用功；转变为飞轮内的动能，若

准静态过程由于摩擦损耗，飞轮内储存的动能不能把活塞推回原地，但施加斥力，仍可使活塞回到原来的位置，这就在外界留下影响，所以没有摩擦的准静态过程才可能是可逆过程。

可逆过程

运动无摩擦，传热无温差的准平衡过程是可逆过程。汽缸压力P大气压力P0活塞面积A活塞与汽缸摩擦力f曲柄连杆作用力F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

耗散效应第二节热力学基本定律可逆过程与准平衡过程的区别：1.可逆过程一定是准平衡过程；2.准平衡过程不一定是可逆过程。●实际过程都是不可逆过程！第二节热力学基本定律判断：可以恢复到原来状态的过程就是可逆过程。YesorNo一、过程量--功和热量只要存在不平衡势差的推动作用，系统和外界就会发生能量的交换-作功或传热，功是力和力方向上位移的乘积。功的热力学定义：

在力差推动下，热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物。第二节热力学基本定律2.2热力学第一定律功的正负热力学中约定：系统对外界作功取为正，外界对系统作功取为负。功的单位:焦耳（J）比功与功率比功：单位质量物质所作的功，单位：J/kg功率：单位时间内完成的功，单位：W（瓦）第二节热力学基本定律可逆过程功的计算：第二节热力学基本定律功的数值不仅决定于工质的初、终态，而且还和过程的中间途径有关，因此功不是状态参数，是过程量。微元过程作出过程量用表示，如微功量用w（状态参数为微增量，用d表示，如dp、

dv、

dT）膨胀功、压缩功均是通过工质体积变化与外界交换的功，统称为体积变化功。体积变化功只与气体的压力及体积的变化量有关，与形状无关。有关功的说明第二节热力学基本定律热量的定义热力系统与外界之间仅仅由于温度差则通过边界传递的能量，用Q表示（比热量为q）热量的正负热力学中约定：系统吸热为正，放热为负热量的单位国际单位：J（焦耳），工程单位：kJ（千焦）第二节热力学基本定律定义:热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量.

计算公式:sT21热量单位:J,kJ可逆过程中热量的计算：第二节热力学基本定律二、比热容

在热工计算中，常常需要确定工质在热力过程中的所吸收或放出的热量。热量的计算可以通过工质的状态参数变化，也可利用比热容（俗称比热）进行。第二节热力学基本定律1kg工质温度升高（或降低）1K时所吸收（或放出）的热量称为质量热容，又称比热容。用c表示，其定义式为：

或比定压热容、比定容热容

经验表明，同一种气体在不同的条件下，例如在保持体积不变或压力不变的条件下加热，同样温度升高1K所需的热量是不同的，因此，比热容的数值与加热（或放热）过程的性质有关。工程上最常遇到的是气体在压力不变或容积不变的条件下加热（或放热），这时相应的比热容分别称为比定压热容和比定容热容，并分别在比热容符号的下方以脚注p和V来区别。

气体在定压下受热时，由于在温度升高的同时，还要克服外力膨胀作功，而在定容过程中，并不膨胀对外做功，所以同样升高1K，定压时比在定容下受热需要更多的热量，因此气体的比定压热容大于比定容热容。第二节热力学基本定律三、显热与潜热对物质进行加热或冷却时，物质的聚集状态(相态)不发生变化，物质的温度发生变化(升高或者降低)，此时物质所吸收或放出的热量称为显热。

如果对物质加热或冷却到一定程度，使物质发生了相态变化，在此相变过程中所加给物质的热量(或物质所放出的热量)就称为潜热。

使液体变为气体，那么该潜热为汽化潜热；

使气体变为液体，则该潜热称为凝结潜热。

第二节热力学基本定律内动能取决于分子热运动，是温度的函数，而内位能取决于分子间的距离，是比体积的函数，所以热力学能是温度和比体积的函数

第二节热力学基本定律热力学能内动能:包括分子移动、转动、粒子振动运动的内位能:分子间由于相互作用力的存在而具有的，故又称内能。四、热力学能u＝f(T，v)或u＝f(T，P)u＝f(P，v)理想气体u＝f(T)第二节热力学基本定律２答案：不对，应该是定量的理想气体在等温过程中热力学能不变，因为一般地说，气体的热力学能是温度和比体积的函数，等温过程中虽然温度不变，但比体积改变，故热力学能要改变。思考：1.热力学能就是热量？2.定量气体在等温过程中热力学能不变？

