工程热力学基本概念

工程热力学基本概念摘要：本文全面阐述了工程热力学的基本概念，涵盖了工质、热力系统、状态参数、热力过程、能量转换等核心内容。通过对这些基本概念的深入理解，有助于掌握工程热力学的基本原理，为分析和解决实际工程中的热工问题奠定基础。

一、引言工程热力学是研究热能与机械能相互转换规律及其应用的一门学科。它在能源动力、化工、制冷空调、航空航天等众多工程领域有着广泛的应用。理解工程热力学的基本概念是学习和应用这门学科的关键。

二、工质（一）定义工质是实现热能与机械能相互转换的媒介物质。在热力设备中，工质不断地经历吸热、膨胀、放热、压缩等过程，从而实现能量的转换。

（二）对工质的要求1.良好的热力性质，如比热容较大、热导率较高、膨胀性好等，以便有效地传递热量和实现能量转换。2.化学稳定性好，在热力过程中不发生化学反应，保证设备的安全性和可靠性。3.对环境无害，符合环保要求。

（三）常见工质1.水蒸气：在火力发电厂、蒸汽动力装置等中广泛应用。2.空气：在一些热交换设备、燃气轮机等中有应用。3.制冷剂：用于制冷空调系统。

三、热力系统（一）定义热力系统是人为选取的研究对象，它是从周围的物体中分离出来的一部分物质或空间。

（二）边界边界是热力系统与外界的分界面，可以是实际的界面，也可以是虚拟的界面。边界的形状和位置可以根据研究的需要确定。

（三）外界外界是热力系统边界以外的一切物质和空间。

（四）闭口系统与开口系统1.闭口系统：系统与外界只有能量交换，没有物质交换。如在一个密封的气缸中进行的热力过程，气缸内的工质就是闭口系统。2.开口系统：系统与外界既有能量交换，又有物质交换。如蒸汽轮机，蒸汽不断地流入和流出，蒸汽轮机就是开口系统。

（五）绝热系统与孤立系统1.绝热系统：系统与外界没有热量交换。如用绝热材料包裹的热力设备。2.孤立系统：系统与外界既没有能量交换，也没有物质交换，是一种理想化的系统。

四、状态参数（一）定义状态参数是描述热力系统状态的物理量。系统的状态一定时，状态参数具有确定的值；当系统状态发生变化时，状态参数也随之改变。

（二）基本状态参数1.压力（p）定义：垂直作用在单位面积上的力。单位：帕斯卡（Pa），常用的还有bar、MPa等。测量方法：如弹簧管式压力表、U形管压力计等。2.温度（T）定义：表征物体冷热程度的物理量。单位：开尔文（K），常用的还有摄氏度（℃）。测量仪器：温度计，如玻璃温度计、热电偶温度计、热电阻温度计等。3.比体积（v）定义：单位质量工质所占的体积。单位：m³/kg。与密度（ρ）的关系：v=1/ρ。4.内能（U）定义：工质内部所具有的各种能量之和，包括分子动能、分子势能等。单位：焦耳（J）。内能是状态参数，只与系统的状态有关。

（三）其他状态参数1.焓（H）定义：H=U+pV，单位为焦耳（J）。焓是一个复合状态参数，在工程计算中有重要应用。2.熵（S）定义：与热现象有关的状态参数，反映了系统内部微观粒子的无序程度。单位：焦耳每开尔文（J/K）。

五、热力过程（一）定义热力过程是指热力系统从一个状态变化到另一个状态的路径。

（二）准平衡过程1.定义：过程进行得非常缓慢，系统在每一时刻都无限接近平衡状态，这样的过程称为准平衡过程。2.特点：准平衡过程中系统内部的压力、温度等状态参数基本保持均匀一致，可近似用状态参数来描述过程。

（三）可逆过程1.定义：当系统完成某一过程后，如果能使系统和外界同时恢复到原来的状态，而不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程。2.特点：可逆过程是一种理想化的过程，实际过程都是不可逆的。可逆过程中系统内部及系统与外界之间的不平衡势差无限小，过程进行得无限缓慢。

