第1章基本概念

第一章

基础概念什么是工质？定义：实现能量转化的媒介物质制冷工程中又称为制冷剂对工质的要求: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，易大量获取物质三态中气态最适宜作为工质工质的举例火力发电、核电等水蒸气太阳能、地热发电、制冷设备等低沸点物质：氨、氟里昂内燃机、燃气轮机燃气和空气什么是热力系统？被人为地分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统外界：系统以外的所有物质边界(界面)：系统与外界的分界面系统、外界和边界边界特性

固定、活动 真实、虚构1-锅炉；2-汽轮机；3-凝汽器；4-水泵a）以锅炉为热力系统；b）以汽轮机为热力系统；c）以整个蒸汽动力装置为热力系统划分热力系统举例热力系统分类以系统与外界关系划分：

有无有无质量传递 开口系 闭口系有无热量传递 非绝热系 绝热系有无能量、物质传递非孤立系 孤立系热力系统其他分类

热力系统

物理化学性质

均匀系

非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相关于热力系统重点掌握开口系、闭口系、绝热系、孤立系热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。系统与外界的作用都通过边界，看是否有质量交换、热量传递、功的传递及其他形式能量传递。简单可压缩系统工程热力学中最常见、最重要的热力系统因为热能动力装置常用工质都是可压缩流体（水蒸气、空气、燃气等）系统与外界只交换热量和一种准静态的体积变化功（膨胀功和压缩功）体积变化功只与工质的压力和体积的变化量有关工程热力学中讨论的大部分系统都是简单可压缩系统温度温度是表征物体冷热程度的物理量。

微观意义：是物质微观热运动的宏观体现，与分子平均动能成正比事实上确定分子的平均速度是非常困难的；温度还需一个更严谨的定义，这就有赖于热力学第零定律。式中：T是热力学温度，K；

kB=1.38054×10-23J/K，波尔兹曼常数；

v为分子移动的均方根速度。热力学第零定律热力学第零定律：当两个系统各自与第三个系统处于热平衡时，则这两个系统彼此也处于热平衡。热力学第零定律温度的热力学定义：处于同一热平衡状态的各个热力系统，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量为温度。热力学第零定律为温度测量提供了科学基础：即被测物体与温度计处于热平衡时，就可以从温度计的读数确定被测物体的温度值。温度计的工作原理：当一个物体的温度改变时，物体的其它性质也随之改变，可根据这些性质中的某些参数测量物体的温度，指明温度的数值。温度计的分类：气体温度计、膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶和光学温度计等。温度的测量温度计分类温度计测温参数测温范围/℃气体温度计压力或体积-270-1100膨胀式温度计体积-200~750(液)-30~600(固)电阻温度计电阻-200~800热电偶热电动势-200~1300光学温度计辐射强度-50-2000接触式测温非接触式测温一等标准铂电阻温度计其精度可达0.001℃电厂过热器气温等一般采用热电偶测温

温标温标：为量度物体温度而赋予温度的数值。摄氏温标：将标准大气压下水的冰点和沸点之间的温度等分为100份，并以冰点作为零点。华氏温标：水的冰点与沸点分别定义为32℉和212℉。依赖于实际测温物质，测温工质不同结果会不同，这是经验温标热力学温标三个恒温热源间的卡诺循环

因此有：由此可以断定：直接用函数f(t)=T作为温标根据卡诺定理有：理想气体温标气体压力p→0时，气体呈现出理想气体特性，利用理想气体定压下体积随温度变化的特性或定容下压力随温度变化的特性，作为度量温度变化的标准，这种温标称为理想气体温标。理想气体温标是一种经验温标；气体温度计有定容式和定压式，定容式温度计的测量原理：Tptr气体A气体B气体C气体的维里方程为：如左图所示，所有气体压力当p→0时，其PV性质都趋于一相同的特性。特别是定容式温度计内装的气体量趋于零时，所有气体的温度指示趋于同一数值，这说明理想气体定容式温度计与气体性质无关。理想气体温标理想气体温标定容式气体温计示意图将气体温度计的盛气小泡浸没在大气压下的饱和水与饱和蒸汽的混合物中，当温度改变时通过改变水银柱内水银量(增加或减少)，控制盛气小泡的气体体积保持不变，记录下该固定点温度ts与此时的压力ps；再把盛气小泡浸没在大气压下冰水混合物中，保持气体容积不变，记录下该固定点温度ti和小泡内压力pi；然后再用温度计测量某一目标的温度，将温度计盛气小泡与目标接触，记录下温度t与小泡内的压力p。理想气体温标根据理想气体温度计的原理，在1标准大气压下经过冰点(角标i)和沸点(角标s)标定后，其压力和温度关系如下：因此：重复上面的温度测量过程，不同的是需从盛气小泡中取出一部分气体，使小泡内的压力进一步降低，更加接近理想气体的性质，分别得出更低压力下的p、t、ti、pi、ts、ps。理想气体温标t、ti、ts不变，ps