１答案：不对，热力学能是物质内部所具有的各种能量的总和，是状态参数，而热量是传递过程中的热能，不是状态参数。第二节热力学基本定律五、热力学第一定律任何形式的能量，既不能消灭也不能创造，只能从一种形式转换成另一种形式，在转换过程中能量的总量保持恒定，这就是能量守恒转换定律。热力学第一定律就是能量守恒与转换在热力系统中的应用。它说明了热能和其它形式的能量，特别是机械能，之间可以相互转换，在转换过程中总能量保持不变。

系统进入的能量E1=储存能量的增量△E+离开的能量E2

Q=△E+W

热力系第二节热力学基本定律热可变化功，功也可变为热；一定量的热消失时，必产生一定的功；消耗一定量的功时，必出现与之对应的一定量的热。第一类永动机不可能实现。

一种机器，不需要外界提供能量，却能不断地对外做功。闭口系能量方程及应用q＝△u＋w

Q＝△U＋W

热力学第一定律热力学能解析式

第二节热力学基本定律表示了外界热源向系统所提供热量，一部分使得系统热力学能发生变化，另一部分则用于系统与外界的功量交换，并且能量的总量是守恒的。

以上公式的意义：例题：气体在某一过程中吸收了50kJ的热量，同时热力学能增加了84kJ，问此过程中气体做功是多少？功是负值意味什么？

于是解：第二节热力学基本定律2.3稳定流动能量方程与焓1、开口系能量传递在控制容积中，能量转换与传递主要表现为通过界面的功、热交换和伴随工质连续流进、流出控制容积时的能量传递。

(1)通过界面传递的能量通过开口系统界面传递的能量是功量与热量。与闭口系一样，只要界面不绝热，系统就会从外界吸热(或向外界放热)；而开口系的功量交换，往往不是通过系统容积变化来实现，而是通过热力设备的机械轴与外界交换机械功，故被称为轴功Ws，单位J。第二节热力学基本定律单位质量工质的轴功用ws表示，单位J/kg。通常规定系统输出轴功为正功，所获得的轴功为负功。(2)随物流传递的能量随物流传递的单位质量的能量包括系统热力学能u、宏观动能c2/2、重力位能gz及流动功wf。流动功是连续流体流经控制体界面时，为推开前面的流体而流进或流出控制体时所传递的能量，亦称为推挤功。如图1-12所示，Wf＝F×L＝PA×L＝P×AL＝PV，故wf＝PV。第二节热力学基本定律2、焓闭口系工质可以计算焓值，但闭口系没有工质流进或流出，故能量方程中仅出现热力学能，而不是焓。

热力学中把

U＋PV两项合并为一项，以

H

表示之，称为焓，即

H＝U＋PV

1kg工质的焓称为比焓，用

h表示，单位为J/kg或kJ/kg。第二节热力学基本定律U—热力学能PV—流动功

焓的物理意义

热力学能u是工质本身所具有的能量，推动功

PV

则是随工质流动而转移的能量，因此焓代表工质流入（或流出）开口系时传递入（或传递出）系统的能量。由于热力工程中常碰到工质连续不断流过热力设备的情况，随工质流动而转移的能量中，取决于工质热力状态的部分是焓不是热力学能，因此焓的应用比热力学能更广泛。工质的焓和热力学能一样，无法测定其绝对值。在热工计算中关心的是两个状态间焓的变化，因此，可选取某一状态的焓值为零作为计算基准。在状态变化的过程中，工质的焓变量为

