基本概念課件

工程熱力學機電工程學院工程熱力學1學習本課程目的（1）掌握熱力學基本原理及其應用；（2）掌握能量守恒與轉換的基礎知識、基本理論和一般計算方法，為后繼專業(yè)課程學習提供理論準備；教材和參考數(shù)目1.畢明樹主編；《工程熱力學》（第二版）；化學工業(yè)出版社，200８年。2.沈維道，等；《工程熱力學》（第三版）；高等教育出版社；20013．邱信立，等；《工程熱力學》（第四版）；中國建筑工業(yè)出版社；1992．4.朱明善，等；《工程熱力學》；清華大學出版社；20015．曾丹苓，等，《工程熱力學》（第三版）；高等教育出版社；2002學習本課程目的教材和參考數(shù)目20.緒論能源的主要形式有：

太陽能、風能、水力能、地熱能、生物能、

電磁能、機械能、電能、化學能和核能等能量利用實質：能量的傳遞和轉換；利用熱能有兩種方式：一種是直接利用：烘干、蒸煮、采暖等；一種是間接利用：轉化為動力利用；0.緒論3利用最多的能源：化學能傳統(tǒng)熱力裝置中，能量的轉化過程為化學能熱能機械能電能

其能量的轉化效率很低，一般不超過40％，目前世界上最先進采用超超臨界發(fā)電技術，總能源轉化效率可達43.2%新的能量轉換過程：化學能電能（燃料電池）

太陽能電能（光伏發(fā)電）

熱能電能（磁流體）

利用最多的能源：化學能傳統(tǒng)熱力裝置中，能量的轉化過程為化學4

0-2熱力學發(fā)展簡史

什么是熱力學1763年，瓦特（英國人）發(fā)明蒸氣機，引發(fā)第一次工業(yè)革命；1824，卡諾（法國人）提出卡諾定理，指出了熱機（熱變功）的最高效率問題；1842，邁耶和焦耳（1850）分別從理論和實驗兩方面提出了熱力學第一定律——能量守恒定律；1851，開爾文（英）和克勞修斯（德）分別提出了熱力學第二定律；1906，能斯特提出了熱力學第三定律，指出絕對零度不可達到；1942，凱南提出了有效能概念，指出能量有品質

0-2熱力學發(fā)展簡史

什么是熱力學1763年，瓦特（英5以合成氨為例(1)研究對象——能量轉換及利用的規(guī)律，特別是熱能轉換為機械能的規(guī)律和方法；——實現(xiàn)能量轉換和利用的設備（動力裝置和制冷裝置）及其工作過程（熱力過程）——實現(xiàn)能量傳遞和轉換的物質（工質）0-3工程熱力學研究對象、研究內容和研究方法以合成氨為例0-3工程熱力學研究對象、研究內容和研究方法6（2）研究方法１．一種是宏觀的研究方法，包括熱力學第一定律和熱力學第二定律；２．一種是微觀的研究方法，包括從量子力學出發(fā)的量子熱力學和從概率統(tǒng)計學出發(fā)的統(tǒng)計熱力學。（2）研究方法7（3）主要研究內容

1.基本概念與基本定律。特別是熱力學第一定律和第二定律；2.熱力過程。包括基本熱力過程、工質流動、氣體壓縮和各種熱機的工作過程等；3.熱力循環(huán)。包括蒸汽動力循環(huán)和氣體動力循環(huán)、制冷循環(huán)等；4.工質及其熱物性。包括理想氣體、實際氣體（空氣、水蒸氣、燃氣）、和各類制冷劑；

（3）主要研究內容80-4量綱與單位

物理量的量綱是用來表示物理量的名稱。1、長度是距離的量綱；2、質量是物質所具有量的量綱；3、氣體的溫度是氣體的一種熱力學量綱?！玖烤V和導出量綱

基本量綱：有獨立度量單位的量為基本量綱長度[L]、質量[M]、時間[τ]和溫度[T]導出量綱：由基本量綱導出的量綱0-4量綱與單位9速度的量綱：速度的定義式為速度的量綱為加速度的量綱：加速度的定義式加速度的量綱為量綱可看出物理量的特征和性質，以及各物理量之間的關系。單位是人為規(guī)定的物理量的度量標準。速度的量綱：速度的量綱為加速度的量綱：加速度的量綱為10SI單位制采用七個物理量作為基本量：長度、時間、質量、溫度、電流強度、物質的量和發(fā)光強度。其相應的基本單位分別為m（米）、s（秒）、kg（千克）、K（開）、A（安）、mol（摩爾）、cd（坎）。SI單位制采用七個物理量作為基本量：長度、時11第一章基本概念1-1工質和熱力系統(tǒng)1-1-1工質定義：實現(xiàn)熱能和機械能互相轉化的媒介物質，稱為工質（傳遞能量的載能物質）；特點要求：（1）流動性；（2）膨脹性。最適宜作工質的物質是氣體；第一章基本概念1-1工質和熱力系統(tǒng)12分析能量轉換裝置的工作過程。以內燃機為例。內燃機的工作過程主要分成四個行程。

