热力学基本概念1-状态参数、热力学温标

工程热力学

Engineering

Thermodynamics主讲教师介绍安青松

天津大学热能工程系

天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室

中低温发电技术主要研究方向环保工质

纳米流体技术主讲教师介绍Address：金工楼510Tel：27407617-mail:

an1715@助教介绍Name:刘良旭博士生Address：金工楼510Tel：27407617-mail:

liuliangxu@126.com课程公邮：eng_thermodymics@163.com绪论工程热力学是重要的技术基础课工程热力学

是一门研究热能有效利用及

热能和其它形式能量转换规律的科学能源转换利用的关系热能电能机械能风能水能化学能核能地热能太阳能一次能源(天然存在)二次能源光电转换燃料电池光热聚变裂变燃烧水车水轮机风车热机电动机发电机90%转换直接利用利用生物质

风力发电WindenergyWindmill

水力发电Waterpower火电厂SteamPowerStation锅炉Boiler车Vehicle火车Train船Ship飞机Airplane枭龙航天哥伦比亚号长征系列神九俄联盟燃料电池秦山核电站Nuclearpowerstation大亚湾核电站Nuclearpowerstation核潜艇Nuke

地热Geothermal新西兰云南腾冲西藏羊八井北京

太阳能热利用

太阳能光电Solarcell

COH2气体燃料汽、煤、柴油醇、醚生物质定向转换制备清洁燃料示意图定向转换

生物质

燃烧

biomassFutureEnergytoLow-CarbonTowninChinaNew

Energy

TechnologiesRenewableenergyConventionalEnergycleanFutureenergy工程热力学与节能工程热力学

是一门研究热能有效利用及

热能和其它形式能量转换规律的科学建立节能的理论基础(1)中国能源资源缺乏(2)中国能源利用效率低下(3)能源环境问题突出

热力学的分类工程热力学：热能与机械能物理热力学化学热力学生物热力学溶液热力学热力学能源转换利用的关系

热能电能机械能风能水能化学能核能地热能太阳能光电转换燃料电池光热聚变裂变燃烧水车水轮机风车热机电动机发电机90%转换供暖生物质

热机种类车辆发动机（内燃机）25-35%航空发动机

20-30%

轮船发动机25-35%发电（火力、核能）40-50%

制冷空调(非热机，同理）

>200%

能量利用率heatengineEnergyefficiency内燃机装置空气、油废气吸气压缩点火膨胀排气internalcombustionengine发动机构造（内燃机）

图6-15单缸汽油机构造示意图-火花塞2-气缸盖3-出水口4-气缸5-活塞6-水套7-水泵8-活塞销9-进水口10-连杆11-飞轮12-曲轴13-机油管14-曲轴箱15-机油泵16-曲轴正时齿轮17-凸轮正时齿轮18-凸轮轴19-排气管20-进气管21-进气门22排气门23-化油器engine汽车发动机与传动（内燃机）内燃机装置基本特点1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环

(加压、加热、膨胀做功、放热)涡轮风扇发动机（航空发动机）高压透平燃烧室压气机低压透平燃气装置基本特点1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环

(加压、加热、膨胀做功、放热)压气机燃气轮机燃烧室空气废气火电厂系统图SteamPowerStation国产流化床锅炉(苏盛热电厂)山东日照发电厂350MW汽轮机（透平Turbine）机组刨面图660MW发电机内部（邯郸发电厂)generator凝汽器（苏盛热电厂)condenser凝汽器Condenser和冷却塔系统图火力发电装置基本特点锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器1、热源，冷源2、工质（水，蒸汽）3、膨胀做功4、循环

(加压、加热、膨胀做功、放热)制冷空调装置基本特点1、热源，冷源2、工质（制冷剂）3、得到容积变化功4、循环

(加压、放热、膨胀、吸热)热力装置共同基本特点1、热源，冷源

heatreservoir

2、工质

medium,workingsubstance

3、容积变化功

moving

boundarywork

4、循环

cycle热机

高温热源低温热源Q1Q2W动力循环简图热效率Thermalefficiency思考题？2、为何要有两个热源，能否不要低温热源,不放热，W=Q是否可以进行？4、普通发电厂效率高的只有40%左右，可否有途径提高，最高效率是否有极限？极限为多少？1、为什么永动机不能实现？Perpetual–motionmachine3、动力装置为什么都要先升压，再吸热，能否先吸热，再升压?工程热力学的研究内容

1、能量转换的基本定律

2、工质的基本性质与热力过程3、热功转换设备、工作原理4、化学热力学基础1、宏观方法：连续体(continuum)，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结

特点：可靠，普遍，不能任意推广

经典

（宏观,平衡）热力学classical(macroscopic,equilibrium)工程热力学研究方法√2、微观方法：从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律

特点：揭示本质，模型近似

微观（统计）热力学

microscopic(statistical)thermodynamics工程热力学研究方法1、有几位科学家在热力学作出了贡献，获诺贝尔奖？小知识2、中国哪位教授与美国教授合作提出的状态方程得到普遍认可？4、为什么恩格斯说“卡诺定理”是头重脚轻的定理？3、Maxwell妖是什么？热力学方面获诺贝尔奖的科学家（1）

