第1-2章-基本概念和热①定律

第一篇工程热力学

绪论先修课程：大学物理、高等数学教材：秦萍毕海权主编.热工基础.西南交大出版社主要参考书：

1、李岳林.工程热力学与传热学.人民交通出版社2、童钧耕等编.热工基础.第二版.上海交大出版社热工基础包含工程热力学和传热学两门课程的基础知识。工程热力学主要研究能量转换与能量的有效利用。传热学主要研究热量传递过程及其规律。教学目的和任务：

掌握热力学和传热学的基本理论，并能理论联系实际地对工程实际问题进行分析计算；为学习后续有关专业课程提供必要的工程热力学和传热学的基础理论和热力计算的基本方法；培养科学的逻辑思维能力，为毕业后从事工程设计、管理和科学研究提供必要的热力学理论基础及良好的工程素养。

一、研究对象工程热力学——热能与机械能的相互转换规律及其工程应用。热能→机械能:

动力装置(蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机、原子能动力装置等)机械能→热能:

制冷、热泵、空气分离装置等0－1热工基础的研究对象及主要内容

传热学——热量传递过程规律及工程应用。二、主要内容

工程热力学：2.各种热力过程的分析、计算3.部分典型热工设备的工作原理、热力过程分析及计算。传热学：热传导、对流换热、辐射换热和传热过程。一、工程热力学：宏观为主，微观为辅。0－2研究方法方法特点:1、把物质系统看作一个整体，以实践为依据，以热力学第一、第二定律为基础，运用严密的逻辑推理，对宏观现象和热力过程的性质和规律进行分析研究；2、必要时引入气体分子运动学和统计物理理论解释一些热现象的本质。二、传热学：也主要采用宏观方法同样是归纳无数经验事实，得到热传导、热对流和热辐射的基本定律。具体可利用解析法、实验法和数值法进行分析计算，各种方法相辅相成，互为补充。0－3课程特点与学习方法热工基础课包含工程热力学和传热学两部分内容。课程的特点是概念多、公式多、内容抽象、逻辑严密，各部分内容相互渗透交叉。热力学第一定律、热力学第二定律、工质热力性质和热力过程是贯穿工程热力学整个内容的主线。而热平衡方法的应用（能量守恒）是贯穿传热学内容的主线。

一、课程特点所以要注意学习将工程实际问题简化抽象为物理模型的原则和方法，并给出正确的数学描述；学习分析和解决实际问题的逻辑思维方式和巧妙的迂回手段，并通过实验培养自己的动手能力。二．学习方法建议1．重视对基本概念和基础理论的学习。对基本概念和术语，要注意理解其物理本质;对公式要理解公式中每一项的物理意义,理解性地记忆,并注意公式的使用条件。2．针对逻辑性强、各部分内容相互渗透交叉的特点,

应注意各部分内容之间的相互联系,按课堂讲授内容的顺序进行学习和复习。3．学习过程主动思考，多提问题，及时复习小结。4．独立完成作业，在可能的情况下多看一些例题，并作适当归纳。第一章基本概念和定义1-1、热力系统（系统）1.定义系统：被人为分离出来，做为研究对象的物体的总称。外界：系统以外的其它物质。边界：系统与外界的分界面。例：

边界可以是固定或运动的,也可以是真实或虚拟的,因此系统也可以是固定或运动的。2.系统的分类闭口系、开口系、绝热系、孤立系等。闭口系:与外界无物质交换的系统。开口系:

与外界有物质交换的系统。绝热系:与外界无热量交换的系统。孤立系：与外界无功、热、物质交换的系统。另外，也可按系统内部状况的不同，将系统分为均匀系（各部分化学成分和物理性质均匀一致）与非均匀系；单相系（单一物相）与复相系；单元系（纯物质，空气可看作纯物质）与多元系等。

合理选择系统是进行正确的热力学分析的前提。在不涉及化学反应时，工程热力学所讨论的大多数热力系统——简单可压缩系：由可压缩流体构成、没有电、磁、重力、运动和表面张力等外力场作用、没有化学反应、系统与外界交换的功只有容积变化功一种。

系统选择应根据实际情况，以解决问题方便为原则。系统选取方法对研究问题的结果没有影响，仅与解决问题的繁复程度有关。

一、工质的热力状态工质是实现热、功转换的工作物质，简称工质。热能与机械功的相互转换是通过工质一系列的状态变化来实现的。工程热力学中所研究的系统大多为简单可压缩系，与外界交换功的模式只有容积变化功，由于气态物质具有良好的流动性和膨胀性，体积最容易发生变化，因此，热力学中的工质基本是气体以及有相变的液体。如空气、燃气、水蒸气、水、制冷剂等。1-2、工质的热力状态及其基本状态参数