：第二节热力学基本定律3、稳定流动能量方程

稳定流动就是指工质在流动情况下，流道中任何截面上的各种参数（温度、压力、比体积、流速等）及质量流量都不随时间而改变；系统在单位时间内与外界的热量及功量的交换也不随时间而改变。实际热机的工作过程大多可认为是稳定过程。第二节热力学基本定律第二节热力学基本定律图1-12稳定流动能量方程推导工质在进、出口截面处所具有的能量形式有：热力学能u1、u2，宏观动能，重力位能gz1、gz2，流动功P1v1、P2v2。、根据热力学第一定律，工质稳定流入系统的能量总和应等于流出系统的能量总和，即：h＝u＋Pv

第二节热力学基本定律能量方程：

Q=△H+1/2m△cf2+mg△z+Ws

=△H+Ws

q=△h+1/2△cf2+g△z+ws

=△h+ws当忽略系统宏观动能和重力位能时，可得简化公式第二节热力学基本定律稳定流动能量方程应用示例：

(1)叶轮机械∵q=△h+1/2△cf2+g△z+ws

q≈0；△cf2≈0；△z≈0

∴-ws=△h第二节热力学基本定律因此单位质量的工质在压气机、泵和风机等机械中被压缩时，外界所提供的轴功等于工质焓的增加。(2)喷管∵

q=△h+1/2△cf2+g△z+ws

q≈0；△z≈0；ws=0

∴

1/2△cf2=-△h第二节热力学基本定律单位质量的工质在喷管中动能的增加等于焓的减少

(3)表面式热交换器第二节热力学基本定律∵Q=△H+1/2m△cf2+mg△z+Ws

△cf2≈0；△z≈0；Ws=0(热或冷流体)∴Q=△H

换热器中单位质量的工质所吸收的热量等于工质的焓增，而放出的热量等于工质的焓降。(4)节流第二节热力学基本定律∵

q=△h+1/2△cf2+g△z+ws

q≈0；△cf2≈0；△z≈0；ws=0

∴△h=0气体或蒸汽在管道中流动时，由于遇到突然缩小的狭窄通道，如阀门、孔板等，而使流体压力显著下降的现象，称为节流。如果流体在节流时，与外界没有热量交换，则称为绝热节流。热力工程上常遇到的节流现象，基本上都可以认为是绝热节流。

(5)混合式换热器∵Q=△H+1/2m△cf2+mg△z+WsQ=0；△cf2≈0；△z≈0；Ws=0

∴

△H=0

即

H3=H2+H1第二节热力学基本定律例题2-1

一个装有2kg工质的闭口系经历如下过程：过程中系统散热25kJ，外界对系统做功100kJ，比热力学能减少15kJ/kg，并且整个系统被举高1000m。试确定过程中系统动能的变化。解:

由于需要考虑闭口系统动能及位能的变化，所以应用第一定律的一般表达式,即结果说明系统动能增加了85.4kJ

第二节热力学基本定律例题2-2

一活塞汽缸设备内装有５kg的水蒸气，由初态的比热力学能

，膨胀到

，过程中加给水蒸气的热量为80kJ，通过搅拌器的轴输入系统18.5kJ的轴功。若系统无动能、位能的变化，试求通过活塞所做的功。

解：这是一闭口系，所以能量方程为：Q

=△H+W方程中W是总功，应包括搅拌器的轴功和活塞膨胀功，则能量方程为Q

=△H+Ws+WpWp=Q-Ws-m(u2-u1)活塞功为正值，说明系统通过活塞膨胀对外做功

第二节热力学基本定律例2-3

气缸内储有完全不可压缩的流体，气缸的一端被封闭，另一端是活塞。气缸是绝热静止的。试问：（1）活塞能否对流体做功？（2）流体的压力会改变吗？（3）若使用某种方法把流体压力从0.2提高到4，热力学能有无变化？焓有无变化？第二节热力学基本定律解：（1）汽缸活塞系统是闭口系统。由于流体不可压缩，流体的体积不会变化，因此流体的体积变化功为零，活塞不能对流体做功。（2）根据牛顿第三定律，流体的压力应与外力时时相等，因此当活塞上的作用力改变时，流体的压力也随之改变。（3）根据已知条件，汽缸活塞系统与外界无热交换，Q=0又W=0，由能量方程,知，故流体热力学能无变化。焓，当U,V不变，p提高时，H应增大。第二节热力学基本定律