J.D.范.德瓦尔斯

JohannesvanderWaals(1837-1923)

荷兰气体和液体状态方程

1910年诺贝尔物理学奖热力学方面获诺贝尔奖的科学家（2）

M.普朗克

MaxPlanck(1858-1947)

德国发现能量子（量子理论）热二律

1918年诺贝尔物理学奖热力学方面获诺贝尔奖的科学家（3）

W.H.能斯脱

WaltherHermannNernst(1864-1941)

德国热化学，熵基准

1920年诺贝尔化学奖热力学方面获诺贝尔奖的科学家（4）L.昂萨格

LarsOnsager(1903-1976)

美国不可逆过程热力学理论

1968年诺贝尔化学奖热力学方面获诺贝尔奖的科学家（5）I.普里戈金

IlyaPrigogine(1917-2003)

比利时热力学的耗散结构理论

1977年诺贝尔化学奖热力学方面获诺贝尔奖的科学家（6）K.G.威尔逊

KennethG.Wilson(1936-)

美国临界重整化群理论

1982年诺贝尔物理奖参考书1、工程热力学

沈维道等高教出版社2、工程热力学

曾丹苓等高教出版社3、工程热力学朱明善等高教出版社4、工程热力学

庞麓鸣等高教出版社教学要求及考核方式1、弄清基本概念，注意每章后的思考题2、独立完成作业，每两周四上课时按时交3、有问题及时解决，不要拖至考试clearunderstandingandfirmgraspofthebasicprinciples1、平时作业20%2、期中考试20%3、期末考试60%绪论完

EndofPreface基本概念BasicConcepts热力系统热力系统(热力系、系统)：人为地研究对象1、系统的定义ThermodynamicsystemsystemAquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy热力系统外界：系统以外的所有物质2、系统、外界与边界边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界surroundingsboundary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边界特性真实、虚构固定、活动fixed、movablereal

、imaginary热力系统分类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TypesofSystem开口系绝热系孤立系ClosedsystemControlmassIsolatedsystemOpensystemControlvolume闭口系Adiabaticsystem1234mQW1

开口系热力系统非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2

闭口系1+2+3

绝热闭口系1+2+3+4孤立系热力系统其它分类方式

其它分类方式物理化学性质

均匀系

非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相简单可压缩系统最重要的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SimplecompressiblesystemMovingBoundaryWorkCompressionWorkExpansionWork状态和状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述热力系状态的物理量状态参数的特征：1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征：全微分Stateandstateproperties状态参数的积分特征

状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。数学上：点函数、态函数12abpointfunctiondz=0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Totaldifferentials强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数

如压力

p、温度T广延参数：与物质的量有关的参数可加性

如

质量m、容积

V、热力学能

U、焓

H、熵S比参数：比容比热力学能比焓比熵单位：/kg/kmol具有强度参数的性质IntensivepropertiesExtensiveproperties强度参数与广延参数速度动能高度

位能

热力学能温度应力摩尔数（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）Velocity

KineticEnergyHeight

PotentialEnergyTemperature

InternalEnergyStressMol基本状态参数压力

p、温度T、比容v（容易测量）1、压力p(pressure)

物理中压强，单位:Pa(Pascal),N/m2常用单位Units：

1kPa=103Pa1bar=105Pa

1MPa=106Pa

1atm=760mmHg=1.013105

Pa

1mmHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665104

PaBasicstateproperties压力p测量示意图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U-tubemanometerBourdonTube绝对压力与相对压力当

p>pb表压力pe当

p<pb真空度pvpbpeppvprelativepressureabsolutepressureGagepressureVacuumpressure环境压力与大气压力指压力表所处环境注意：

环境压力一般为大气压，但不一定。环境压力Environmentalpressure大气压力Atmosphericpressurebarometrichbarometer大气压力Atmosphericpressure大气压随时间、地点变化物理大气压

1atm=760mmHg当h变化不大，ρ常数1mmHg=ρgh=133.322Pa当h变化大，ρρ(h)OtherPressureMeasurementDevices高精度测量：活塞压力计

pistonmanometer工业或一般科研测量：压力传感器

PressuretransducersPiezoelectriceffect基本状态参数压力

p、温度T、比容v

（容易测量）2、温度T(Temperature)Basicstateproperties温度T的一般定义传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量微观：衡量分子平均动能的量度

T0.5mw21)同T,0.5mw2不同，如碳固体和碳蒸气2)0.5mw2总0,T0,1951年核磁共振法对氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度3)T=00.5mw

2=0分子一切运动停止，零点能温度的热力学定义热力学第零定律（R.W.Fowlerin1931）

如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。温度测量的理论基础B温度计TheZerothLawofThermodynamics

如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。

Iftwobodiesareinthermalequilibriumwithathirdbody,theyarealsointhermalequilibriumwitheachother.为什么叫做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基准温度的热力学定义

处于同一热平衡状态的各个热力系，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温度。

温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量Temperaturemeasurement温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基