热力状态：系统中的工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。二、状态参数可定量描述工质状态特性的物理量称为状态参数。如基本状态参数p、、T、和导出状态参数u、h、s等。状态参数的性质：是状态的单值函数，只取决于工质所处的状态，与过程无关。

若，，则

例：设x为任意状态参数，则热力学中常用的状态参数有6个：压力p、温度T、容积V（比容）、热力学能U、焓H

和熵S。其中p和T为强度性参数，在热力过程中起着推动力的作用；

V、U、H、和S

为广延性参数，反映过程进行的尺度。三、基本状态参数（p、、T）

通过仪表直接或间接测量得到的状态参数称为基本状态参数，利用基本状态参数计算得到的状态参数为导出状态参数。

强度性参数称为广义力或势，与系统内工质的数量无关，没有可加性；广延性参数称为广义位移，具有可加性。单位质量的广延性参数称为比参数，具有强度参数的性质，没有可加性，比参数可看作强度性参数。（1）绝对压力p：

工质的真实压力，真空时p=0,只有绝对压力为工质的状态参数。（2）表压力pg：

绝对压力高出当地大气压的数值。pb——大气压力（不恒定）N/m2

可用绝对压力、表压力或真空度三种形式表示。1、压力

表压力测量仪表常用单位

压力表

MPa

U型管测压计

Pa或mmH2O(Hg)（pg＝gh）（3）真空度pV：

绝对压力低于当地大气压的数值。p、pg、pV关系图：2、温度

表示物体冷热的程度。

温标：温度的数值表示方法。常用:热力学温标、摄氏温标、华氏温标。三种温标关系式：C

3、比容和密度（、）

m3/kg

kg/m3

平衡状态

1、定义：系统中压力、温度处处相同、且不随时间变化的状态，称为平衡状态。只有平衡状态才能由一组具有确定数值的状态参数定量描述该状态。2.

保持平衡状态不变的条件：系统内部以及系统与外界之间不存在任何不平衡势差。系统内外处于力的平衡和热的平衡（温度平衡）。1-3、平衡状态、状态公理及状态方程

二、状态公理

状态公理:热力系平衡状态独立状态参数的个数等于系统与外界交换能量的各种方式的总数。对由气体组成的简单可压缩系统，独立的状态参数只有两个。三、状态方程式习惯上以反映基本状态参数p、、T之间关系的公式称为状态方程式。

常用的气体状态参数图为：例

p－图p－图和T－

s图状态方程式的具体形式取决于工质的性质。

气体状态方程式：

或：p=f(T,v);T=f(p,v)

;v=f(p,T)

常用的气态工质可分为两类：理想气体和蒸气（实际气体）。理想气体是指远离液态点，不易液化的气体；而蒸气则是指离液态点较近，比较容易液化的气体。理想气体和蒸气之间没有绝对的界限，而且两者可以相互转化。如蒸气在高过热状态时可看作理想气体；而通常可看作理想气体的氢气、氧气、氮气、及惰性气体等，在低温和高压状态时就应将它们看作蒸气。不同的气体具有不同的液态点。理想气体的状态方程式最简单。

一.准平衡过程

1、定义

过程：工质从一个状态变化到另一个状态的全部经历。准平衡过程：由一系列的平衡状态（实际上是无限接近平衡状态）所构成的过程。1-4、准平衡（准静态）过程和可逆过程2、实现准平衡过程的条件

⑴无势差损失（破坏平衡状态存在的压力差、温差无穷小）;⑵弛豫时间短（恢复平衡快。即系统内外处于连续的动平衡状态）。举例:

气缸中贮有气体，装有细砂的砂箱放在活塞上，设气缸壁为良导热材料，气缸内外随时保持温度平衡。

二.可逆过程

1、定义：能逆向进行，且系统与外界同时返回原态而不留下任何变化的过程（举例）。

2、耗散效应与势差损失耗散效应——通过摩擦、电阻、磁阻等使功变为热的效应。势差损失——由于压差或温差等势差的存在而造成的损失（分子无序运动）。3、可逆条件例气体在气缸中绝热膨胀，推动活塞向外移动，到达顶点后反向运动压缩气体。分析：①该系统能自动满足弛豫时间短的条件；②设过程进行时：

i）没有摩擦（无耗散效应）

ii）没有压差（无势差损失）在此条件下，过程是可逆的。

可逆的条件为：

⑴系统内外随时处于力的平衡和热的平衡（无势差损失）；⑵弛豫时间短；⑶无耗散效应。

结论：可逆过程＝没有耗散效应的准静态过程。4、实用意义许多实际过程可以近似的作为可逆过程处理,便于分析计算。三.准静态过程及可逆过程的图示思考题：1、4、5、6、72-1、热力学第一定律的实质实质：是能量守恒及转换定律在热现象上的应用。两种表述：