H＝U＋PV

2.4热力学第二定律遵循热力学第一定律的热力过程未必一定能够发生，因为涉及热现象的热力过程具有方向性。热力学第二定律揭示热力过程具有方向性。它阐明了能量不但有“量”的多少问题，而且有“品质”的高低问题，在能量的传递和转换过程中能量的“量”守恒，但“质”却不守恒。

第二节热力学基本定律1.自发过程的方向性第二节热力学基本定律只要Q'不大于Q，B向A传热并不违反第一定律电流通过电阻，产生热量对电阻加热，电阻内产生反向

电流？

只要电能不大于加入热能，不

违反第一定律。第二节热力学基本定律重物下落，水温升高水温下降，重物升高？只要重物位能增加小于等于水降内能减少，不违反第一定律。

第二节热力学基本定律热工转换自由膨胀扩散混合温差传热第二节热力学基本定律可以自动发生的过程称为自发过程。热力过程若要发生，必然遵循热力学第一定律，热力学第二定律决定着热力过程能否实现。一个非自发过程的进行必须付出某种代价作为补偿。如制冷。为提高能量利用的经济性，人们一直在最大限度地减少补偿。

研究热力过程的方向性，以及由此而引起的非自发过程的补偿和补偿限度等问题是热力学第二定律的任务。第二节热力学基本定律能量转换方向性的实质是能质有差异无限可转换能—机械能，电能部分可转换能—热能T=T0不可转换能—环境介质的热力学能归纳：1）自发过程有方向性；

2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是要有附加条件；

3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。第二节热力学基本定律

不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。2、热力学第二定律的表述克劳修斯说法

不可能吧热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。开尔文说法普朗克说法

不可能从单一热源取热使之完全变成功而不产生其他影响。

热力学第一定律否定了创造能量与消灭能量的可能性，宣告第一类永动机不可能制成。热力学第二定律则指明第二类永动机，即利用大气、海洋作为单一热源，从中汲取热量，转变为功的热机是不可能制造成功的。因为它虽然不违反热力学第一定律，但违反了热力学第二定律。

第二节热力学基本定律前面两种说法的关键是“不引起其他变化”。制冷中，引起变化——外界消耗功；定温膨胀引起系统状态变化——气体压力降低。第二类永动机3、循环(1)正循环：热效率ηt=W/Q1正循环状态图上沿顺时针方向进行，消耗热，获得功。第二节热力学基本定律工质由某一初态出，经历一系列热力状态变化后，又回到原来初态的封闭热力过程称为热力循环，简称循环。制冷装置制冷系数ε=Q2/W

热泵装置供热系数ε'=Q1/W

(2)逆循环状态图上沿逆时针方向进行，消耗功，获得热。可逆循环由一系列可逆过程组成的循环。不可逆循环含有不可逆过程的循环。第二节热力学基本定律第二节热力学基本定律4、卡诺循环与卡诺定理最简单的热机必须至少有两个热源，那么热效率最高极限是多少呢？卡诺定理解决了这一问题，并且指出了改进循环提高热效率的途径和原则。（1）卡诺循环卡诺循环是工作在恒温的高、低温热源间的理想可逆正循环。它是由两个定温和两个绝热可逆过程所构成。第二节热力学基本定律为了实现两恒温热源间的可逆循环，必须消除循环过程中包括内不可逆和外不可逆的所有不可逆因素。为此，工质从高温热源吸热和向低温热源放热必须是工质和热源间温差趋于零的定温吸热过程和定温放热过程，当工质温度在热源温度和冷源温度间变化时，不允许工质与热源进行有温差的热交换，且内部无耗散效应，故只能是可逆绝热过程。如此构成的原因是：热效率p-v图T-s图12341234采用理想气体为工质的卡诺循环过程第二节热力学基本定律第二节热力学基本定律1.在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的可逆热机的热效率恒高于不可逆热机的热效率；2.在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的可逆热机有相同的热效率，而与工质无关。