排氣閥進氣閥噴油嘴氣缸活塞分析能量轉換裝置的工作過程。以內燃機為例。內燃機的工作過程主13其工作過程存在有以下幾個特點：1．要實現(xiàn)熱能轉變?yōu)闄C械能，必須借助燃氣作為媒介。工程上將實現(xiàn)能量轉換的媒介物稱之為工質。2．能量的轉變是通過工質狀態(tài)的連續(xù)變化來實現(xiàn)的。工質一般都是氣體，體積可顯著的變化。3．供給熱能一部分轉變?yōu)闄C械能，其余的部分排給了低溫熱源。其工作過程存在有以下幾個特點：14定義：確定研究對象，把研究對象單獨取出的部分稱為熱力系統(tǒng)。與熱力系統(tǒng)有關的周圍物體稱為外界。熱力系統(tǒng)與外界的分界面稱為邊界。注意：邊界可以是真實的，也可以是虛擬的；可以是運動的，也可以是靜止的；1-1-2熱力系統(tǒng)定義：確定研究對象，把研究對象單獨取出的部分稱為熱力系統(tǒng)。與15（一）熱力系統(tǒng)分類根據(jù)系統(tǒng)與外界的物質交換情況分（1）閉口系統(tǒng)（或稱閉系，無物質交換）QW閉口系統(tǒng)又稱控制質量系統(tǒng)（一）熱力系統(tǒng)分類根據(jù)系統(tǒng)與外界的物質交換情況分QW閉口系統(tǒng)16（2）開口系統(tǒng)（或稱開系，有物質交換）QW工質流入工質流出開口系統(tǒng)又稱控制體積系統(tǒng)。（2）開口系統(tǒng)（或稱開系，有物質交換）QW工質流入工質流出開17根據(jù)系統(tǒng)與外界的能量交換情況分(1)絕熱系統(tǒng)：熱力系與外界無熱量交換的系統(tǒng)。(2)孤立系統(tǒng)：熱力系與外界既無能量交換又無質量交換的系統(tǒng)。(3)簡單熱力系：系統(tǒng)與外界只交換熱量和一種形式的準靜功。根據(jù)熱力系內部狀況劃分（1）單元系：只包含一種化學成分的物質；（2）多元系：包含兩種以上的物質；（3）均勻系：系統(tǒng)內各部分具有相同的性質；（4）非均勻系：根據(jù)系統(tǒng)與外界的能量交換情況分(1)絕熱系統(tǒng)：熱力系與181－2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)定義：熱力系統(tǒng)變化過程中，工質在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。狀態(tài)參數(shù)定義：描述工質所處狀態(tài)的宏觀物理量，僅取決于系統(tǒng)某一瞬間的性質，是熱力系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)，以工質以往經歷的過程無關。1－2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)19狀態(tài)參數(shù)的性質：是狀態(tài)的單值函數(shù)，對應于一定狀態(tài)，狀態(tài)參數(shù)有唯一確定的數(shù)值；與產生狀態(tài)的過程經歷無關，數(shù)學上可表示為

與經歷途徑無關

經歷一個循環(huán)后，狀態(tài)參數(shù)變化值為0狀態(tài)參數(shù)的性質：20狀態(tài)參數(shù)的分類（1）強度量：與所含的物質數(shù)量無關，不具可加性；（2）尺度量：與所含的物質數(shù)量有關，具有可加性，又稱廣延量；（3）轉化強度量：由尺度量轉化而來，具有強度量性質，不具可加性。強度量只有在系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下才有確定值，尺度量則在任意的系統(tǒng)狀態(tài)下均具有確定值。常用狀態(tài)參數(shù)壓力（P）；溫度（T）；體積(V)；內能（U）；焓（H）；熵（S）；自由焓（G）其中，P,V,T等量可以通過儀器直接測量，稱為基本狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)的分類21（一）基本熱力狀態(tài)參數(shù)1．壓力單位面積所受到的垂直作用力稱為壓力。氣體壓力：大量的氣體分子頻繁碰撞容器壁面的統(tǒng)計結果。壓力的表示：（1）絕對壓力：以大氣為基準測得的真實壓力；（一）基本熱力狀態(tài)參數(shù)氣體壓力：大量的氣體分子頻繁碰撞容器壁22（2）相對壓力或表壓力：以大氣壓為基準測得的壓力；其中表示大氣壓力。（3）表壓力/真空度：（2）相對壓力或表壓力：以大氣壓為23壓力的單位（SI制）：1Pa=1N／m千帕(kPa)或兆帕(MPa)

(1)．巴(bar)1bar=10Pa=0.1MPa=100kPa(2)．毫米汞柱(mmHg)和毫米水柱(mmHO)

