第1章工程热力学

1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2一、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。热动力机（热机）：

热能机械能分类共同本质：由媒介物通过吸热—膨胀作功—排热

气体动力装置(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)

蒸汽轮机、锅炉1-1热能和机械能相互转换的过程3二、工质(workingsubstance;workingmedium)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4三、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51-2热力系统（热力系、系统、体系）外界和边界•系统(thermodynamicsystem,system)

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6二、系统及边界示例•汽车发动机7•汽缸-活塞装置（闭口系例）8•移动和虚构边界91）系统与外界的人为性

2）外界与环境介质

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）实际的或虚拟的注意：10三、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11

闭口系（closedsystem）

（控制质量CM）

—没有质量越过边界

开口系（opensystem）

（控制体积CV）

—通过边界与外界有质量交换2.按系统与外界质量交换12

1）闭口系与系统内质量不变的区别；p30思考题1-1

2）开口系与绝热系的关系；p30思考题1-2

3）孤立系与绝热系的关系。注意：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。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13四、热力系示例

刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝

取A侧工质（红线内）—闭口绝热系取B侧工质——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A+B+电源及加热丝（兰线内）—孤立系141-3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152．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163．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、热力学能等；

(2)强度量（intensiveproperty

）：与系统的量无关，无可加性，如温度、压力等。

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。17三、基本状态参数

工程热力学中常用的状态参数有压力、温度、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、体积，称为基本状态参数。

18（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

19（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。20（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。21摄氏温标:

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℃。

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℃。

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℃。

22华氏温标：

1714年，德国物理学家华伦海特将水银密封在管子中，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

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。23

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

–273.15K24

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℃

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℃科学家给地球上的气温划分了等级25华氏温标和朗肯温标华氏温标和摄氏温标附：{T}°R={t}℉

+459.67{t}℃=5/9[{t}℉-32]{t}℉

=9/5{t}℃

+3226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/m2，1MPa=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

微观解释及影响因素？27压力的测量值表压力pe（pg）(gaugepressure;manometerpressure)真空度pv(vacuum;vacuumpressure)绝对压力p(absolutepressure)当地大气压pb(localatmosphericpressure)环境大气压与当地大气压P30思考题1-4P33习题1-92829（三）、比体积和密度比体积(specificvolume)（微观解释？）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:301-4平衡状态一、平衡状态（thermodynamicequilibriumstate）温差

—

热不平衡势

压差

—

力不平衡势

化学反应

—

化学不平衡势

大量（粒子）微粒自身的本领——粒子间相互碰撞平衡的本质：不存在不平衡势差1、定义：

在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态始终保持不变，则该系统处于平衡状态。

在不受外界影响的情况下，系统整体处于什么样的状态呢？31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，则状态变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳定32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33为什么只研究系统的平衡状态？只有系统处于平衡状态，才能作为一个整体，来分析讨论通过边界与外界发生能量的传递和交换，此时该系统具有唯一的确切的参数（压力、温度）描述。34二、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？35状态公理（statepostulate）N—系统独立的状态参数数；n—系统与外界交换的广义功个数。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=236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：37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：pv1）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2138一、准平衡（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只有经历状态变化过程，才会发生能量的传递与交换39一般热力过程p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最终p2

=

p0T2

=

T0pv12..40准平衡过程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41准平衡过程与一般热力过程的不同之处中间变化状态是否可以假设为一系列平衡状态点疑问：理论上准平衡应无限缓慢，工程上怎样处理？42准平衡过程的工程条件：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

准平衡过程无限小43有摩擦力时无摩擦时在准平衡过程的基础上，进一步讨论：pFfpb44二、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：45可逆过程的实现准平衡过程+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46自由膨胀不作功，典型的不可逆过程。

P31思考题：1—11、12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？

准平衡过程着眼于系统内部平衡，可逆过程着眼于系统内部以及与之相互作用的外界的总效果。47引入可逆过程的意义(1)准平衡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)实际过程都是不可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，然后考虑不可逆因素加以修正。同时还能对该过程加以改进，减少能量的耗散。48一、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。3．可逆过程功的计算▲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1-6功和热量

49

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/kg506．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。pbf51用外部参数计算不可逆过程的功?52二、广义功(generalizedwork)简介弹性力功表面张力功

电极化功及磁化功等53三、热量（heat）1．定义：仅仅由于温差而通过边界传递的能量。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54熵的初步了解：过程量可逆过程公式过程推动力过程标志WpdVQTdSP，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：55四、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；热能机械能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。热能热能功2.均为过程量；热是无条件的；热功是有条件、限度的。561-7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。不可逆循环分类：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57正向循环（动力循环）（directcycle;powercycle）输出净功；在p－v图及T－s图上顺时针进行；膨胀线在压缩线上方；吸热线在放热线上方。58逆向循环(reversecycle)

▲制冷循环(refrigerationcycle)

▲热泵循环(heat-pumpcycle)

一般地讲：输入净功；