（四）常见热力过程1.定容过程定义：工质比体积保持不变的过程。过程方程：p/T=常数。能量转换关系：加入的热量全部用于增加工质的内能。2.定压过程定义：工质压力保持不变的过程。过程方程：v/T=常数。能量转换关系：加入的热量一部分用于增加工质的内能，一部分用于对外做功。3.定温过程定义：工质温度保持不变的过程。过程方程：pv=常数。能量转换关系：对于理想气体，定温过程中加入的热量全部用于对外做功。4.绝热过程定义：工质与外界没有热量交换的过程。过程方程：pv^k=常数（k为绝热指数）。能量转换关系：依靠消耗工质的内能来对外做功。

六、能量转换（一）热力学第一定律1.内容：热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时，必产生与之数量相当的功；消耗一定量的功时，也必出现与之数量相当的热。2.数学表达式：闭口系统：Q=ΔU+W；开口系统：q=Δh+w。其中Q为热量，W为功，q为单位质量工质吸收的热量，w为单位质量工质对外做的功，ΔU为内能变化，Δh为焓变化。

（二）热量传递方式1.导热定义：依靠物体内部分子的热运动而传递热量的过程。基本规律：傅里叶定律，q=λ(∂t/∂n)，其中q为热流密度，λ为导热系数，∂t/∂n为温度梯度。2.对流定义：流体各部分之间发生相对位移而引起的热量传递过程。分类：自然对流和强制对流。对流换热规律：牛顿冷却公式，q=hΔt，其中h为对流换热系数，Δt为流体与壁面之间的温差。3.热辐射定义：物体通过电磁波来传递能量的过程。基本定律：斯蒂芬玻尔兹曼定律，E=σT^4，其中E为辐射力，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，T为热力学温度。

（三）功的计算1.容积功定义：系统由于容积变化而与外界交换的功。计算公式：W=∫pdV（适用于准平衡过程）。2.技术功定义：在工程技术中，与宏观动能和势能变化以及轴功相关的功。计算公式：wt=Δ(pv)+w，对于稳定流动系统，wt=h1h2+(c1²c2²)/2+g(z1z2)，其中wt为技术功，h为焓，c为流速，z为高度。

七、热力循环（一）定义热力循环是工质从某一初始状态出发，经历一系列的热力过程后，又回到初始状态的封闭热力过程。

（二）正向循环与逆向循环1.正向循环：把热能转换为机械能的循环，如蒸汽动力循环。2.逆向循环：消耗机械能将热量从低温物体传向高温物体的循环，如制冷循环和热泵循环。

（三）热效率与制冷系数、热泵系数1.热效率（ηt）：对于正向循环，热效率表示循环中转换为机械能的热量与加入循环的总热量之比，ηt=W/Q1。2.制冷系数（ε）：对于逆向制冷循环，制冷系数表示从低温物体吸收的热量与消耗的功之比，ε=Q2/W。3.热泵系数（ε′）：对于逆向热泵循环，热泵系数表示向高温物体放出的热量与消耗的功之比，ε′=Q1/W。

（四）常见热力循环1.朗肯循环组成：由锅炉、汽轮机、冷凝器、给水泵四个主要设备组成。工作过程：水在锅炉中定压加热变成过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机中绝热膨胀做功，排出的乏汽在冷凝器中定压凝结成水，凝结水经给水泵升压后送回锅炉。热效率：ηt=1(h2h1)/(h3h2)，其中h1、h2、h3分别为凝结水、乏汽、过热蒸汽的焓。2.制冷循环压缩制冷循环：由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成。制冷剂在压缩机中压缩升压，在冷凝器中放热冷凝，经膨胀阀节流降压降温，在蒸发器中吸热汽化制冷。吸收式制冷循环：利用吸收剂对制冷剂的吸收和解吸作用来实现制冷，以热能为动力。

八、结论工程