式中為液柱高度，為液柱密度。1mmHg=133.322Pa≈133.3Pa1mmH2O=9.80665Pa≈9.81Pa(3)．標準大氣壓(atm)1atm=760mmHg=1.01325×10Pa=1.013bar壓力的單位（SI制）：(1)．巴(bar)式中24(4)．工程大氣壓(at)：1at=1kgf/cm1at=1kgf/cm=10mH2O=9.80665×10Pa=0.980665bar=735.6mmHg(5).PSI（=磅力/英寸2＝bf/in2）(6).托（Torr）：1托＝1mmHg=133.322Pa壓力的測量——壓力計常用壓力計有：彈簧壓力計，U型管壓力表（液壓和微壓），比托管（高速氣壓）(4)．工程大氣壓(at)：1at=1kgf/cm壓力的測25

2．溫度溫度是描述熱平衡物體共有宏觀特性的物理量。溫度表示物體的冷熱程度。從分子運動論看，溫度的微觀本質就是物體內部分子和原子不規(guī)則熱運動的度量。氣體的溫度是氣體分子平均移動動能的標志。物體的溫度越高，其內部的熱運動就越劇烈。2．溫度26溫標：溫度的數(shù)值表示方法。常用溫標（1）熱力學溫標：用符號“T”表示，單位是[開爾文]，[K]。規(guī)定純水的汽、液、固三相平衡共存的狀態(tài)點——三相點為基準點，為273.15K；熱力學溫標為國際上使用的基本溫標。（2）攝氏溫標：t，單位為攝氏度，℃。規(guī)定水的冰點為0度，沸點為100度，在冰點和沸點之間劃100等份，每一等分為1攝氏度；（3）華氏溫標：規(guī)定，水在1atm條件下的冰點為32度，沸點為212度，在冰點和沸點之間劃180分度，每一分度為1華氏度；單位為F。三種溫標之間的關系為：溫標：溫度的數(shù)值表示方法。常用溫標273．比體積單位質量的工質所占的容積，用表示。于是，有比體積越大，密度越小，物質分子間的相互作用力就越小。3．比體積28

例（2）一個新的線性溫度標尺(牛頓度，用“N”表示)是這樣來定義的，即水的冰點和沸分別取為100N和200N。(1)導出用牛頓度表示的溫度和相應的開爾文溫標上讀出的溫度之間的關系式；(2)開爾文溫標上的絕對零度在新的標尺上為多少N？373K200NTkTN273K100N解：（1）例（2）一個新的線性溫度標尺(牛頓度，用“N29（2）當=0K時，有

0K=+173=－173N（2）當=0K時，有0K=+173301－3．平衡狀態(tài)、狀態(tài)公理及狀態(tài)方程1-3-1平衡狀態(tài)：定義：在沒有外界影響條件下，系統(tǒng)的各部分性質在長時間內不發(fā)生變化的狀態(tài)。特點：熱力系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，必須滿足(a)力平衡；(b)熱平衡。系統(tǒng)內部之間及系統(tǒng)與外界之間不存在溫差；(c)相平衡?；瘜W勢差消失；1－3．平衡狀態(tài)、狀態(tài)公理及狀態(tài)方程311-3-2狀態(tài)方程對于簡單可壓縮系統(tǒng)而言，可用2個獨立參數(shù)對系統(tǒng)狀態(tài)加以描述。即，只要已知兩個獨立參數(shù)，系統(tǒng)的其它狀態(tài)參數(shù)可通過它們確定。如，已知p和v，則可得對于基本狀態(tài)參數(shù)p,v,T，任選一對作自變量，則第三個參數(shù)可通過某種函數(shù)關系確定。寫成隱函數(shù)形式，有1-3-2狀態(tài)方程321-3-3．狀態(tài)參數(shù)坐標圖:常見的狀態(tài)參數(shù)坐標圖有圖、圖圖和圖12這種反映了熱力系統(tǒng)基本狀態(tài)參數(shù)之間關系的表達式，稱為狀態(tài)方程式1-3-3．狀態(tài)參數(shù)坐標圖:12這種反映了熱力系統(tǒng)基本狀331-4工質的狀態(tài)變化過程熱力過程：工質從某一個狀態(tài)連續(xù)變化到另一狀態(tài)的全部經歷，稱為熱力過程。根據(jù)平衡破壞的速度和平衡重建速度的不同，熱力過程可分為準靜態(tài)過程和非準靜態(tài)過程。

非靜態(tài)過程：平衡破壞快于平衡的重建。準靜態(tài)過程：平衡的重建要比平衡的破壞快得多。1-4工質的狀態(tài)變化過程熱力過程：工質從某一個狀態(tài)連續(xù)變341-4-1準靜過程當平衡重建的速度遠大于平衡破壞的速度，則熱力系所經歷的一系列中間狀態(tài)都無限接近于平衡狀態(tài)，則此熱力過程為準靜過程。過程特點(1)過程由一系列無限接近平衡的狀態(tài)組成(2)過程進行中，不存在內部不平衡損失準靜過程的實質，是系統(tǒng)與外界的不平衡勢差為無限小時所進行的極限過程。1-4-1準靜過程35第一章基本概念課件36因此，實現(xiàn)準靜過程的條件是：1、熱力系內外的壓差為無限小△或式中為熱力系內部的壓力；為外界環(huán)境的壓力。2、氣體工質和外界的溫差為無限小，即△或式中為熱力系內部的壓力；為外界環(huán)境的壓力。因此，實現(xiàn)準靜過程的條件是：37在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上，準靜過程有這么幾個特性