（2）卡诺定理卡诺定理的意义：

1.卡诺定理指出了热效率的极限；

2.提高热效率的根本途径在于提高热源温度,降低冷源温度，以及尽可能的减少不可逆因素。

3.温度为T的热源放出的热量转化为有用功为：

式中T0

为大气环境温度，Q为热源放出的热量。第二节热力学基本定律小结：

可逆热机的热效率：

不可逆热机的效率恒低于可逆热机的效率：

第二节热力学基本定律例题2-3：自发过程是不可逆过程，非自发过程是可逆过程，这样说对吗？

解：这样说是不全对，诚然自发过程是不可逆过程，但非自发过程却并非是可逆过程，而是不可逆过程。第二节热力学基本定律例题2-4：指出循环热效率公式和各自适用的范围（T1和T2是指热源的温度）。

适用于任何工质进行的任何循环解：适用于任何工质进行的可逆卡诺循环（或可逆的回热卡诺循环）。第二节热力学基本定律解：利用卡诺定理来判断循环是否可行。若在T1和T2之间是一卡诺循环，则循环效率为

例题2-5：欲设计一热机，使之能从温度为973K的高温热源吸热2000kJ，并向温度为303K的冷源放热800kJ，问此循环能否实现？

而欲设计循环的热效率为即欲设计循环的热效率比同温度限间卡诺循环的低，所以循环可行。第二节热力学基本定律第二节热力学基本定律2.5热力学第三定律人们在研究低温物理现象时发现，当温度趋近于绝对零度时，凝聚系统（固体或液体）在可逆定温过程中熵的变化等于零，即

这就是热力学第三定律的一种表达。它还有另一种表述：不能用有限的步骤使一个系统的温度降到绝对零度。

水蒸气是人类在热能间接利用中应用最早的工质。在制冷、空调中还常常用到其他蒸气，如氨蒸气、氟利昂蒸气等等。蒸气距液态较近，微观粒子之间作用力大，分子本身也占据了相当的体积，而且在工作过程中往往有气液间的相态变化。

第三节水蒸气与湿空气3.1水蒸气（steam）

因此。蒸气不能作为理想气体来对待，它的物理性质较理想气体复杂得多，它的状态方程、热力学能、焓和熵的计算式都不像理想气体的计算式那样简单。工程计算是直接查取为工程计算编制的蒸气热力性质图表。

第三节水蒸气与湿空气第三节水蒸气与湿空气1.汽化与凝结（1）汽化——由液相变成气相的过程。包括蒸发、沸腾。

蒸发——在液体表面进行的比较缓慢的汽化。

蒸发是液体表面动能较大的分子脱离液面变成蒸气分子的过程。蒸发在任何温度下均可发生。液体温度愈高，液体表面积愈大，液面上空蒸气分子密度愈小，蒸发愈快。

沸腾——在液体表面和内部进行的剧烈汽化现象。

对液体加热，当液体达到一定温度时，液体内部便产生大量气泡，气泡上升到液面破裂而放出大量蒸汽。液体沸腾时的温度叫做沸点。实验证明，定压沸腾时，虽然对液体加热，但其温度保持不变。（2）凝结——物质由气相转变为液相的过程。它是汽化的反过程。在一定的压力下，水蒸汽温度要降到相应压力的沸点温度时，才开始凝结。第三节水蒸气与湿空气饱和状态：当汽化速度=液化速度时，系统处于动态平衡，宏观上气、液两相

保持一定的相对数量。饱和温度：饱和状态下的液体和蒸气的温度称为饱和温度。饱和压力：与饱和温度相对应的饱和蒸气的压力称为饱和压力。第三节水蒸气与湿空气2、几个名词

饱和液(saturated

liquid)—处于饱和状态的液体：t=ts

干饱和蒸汽(dry-saturated

vapor;

dry

vapor

)