/pi和p/pi同步变化，t=f(p/pi)。随着小泡内的气体不断被取走当p→0时，pi→0与ps→0。根据前述理想气体一致性特性，此时虽然pi→0与ps→0，但冰点和沸点的温度对所有气体都趋于ti与ts

，而任意测量的温度特性对应的温度应该有p→0、t→tc的特性，并且不论使用任何气体，在p→0、pi→0、ps

→0都有t→tc

，这就是A、B、C三种气体当小泡内测量压力p→0时趋于一致性的结果，即理想气体温度计与气体性质无关。存在一个普遍情况，经多次改变定容式气体温度计内的气体量，使得冰点和沸点时气体温度计的读数pi与ps不断减小，达到pi→0与ps

→0的目的。结果发现即使pi→0与ps

→0时，其比值ps

/pi总是为一固定数值不变：

ps

/pi=1.3661理想气体温标摄氏温标表示的各项温度数值ti=0℃与ts=100℃代入：有：当p→0，而p/pi→const，t→tc，此时pi＜p＜ps。当p→0且p/pi→0时，表示p＜pi，此时测量的是低于冰点的温度范围(实际p→0与p/pi→0意味着测量绝对零度的温度)，

t→t0=-273.15℃。上式变换有理想气体温标理想气体温标国际温标规定，以水的三相点作为绝对温标的基准温度点。用单固定点作为温标基准的同时，必须要给出温标的单位才能最终确定温标具体数值。水的三相点的温度Ttr=273.16，水的三相点(固、液、汽三相共存)的压力为ptr，则定容式气体温度计的读数用下式表示：外推ptr→0时不同气体对目标物体温度的测量的一致性，并获得温度测量值。下式定义理想气体温标(开氏)：温标热力学温标、摄氏温标、朗肯温标、和华氏温标的关系热力学温度1854年，开尔文提议将水三相点(triplepoint)的温度，Ttr=273.16K，作为热力学温度的基准，于1954年被第十届国际计量大会采纳。同时用K表示理想气体绝对温标的单位。受水中氢氧同位素的影响，不同三相点瓶结果差异达50μK。目前国际上通过波尔兹曼常数kB来确定热力学温度。国际温标及其发展理想气体温度计的主要缺点：温度特别低的情况下，气体会冷凝，偏离理想气体的性质；在高温下发生离解；容积随温度的升降会张缩，不易准确测定；不适于实验室或工业过程中的实际温度测量。需要有一种简单、容易再现，便于使用的二级标准温度计。国际计量委员会于1968年开始采用国际实用温标（IPTS-68），以取代早期的温度标度。1990年开始使用1990年国际温标，以取代1968年国际实用温标（IPTS-68）。1990年国际温标明确规定了：（1）容易复现的固定点的气体温标温度和用以检定仪器的二级参考温度；（2）二级温度标准的仪器仪表的度数用于根据固定点进行内插的公式。为了完整起见，这是列出了规定的热力学温标固定温度点。（ITS-90）将适用于温度测量和内插的方法概括为四个分区。国际温标及其发展ITS-90温标从0.65到5.0K根据3He和4He的蒸气压测量，后者又进一步分为两段。每一段用12项多项式(polynomial)表示蒸气压与温度的关系。从3.0到24.5561K用氦气定容气体温度计测量，该温度计3到5K用氦气的蒸气压测定一个温度点、一个氢气的三相点温度和一个氖气的三相点温度，共三个固定点标定。从13.8033到1234.93Ｋ按照技术规范用在表中的固定点标定的标准铂电阻温度计测量，并在四个子分区内用状态方程作进一步校正，也可更加细分这些分区。高于1234.93K通过测量可见光谱的辐射强度，与Ag，Au或Cu凝固点同波长辐射强度比较，并且根据普朗克黑体辐射方程确定的温度值。国际温标及其发展ITS-90温标3He和4HeVP3到5Ke-H2TP13.8033Ke-H2(或He)VP(或CVGT)≈17Ke-H2(或He)VP(或CVGT)≈20.3KNeTP24.5561KO2TP54.3584KArTP83.8058KHgTP234.3156KH2OTP273.16KGaMP302.9146KInFP429.7485KSnFP505.078KZnFP692.677KAlFP933.473KAgFP1234.93KAuFP1337.33KCuFP1357.77K国际温标及其发展基本状态参数：压力单位面积上承受的垂直作用力物理中压强，单位Pa，N/m2常用单位：1kPa=103Pa（千帕）1MPa=106Pa（兆帕）1bar=105Pa（巴）1atm=760mmHg=1.01325×105Pa（标准大气压）1mmHg=133.3Pa（毫米汞柱）1mmH2O=9.81Pa（毫米水柱）1at=1kgf/cm2=9.81×104