（1）有定點坐標，狀態(tài)參數(shù)值唯一確定；（2）過程可在熱力狀態(tài)坐標圖上用連續(xù)實線表示；（3）過程方向可用箭頭表示1BA2pv在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上，準靜過程有這么幾個特性1BA2pv381-4-2可逆過程定義：系統(tǒng)經歷一個過程后，如令過程逆行而能使系統(tǒng)與外界同時恢復到初始狀態(tài)而不留下任何痕跡。這種熱力過程稱為可逆過程。反之，不滿足上述條件的過程稱為不可逆過程?？赡孢^程不僅在工質內部是可逆的，而且與外部環(huán)境的作用過程也必須是可逆的。1-4-2可逆過程39實現(xiàn)可逆過程的條件：(1)工質與外界保持力的平衡(沒有任何耗散效應)；(2)傳熱時工質與外界保持熱的平衡(沒有溫差。熱力過程中不存在勢差，為準靜過程)。實現(xiàn)可逆過程的條件：40

準靜過程和可逆過程的區(qū)別與聯(lián)系：（1）共同點P16（2）準靜過程只著眼于工質內部的平衡，至于有無摩擦對于工質內部的平衡并無關系，準平衡過程進行時可能發(fā)生能量的損耗；可逆過程則是分析工質與外界的作用所產生的總效果，不僅要求工質內部是平衡的，而且要求工質與外界的作用可以無條件地逆復，過程進行時不存在任何能量的不可逆損耗。（3）準靜過程不一定是可逆過程，可逆過程一定是準靜過程；可逆過程是一個運動無摩擦、傳熱無溫差的內部平衡過程，是一種理想過程?，F(xiàn)實中的一切自發(fā)發(fā)生的過程和絕大多數(shù)熱力過程均為不可逆過程。準靜過程和可逆過程的區(qū)別與聯(lián)系：411－5

過程功和熱量1-5-1．功定義：物系間相互作用而傳遞的能量；在力學中，功的定義為力和力沿作用方向的位移的乘積?？梢?，功是一個與作用途徑有關的量，是過程量。功的單位為焦耳，用符號J表示。1J＝1N.m功屬于廣延性參數(shù)，與系統(tǒng)中的質量有關。1－5過程功和熱量1-5-1．功功的單位為焦耳，用42活塞運動中，力F完成的總功量為可逆過程的功上式中，Adx為活塞移動dx時所掃過的容積，記為dV于是，在熱力過程12中，工質所做的功為寫為活塞運動中，力F完成的總功量為可逆過程的功上式中，43工質在膨脹過程中質量不變，由于dV=mdv，則每公斤工質所作的功就是21pv工質在膨脹過程中質量不變，由于dV=mdv，則每公斤工質所作44這里，W為工質對活塞所作的總功；為單位質量工質的膨脹功，即比功，也稱為容積功；在p-v圖上，曲線12下方的面積12341表示了容積功。因此，壓容圖(p-v)也稱為示功圖。壓容圖(p-v)上的一個點代表一個狀態(tài);一條曲線代表一個過程;與V軸圍成的一塊面積代表了一個過程的膨脹功。這里，W為工質對活塞所作的總功；為單位質量工質的膨脹功，即45當氣體膨脹時，表示氣體對外作功；當氣體被壓縮時，表示外界對氣體作功。注意：僅是系統(tǒng)對外做功（w>0）的必要條件，但不是充要條件。系統(tǒng)要實現(xiàn)對外做功，還必須同時有傳遞功的機構。2.氣體向真空膨脹例題當氣體膨脹時，表示氣體對外作功；當氣體被壓縮時，表示外界對氣461-5-2熱量定義：系統(tǒng)與外界依靠溫差傳遞的能量稱為熱量。熱量即是在傳熱過程中，物體內部熱能改變的度量。熱量是與過程有關的量，不是狀態(tài)參數(shù)。國際單位制中，熱量的單位為焦耳(J)或千焦(kJ)；工程單位制中經常用卡(cal)或千卡(kcal)。1cal=4.1868J；1kcal=4.1868kJ1-5-2熱量定義：系統(tǒng)與外界依靠溫差傳遞的能量稱為47單位質量物體加入或放出的熱量稱為比熱量，用符號表示，單位為(J/kg)和(kJ/kg)或(cal/kg)和(kcal/kg)。