—处于饱和状态的蒸汽：t=ts

未饱和液(unsaturated

liquid)

—温度低于所处压力下饱和温度的液体：t<ts

过热蒸汽(superheated

vapor)

—温度高于饱和温度的蒸汽：t>ts,t–ts=d称过热度(degree

of

superheat)。

湿饱和蒸汽(wet-saturated

vapor;

wet

vapor

)

—饱和液和干饱和蒸汽的混合物：t=ts第三节水蒸气与湿空气水的p-T图思考：1.除加热还有其它使未饱和液体达到饱和的方法吗？2.刚性绝热容器内水的压力为0.1MPa，测得容器内温度为200℃，那么容器内水不可能是液态？定义：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用w或x表示。

3、干度x0

1

饱和液

湿饱和蒸汽

干饱和蒸汽

4.水的定压加热汽化过程

(1)水的定压加热汽化过程的三个阶段和五种状态第三节水蒸气与湿空气a)→b)预热阶段b)→d)汽化阶段d)→e)过热阶段图1-19水的定压汽化过程

水的温度曲线图第三节水蒸气与湿空气第三节水蒸气与湿空气(2)水的定压加热过程在P-v图与T-s图中的表示

第三节水蒸气与湿空气3.水蒸汽表和图

(1)零点的规定在编制水及水蒸汽图表时，对h、s、u等状态参数需规定其计算起点，即零点。由于工程计算中，只需求其变化量，而不必求其绝对值，故可任选一起点。根据国际水蒸汽会议的规定，选定水的三相点(即273.16K的液相水)作为基准点，规定在该点的液相水的u、s值为零，该基准点的参数为：

t0＝0.01℃，P0＝611.659Pa，v0’＝0.00100021m3/kg，

u0’＝0kJ/kg，s0’＝0kJ/kgh0＝u0’

＋P0

v0’＝(0＋611.659×0.00100021)J/kg＝0.6117J/kg≈0kJ/kg

第三节水蒸气与湿空气水蒸汽表有三种：1)按温度排列的饱和水与干饱和蒸汽表，如附表1（附录A）所示。已知饱和温度就可在表中依次查出Ps、v′、v″、h′、h″、γ、s′、s″。2)按压力排列的饱和水与干饱和蒸汽表，如附表2（附录A）所示。已知饱和压力便可查出ts、v′、v″、h′、h″、γ、s′、s″。3)未饱和水与过热蒸汽表，如附表3（附录A）所示。已知压力和温度这两个独立参数，可从表中查出v、h、s。黑线上方是未饱和水的参数值，黑线下方是过热蒸汽的参数值。表中参数角标为“′”表示饱和水的参数，角标为“″”表示干饱和蒸汽的参数。第三节水蒸气与湿空气(2)水蒸汽表例如：在饱和水蒸汽表中可查到：130℃对应的饱和压力为0.27012MPa,140℃对应的饱和压力为0.36136MPa，求133℃对应的饱和压力Ps？把上述问题转化为：已知两点坐标A(130℃，0.27012MPa)，B(140℃，0.36136MPa)，求直线AB上点C(133℃，Ps)的纵坐标Ps，如图1-22所示。因为AB//AC，故直线AB的斜率kAB与直线AC的斜率kAC，即kAB＝kAC，也即:(yB－yA)/(xB－xA)＝(yC－yA)/(xC－xA)yC＝(yB－yA)(xC－xA)/(xB－xA)＋yA补充:二维表格的插值!(需3次直线插值)第三节水蒸气与湿空气3.2湿空气(moist

air)一、基本概念湿空气是水蒸气和干空气的混合物。完全不含水蒸气的空气称为干空气，干空气本身是氮、氧及少量其它气体的混合物，其成分比较稳定。大气中的空气或多或少都含有水蒸气，因此人们在日常