表述Ⅰ：热量与其它形式的能量相互转换时,总量保持不变。表述Ⅱ：第一类永动机是不可能制成的。

。对于一个循环，则第二章热力学第一定律

针对工程上形形色色的热工设备和热力过程，常常将它们抽象简化为不同的系统，不同的系统与外界之间的能量关系不同，因此其相应的热力学第一定律表达式（能量方程）也不同，但其本质都是相同的。根据能量守恒原理，热力学第一定律的一般表达式为：系统收入能量－系统支出能量＝系统总储存能的增量储存能包括内部储存能和外部储存能。2-2、系统的储存能

内部储存能是工质内部微观粒子所具有的各种能量，取决于系统内部的状态，与系统内工质的分子结构及微观运动形式等有关，简称内能；外部储存能是系统作为宏观整体所具有的宏观能量，包括宏观动能和重力位能，又称转移能。在简单可压缩系中，不涉及化学反应和核反应（无化学内能和核内能），所以可认为工质的内能就是热力学能，仅包括分子的内动能和内位能（物理内能）。一、热力学能（内动能+内位能）

U＝U（T、）

J（kJ）比热力学能：

J/kg

内动能包括分子的直线运动动能、旋转运动动能以及分子内部原子和电子的振动能。由分子运动论，内动能与工质的温度有关，温度越高，内动能越大；内位能是气体分子间相互作用力而形成的分子位能，分子位能的大小与分子间的距离有关，亦即与气体的比容有关。因此简单可压缩系的内能（热力学能）是温度和比容的函数，即实验规律表明：当工质由状态1

状态2时，

结论：比热力学能（简称热力学能）是状态参数。u＝f（T，）

或

u＝f（p，）……对理想气体：内位能＝0，热力学能＝内动能，即：u＝f（T），

比热力学能总是由u1→

u2（只与状态有关）。二、外部储存能（运动系统）宏观动能＋重力位能

动能：

位能：

三、总能（总储存能）对1kg工质：

功量与热量是系统与外界交换能量的2种方式（宏观和微观），只有在过程进行时才有能量迁移，所以功量和热量均为过程量。

一、功量1、定义：功是在力的推动下，通过宏观有序运动的方式传递的能量。常见形式：机械功、电磁功、化学功、表面张力功等。容积功——机械功的一种形式，包括膨胀功和压缩功（热力学重点研究）。2-3、功量与热量2、可逆过程容积功及图示W＝F·dx＝p·A·dx＝pdV

由1→2时，对1kg工质：规定：膨胀功为正，压缩功为负。显然

w1-a-2≠w1-b-2结论：

1）可逆过程的容积功可由

p－图上过程线下的面积表示；

2）功是过程函数，不是状态参数，微量记作

w或W。

二、热量

1、定义：由于系统内外存在温差而通过系统边界传递的能量。规定：系统工质吸热为正、放热为负。结论：热量是过程函数，微量记作q

或

Q。热量在温熵（T-s）图中的表示1）功、热类比：在可逆过程中：过程推动力衡量能量交换的尺度功量pd

热量T

ds熵符号：s由

2）s的定义式J/(kg·k)——可逆过程适用

式中

s——1kg工质的熵，称为比熵。

q——1kg工质的吸（放）热量。对mkg工质：

T——工质的绝对温度。J/k

Tqdsd¹*

注意：在不可逆过程中，

3）T－s图q＝T·ds（微元面积）（过程线下面积）

可逆过程结论：对可逆过程，热量可由T-s图中过程线下的面积表示。对mkg工质：

显然过程中：ds>0→q>0，吸热

ds<0→q<0，放热

ds＝0→q＝0，绝热

结论：对可逆过程，熵变是判断系统工质与外界有无热量交换及热流方向的判据。注意：热量与热能不同。热量是指在热力过程中传递的一种能量，而热能则是指物体内部分子热运动所具有的能量，热能可储存于系统内部，即所谓的热力学能。热量是过程量，而热能是状态量。

3、通过比热容计算热量

可逆过程

式中c——比热容，J/(单位物理量·K)

以质量作为物量单位时：，

c

——质量比热容，J/(kg·K)热力学第一定律是人类从长期实践经验中总结得到的自然界最重要、最普遍的基本定律，适用于一切工质和一切热力过程。对于不同的具体问题，可以表达为不同的数学表达式。2-4、热力学第一定律及其解析式一、闭口系能量方程

对如图所示的闭口系：根据能量守恒原理：加入系统的热量－系统对外做的功＝系统总储能增量即

或因此，对静止的闭口系：上述各量均为代数量.