熱力學中規(guī)定：熱力系從外界吸熱時熱量為正值，+Q對外界放熱時為負值。-Q熱量的計算（1）利用比熱容計算。c為比熱，其定義為：使單位物量的物體溫度變化1度所需的熱量。單位質量物體加入或放出的熱量稱為比熱量，用符號48（2）根據(jù)熱力學定義計算。和對于可逆過程，在T-S圖上，q=面積1234121ST34因此，T-S圖又稱為示熱圖。顯然若系統(tǒng)吸熱，若系統(tǒng)放熱，熱量與功量的區(qū)別與聯(lián)系（1）兩者都是能量傳遞的度量，都是過程量；（2）功是有規(guī)則的宏觀運動能量的傳遞，做功過程往往伴隨著能量形態(tài)的轉化；但傳熱過程中則不伴隨著能量形態(tài)的轉化。（2）根據(jù)熱力學定義計算。和21ST491-6熱力循環(huán)定義：工質從某一狀態(tài)經過一連串的狀態(tài)變化過程，又回復到原來狀態(tài)。即為封閉的熱力過程。熱力循環(huán)可在p-v圖上用一封閉的曲線表示。工質在經歷了一個循環(huán)后狀態(tài)的變化量為零。1-6熱力循環(huán)定義：工質從某一狀態(tài)經過一連串的狀態(tài)501234pv

循環(huán)分類：根據(jù)過程是否可逆，可分為可逆循環(huán)和不可逆循環(huán)；可逆循環(huán)：熱力循環(huán)全部由可逆過程組成；不可逆循環(huán)：熱力循環(huán)全部或部分由不可逆過程組成。

根據(jù)過程進行的方向，又可分為正循環(huán)和逆循環(huán)。(1)正循環(huán)。循環(huán)方向為順時針，又稱為熱機循環(huán)。(2)逆循環(huán)。循環(huán)方向逆時針，又稱為制冷機（或熱泵）循環(huán)；1234pv循環(huán)分類：根據(jù)過程是否可逆，可分為可逆51高溫熱源低溫熱源低溫熱源高溫熱源Q1Q2Q1Q2WW制冷機熱機熱力循環(huán)中所關心的是循環(huán)作功量或耗功量高溫熱源低溫熱源低溫熱源高溫熱源Q152經濟性指標用工作系數(shù)表示：1、熱機循環(huán)經濟性指標用熱效率表示：工作系數(shù)=得到的收益花費的代價式中，是循環(huán)對外界作出的功量，是從高溫熱源吸收的熱量。經濟性指標用工作系數(shù)表示：1、熱機循環(huán)經濟性指標用熱效率表示532．制冷循環(huán)的經濟性用制冷系數(shù)來衡量，

式中，是該循環(huán)從低溫熱源(冷庫)取出的熱量，為所耗費的功。3．熱泵循環(huán)的經濟性用供熱系數(shù)來衡量，

式中，為熱泵循環(huán)給高溫熱源(供暖的房間)提供的熱量，為所耗的功量。2．制冷循環(huán)的經濟性用制冷系數(shù)來衡量，54。習題(P18)：思考題4,5習題6。習題(P18)：思考題4,5習題655工程熱力學機電工程學院工程熱力學56學習本課程目的（1）掌握熱力學基本原理及其應用；（2）掌握能量守恒與轉換的基礎知識、基本理論和一般計算方法，為后繼專業(yè)課程學習提供理論準備；教材和參考數(shù)目1.畢明樹主編；《工程熱力學》（第二版）；化學工業(yè)出版社，200８年。2.沈維道，等；《工程熱力學》（第三版）；高等教育出版社；20013．邱信立，等；《工程熱力學》（第四版）；中國建筑工業(yè)出版社；1992．4.朱明善，等；《工程熱力學》；清華大學出版社；20015．曾丹苓，等，《工程熱力學》（第三版）；高等教育出版社；2002學習本課程目的教材和參考數(shù)目570.緒論能源的主要形式有：

太陽能、風能、水力能、地熱能、生物能、

電磁能、機械能、電能、化學能和核能等能量利用實質：能量的傳遞和轉換；利用熱能有兩種方式：一種是直接利用：烘干、蒸煮、采暖等；一種是間接利用：轉化為動力利用；0.緒論58利用最多的能源：化學能傳統(tǒng)熱力裝置中，能量的轉化過程為化學能熱能機械能電能

其能量的轉化效率很低，一般不超過40％，目前世界上最先進采用超超臨界發(fā)電技術，總能源轉化效率可達43.2%新的能量轉換過程：化學能電能（燃料電池）

太陽能電能（光伏發(fā)電）

熱能電能（磁流體）

利用最多的能源：化學能傳統(tǒng)熱力裝置中，能量的轉化過程為化學59

0-2熱力學發(fā)展簡史

什么是熱力學1763年，瓦特（英國人）發(fā)明蒸氣機，引發(fā)第一次工業(yè)革命；1824，卡諾（法國人）提出卡諾定理，指出了熱機（熱變功）的最高效率問題；1842，邁耶和焦耳（1850）分別從理論和實驗兩方面提出了熱力學第一定律——能量守恒定律；1851，開爾文（英）和克勞修斯（德）分別提出了熱力學第二定律；1906，能斯特提出了熱力學第三定律，指出絕對零度不可達到；1942，凱南提出了有效能概念，指出能量有品質

0-2熱力學發(fā)展簡史

什么是熱力學1763年，瓦特（英60以合成氨為例(1)研究對象——能量轉換及利用的規(guī)律，特別是熱能轉換為機械能的規(guī)律和方法；——實現(xiàn)能量轉換和利用的設備（動力裝置和制冷裝置）及其工作過程（熱力過程）——實現(xiàn)能量傳遞和轉換的物質（工質）0-3工程熱力學研究對象、研究內容和研究方法以合成氨為例0-3工程熱力學研究對象、研究內容和研究方法61（2）研究方法１．一種是宏觀的研究方法，包括熱力學第一定律和熱力學第二定律；２．一種是微觀的研究方法，包括從量子力學出發(fā)的量子熱力學和從概率統(tǒng)計學出發(fā)的統(tǒng)計熱力學。（2）研究方法62（3）主要研究內容

1.基本概念與基本定律。特別是熱力學第一定律和第二定律；2.熱力過程。包括基本熱力過程、工質流動、氣體壓縮和各種熱機的工作過程等；3.熱力循環(huán)。包括蒸汽動力循環(huán)和氣體動力循環(huán)、制冷循環(huán)等；4.工質及其熱物性。包括理想氣體、實際氣體（空氣、水蒸氣、燃氣）、和各類制冷劑；

（3）主要研究內容630-4量綱與單位

物理量的量綱是用來表示物理量的名稱。1、長度是距離的量綱；2、質量是物質所具有量的量綱；3、氣體的溫度是氣體的一種熱力學量綱?！玖烤V和導出量綱

基本量綱：有獨立度量單位的量為基本量綱長度[L]、質量[M]、時間[τ]和溫度[T]導出量綱：由基本量綱導出的量綱0-4量綱與單位64速度的量綱：速度的定義式為速度的量綱為加速度的量綱：加速度的定義式加速度的量綱為量綱可看出物理量的特征和性質，以及各物理量之間的關系。單位是人為規(guī)定的物理量的度量標準。速度的量綱：速度的量綱為加速度的量綱：加速度的量綱為65SI單位制采用七個物理量作為基本量：長度、時間、質量、溫度、電流強度、物質的量和發(fā)光強度。其相應的基本單位分別為m（米）、s（秒）、kg（千克）、K（開）、A（安）、mol（摩爾）、cd（坎）。SI單位制采用七個物理量作為基本量：長度、時66第一章基本概念1-1工質和熱力系統(tǒng)1-1-1工質定義：實現(xiàn)熱能和機械能互相轉化的媒介物質，稱為工質（傳遞能量的載能物質）；特點要求：（1）流動性；（2）膨脹性。最適宜作工質的物質是氣體；第一章基本概念1-1工質和熱力系統(tǒng)67分析能量轉換裝置的工作過程。以內燃機為例。內燃機的工作過程主要分成四個行程。

排氣閥進氣閥噴油嘴氣缸活塞分析能量轉換裝置的工作過程。以內燃機為例。內燃機的工作過程主68其工作過程存在有以下幾個特點：1．要實現(xiàn)熱能轉變?yōu)闄C械能，必須借助燃氣作為媒介。工程上將實現(xiàn)能量轉換的媒介物稱之為工質。2．能量的轉變是通過工質狀態(tài)的連續(xù)變化來實現(xiàn)的。工質一般都是氣體，體積可顯著的變化。3．供給熱能一部分轉變?yōu)闄C械能，其余的部分排給了低溫熱源。其工作過程存在有以下幾個特點：69定義：確定研究對象，把研究對象單獨取出的部分稱為熱力系統(tǒng)。與熱力系統(tǒng)有關的周圍物體稱為外界。熱力系統(tǒng)與外界的分界面稱為邊界。注意：邊界可以是真實的，也可以是虛擬的；可以是運動的，也可以是靜止的；1-1-2熱力系統(tǒng)定義：確定研究對象，把研究對象單獨取出的部分稱為熱力系統(tǒng)。與70（一）熱力系統(tǒng)分類根據(jù)系統(tǒng)與外界的物質交換情況分（1）閉口系統(tǒng)（或稱閉系，無物質交換）QW閉口系統(tǒng)又稱控制質量系統(tǒng)（一）熱力系統(tǒng)分類根據(jù)系統(tǒng)與外界的物質交換情況分QW閉口系統(tǒng)71（2）開口系統(tǒng)（或稱開系，有物質交換）QW工質流入工質流出開口系統(tǒng)又稱控制體積系統(tǒng)。（2）開口系統(tǒng)（或稱開系，有物質交換）QW工質流入工質流出開72根據(jù)系統(tǒng)與外界的能量交換情況分(1)絕熱系統(tǒng)：熱力系與外界無熱量交換的系統(tǒng)。(2)孤立系統(tǒng)：熱力系與外界既無能量交換又無質量交換的系統(tǒng)。(3)簡單熱力系：系統(tǒng)與外界只交換熱量和一種形式的準靜功。根據(jù)熱力系內部狀況劃分（1）單元系：只包含一種化學成分的物質；（2）多元系：包含兩種以上的物質；（3）均勻系：系統(tǒng)內各部分具有相同的性質；（4）非均勻系：根據(jù)系統(tǒng)與外界的能量交換情況分(1)絕熱系統(tǒng)：熱力系與731－2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)定義：熱力系統(tǒng)變化過程中，工質在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。狀態(tài)參數(shù)定義：描述工質所處狀態(tài)的宏觀物理量，僅取決于系統(tǒng)某一瞬間的性質，是熱力系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)，以工質以往經歷的過程無關。1－2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)74狀態(tài)參數(shù)的性質：是狀態(tài)的單值函數(shù)，對應于一定狀態(tài)，狀態(tài)參數(shù)有唯一確定的數(shù)值；與產生狀態(tài)的過程經歷無關，數(shù)學上可表示為