在工程上，比较常见的情况是闭口系工质在状态变化过程中，系统宏观动能和宏观位能为零或变化量近似为零，这种情况可看作静止的闭口系，系统总储能的变化就是热力学能的变化。对1kg工质：

静止闭口系能量方程式对微元过程：或适用于任何工质、任何过程对可逆过程：由，

→

，

静止闭口系能量方程式为：∴

如前所述，由于工程上大多数情况下的闭口系都可看作静止的闭口系，所以常将静止闭口系的能量方程简称为闭口系能量方程，反而对运动的闭口系要特别说明。由闭口系能量方程，可以看到，包括工质内热能（热力学能）和外热能（从外界获得的热量）的热能与机械能的相互转换必须依靠工质的容积变化，因此闭口系能量方程清晰地反映了热能与机械能相互转换的基本原理和关系，因而称之为热力学第一定律基本表达式。

例：空气向真空绝热膨胀，求t2。解：选整个容器为闭口系,由热Ⅰ∵q＝0，w＝0由u＝cV·tt＝0，t2＝t1

∴u＝0思考：能否由代入热Ⅰ方程式求t2?计算时应注意公式的使用条件和单位,以及功量、热量的正负号。1）稳定流动系统条件：气轮机①

②

或const

③

const

Ws＝const二、稳定流动系统能量方程工程上许多热力装置在工作过程中常伴随着工质的流进流出，如：气轮机、压气机、锅炉、换热器及空调机等，当设备处于正常稳定工况运行时，这些热力系统都可视为稳定流动系统（稳流系）。

2）轴功、流动功轴功：通过机轴对外界输出的机械功，记作Ws。流动功：

对mkg工质：对1kg工质：

（注意此处dV与W中不同）在进口处，为使工质流入系统，外界必须对流入的工质作功,以克服系统的内阻力,此功称为推动（进）功。同理，出口处系统对1kg工质所作的推动功为：进出口处推动功的代数和称为流动功，记作Wf。流动功是维持工质流动所必需的，通常是由泵或风机等加给被输送工质的，是随工质的流动而向前方移动的机械能，它不是工质本身具有的储存能，只有在工质流动时才出现。

所以，流动功可表示为：

3、稳定流动系统能量方程（热I解析式）设

根据能量守恒原理：

进入系统的能量－流出系统的能量即＝系统总储能的增量(适用于一般开口系)对稳流系：令H＝U＋pV，称为焓。对1kg工质，

，称比焓。则

或稳流能量方程式（普遍适用）对微元过程：或

各式使用条件：稳定流动、任何过程、任何工质。

式中:技术功wt—技术上可利用的功(宏观机械能)当，引入技术功后，稳流能量方程可表达为时：在稳定流动系统能量方程中，工质宏观动能、宏观位能的变化及轴功都是机械能，在技术上都可被用于对外界作功，因此称之为技术功Wt（wt）

。

闭口系和稳流系能量方程的形式不同，但本质是相同的或等价的。都描述的是一定量的工质在热力过程中的能量转换关系。

工质在稳定流动过程中同样是一个膨胀过程。虽然开口系的边界为刚性边界，过程中系统的总容积不发生变化，但是，沿工质流程的流通截面是递增的。因此，系统与外界交换功的方式和闭口系不同，工质所作的膨胀功是隐含的。三、各种功量的关系

由或对可逆过程：对mkg工质：

可逆过程中技术功图示：2）可逆过程稳流能量方程式或使用条件：稳流、可逆。因此，在稳流系中，隐含的膨胀功等于流动功和技术功之和。即一部分膨胀功用于提供工质流动所需的流动功，一部分用于增加工质的宏观动能和宏观位能，其余部分才对外输出轴功。所以膨胀功是简单可压缩系热变功的源泉，稳流系中所有机械能的总和等于膨胀功。即四、焓1.定义式J

比焓：J/kg，

简称焓。

h也是状态参数。h可表示为任意两个独立的状态参数的函数。

如：h＝f（p.T）……对于理想气体：2.焓的物理意义1）不论对非流动工质还是流动工质，焓都是状态参数；2）对流动工质，h是随工质流动时携带的取决于热力状态的那部分能量（或基本能量）。在开口系中，随工质流动而携带的总能量包括工质的总储能e和推动功p。在有些流动情况下，工质的宏观动能和重力位能为零或忽略不计，但热力学能和推动功是必定存在的，所以说焓是流动工质携带的基本能量。而宏观动能和重力位能是外部储存能，与工质的状态无关，因此也可将h看作流动工质所携带的总能量中取决于热力状态的那部分能量。

1、简化工程实际问题的几点原则

2-5、稳流能量方程式应用举例

1）对叶轮式机械、喷管、节流阀等通常作绝热处理。①叶轮式机械的外表面通常绝热较好；②热交换面积较小、或工质迅速流过系统；③系统与外界的温差很小等。2）除如喷管、扩压管等设备外，一般设备的进出口动、位能差都可以忽略不计。3）如果闭口系中工质的容积没有变化，则容积功为零；如果开口系中没有叶片、