與經歷途徑無關

經歷一個循環(huán)后，狀態(tài)參數(shù)變化值為0狀態(tài)參數(shù)的性質：75狀態(tài)參數(shù)的分類（1）強度量：與所含的物質數(shù)量無關，不具可加性；（2）尺度量：與所含的物質數(shù)量有關，具有可加性，又稱廣延量；（3）轉化強度量：由尺度量轉化而來，具有強度量性質，不具可加性。強度量只有在系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下才有確定值，尺度量則在任意的系統(tǒng)狀態(tài)下均具有確定值。常用狀態(tài)參數(shù)壓力（P）；溫度（T）；體積(V)；內能（U）；焓（H）；熵（S）；自由焓（G）其中，P,V,T等量可以通過儀器直接測量，稱為基本狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)的分類76（一）基本熱力狀態(tài)參數(shù)1．壓力單位面積所受到的垂直作用力稱為壓力。氣體壓力：大量的氣體分子頻繁碰撞容器壁面的統(tǒng)計結果。壓力的表示：（1）絕對壓力：以大氣為基準測得的真實壓力；（一）基本熱力狀態(tài)參數(shù)氣體壓力：大量的氣體分子頻繁碰撞容器壁77（2）相對壓力或表壓力：以大氣壓為基準測得的壓力；其中表示大氣壓力。（3）表壓力/真空度：（2）相對壓力或表壓力：以大氣壓為78壓力的單位（SI制）：1Pa=1N／m千帕(kPa)或兆帕(MPa)

(1)．巴(bar)1bar=10Pa=0.1MPa=100kPa(2)．毫米汞柱(mmHg)和毫米水柱(mmHO)

式中為液柱高度，為液柱密度。1mmHg=133.322Pa≈133.3Pa1mmH2O=9.80665Pa≈9.81Pa(3)．標準大氣壓(atm)1atm=760mmHg=1.01325×10Pa=1.013bar壓力的單位（SI制）：(1)．巴(bar)式中79(4)．工程大氣壓(at)：1at=1kgf/cm1at=1kgf/cm=10mH2O=9.80665×10Pa=0.980665bar=735.6mmHg(5).PSI（=磅力/英寸2＝bf/in2）(6).托（Torr）：1托＝1mmHg=133.322Pa壓力的測量——壓力計常用壓力計有：彈簧壓力計，U型管壓力表（液壓和微壓），比托管（高速氣壓）(4)．工程大氣壓(at)：1at=1kgf/cm壓力的測80

2．溫度溫度是描述熱平衡物體共有宏觀特性的物理量。溫度表示物體的冷熱程度。從分子運動論看，溫度的微觀本質就是物體內部分子和原子不規(guī)則熱運動的度量。氣體的溫度是氣體分子平均移動動能的標志。物體的溫度越高，其內部的熱運動就越劇烈。2．溫度81溫標：溫度的數(shù)值表示方法。常用溫標（1）熱力學溫標：用符號“T”表示，單位是[開爾文]，[K]。規(guī)定純水的汽、液、固三相平衡共存的狀態(tài)點——三相點為基準點，為273.15K；熱力學溫標為國際上使用的基本溫標。（2）攝氏溫標：t，單位為攝氏度，℃。規(guī)定水的冰點為0度，沸點為100度，在冰點和沸點之間劃100等份，每一等分為1攝氏度；（3）華氏溫標：規(guī)定，水在1atm條件下的冰點為32度，沸點為212度，在冰點和沸點之間劃180分度，每一分度為1華氏度；單位為F。三種溫標之間的關系為：溫標：溫度的數(shù)值表示方法。常用溫標823．比體積單位質量的工質所占的容積，用表示。于是，有比體積越大，密度越小，物質分子間的相互作用力就越小。3．比體積83

例（2）一個新的線性溫度標尺(牛頓度，用“N”表示)是這樣來定義的，即水的冰點和沸分別取為100N和200N。(1)導出用牛頓度表示的溫度和相應的開爾文溫標上讀出的溫度之間的關系式；(2)開爾文溫標上的絕對零度在新的標尺上為多少N？373K200NTkTN273K100N解：（1）例（2）一個新的線性溫度標尺(牛頓度，用“N84（2）當=0K時，有

0K=+173=－173N（2）當=0K時，有0K=+173851－3．平衡狀態(tài)、狀態(tài)公理及狀態(tài)方程1-3-1平衡狀態(tài)：定義：在沒有外界影響條件下，系統(tǒng)的各部分性質在長時間內不發(fā)生變化的狀態(tài)。特點：熱力系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，必須滿足(a)力平衡；(b)熱平衡。系統(tǒng)內部之間及系統(tǒng)與外界之間不存在溫差；(c)相平衡。化學勢差消失；1－3．平衡狀態(tài)、狀態(tài)公理及狀態(tài)方程861-3-2狀態(tài)方程對于簡單可壓縮系統(tǒng)而言，可用2個獨立參數(shù)對系統(tǒng)狀態(tài)加以描述。即，只要已知兩個獨立參數(shù)，系統(tǒng)的其它狀態(tài)參數(shù)可通過它們確定。如，已知p和v，則可得對于基本狀態(tài)參數(shù)p,v,T，任選一對作自變量，則第三個參數(shù)可通過某種函數(shù)關系確定。寫成隱函數(shù)形式，有1-3-2狀態(tài)方程871-3-3．狀態(tài)參數(shù)坐標圖:常見的狀態(tài)參數(shù)坐標圖有圖、圖圖和圖12這種反映了熱力系統(tǒng)基本狀態(tài)參數(shù)之間關系的表達式，稱為狀態(tài)方程式1-3-3．狀態(tài)參數(shù)坐標圖:12這種反映了熱力系統(tǒng)基本狀881-4工質的狀態(tài)變化過程熱力過程：工質從某一個狀態(tài)連續(xù)變化到另一狀態(tài)的全部經歷，稱為熱力過程。根據(jù)平衡破壞的速度和平衡重建速度的不同，熱力過程可分為準靜態(tài)過程和非準靜態(tài)過程。

非靜態(tài)過程：平衡破壞快于平衡的重建。準靜態(tài)過程：平衡的重建要比平衡的破壞快得多。1-4工質的狀態(tài)變化過程熱力過程：工質從某一個狀態(tài)連續(xù)變891-4-1準靜過程當平衡重建的速度遠大于平衡破壞的速度，則熱力系所經歷的一系列中間狀態(tài)都無限接近于平衡狀態(tài)，則此熱力過程為準靜過程。過程特點(1)過程由一系列無限接近平衡的狀態(tài)組成(2)過程進行中，不存在內部不平衡損失準靜過程的實質，是系統(tǒng)與外界的不平衡勢差為無限小時所進行的極限過程。1-4-1準靜過程90第一章基本概念課件91因此，實現(xiàn)準靜過程的條件是：1、熱力系內外的壓差為無限小△或式中為熱力系內部的壓力；為外界環(huán)境的壓力。2、氣體工質和外界的溫差為無限小，即△或式中為熱力系內部的壓力；為外界環(huán)境的壓力。因此，實現(xiàn)準靜過程的條件是：92在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上，準靜過程有這么幾個特性

（1）有定點坐標，狀態(tài)參數(shù)值唯一確定；（2）過程可在熱力狀態(tài)坐標圖上用連續(xù)實線表示；（3）過程方向可用箭頭表示1BA2pv在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上，準靜過程有這么幾個特性1BA2pv931-4-2可逆過程定義：系統(tǒng)經歷一個過程后，如令過程逆行而能使系統(tǒng)與外界同時恢復到初始狀態(tài)而不留下任何痕跡。這種熱力過程稱為可逆過程。反之，不滿足上述條件的過程稱為不可逆過程?？赡孢^程不僅在工質內部是可逆的，而且與外部環(huán)境的作用過程也必須是可逆的。1-4-2可逆過程94實現(xiàn)可逆過程的條件：(1)工質與外界保持力的平衡(沒有任何耗散效應)；(2)傳熱時工質與外界保持熱的平衡(沒有溫差。熱力過程中不存在勢差，為準靜過程)。實現(xiàn)可逆過程的條件：95

準靜過程和可逆過程的區(qū)別與聯(lián)系：（1）共同點P16（2）準靜過程只著眼于工質內部的平衡，至于有無摩擦對于工質內部的平衡并無關系，準平衡過程進行時可能發(fā)生能量的損耗；可逆過程則是分析工質與外界的作用所產生的總效果，不僅要求工質內部是平衡的，而且要求工質與外界的作用可以無條件地逆復，過程進行時不存在任何能量的不可逆損耗。（3）準靜過程不一定是可逆過程，可逆過程一定是準靜過程；可逆過程是一個運動無摩擦、傳熱無溫差的內部平衡過程，是一種理想過程?，F(xiàn)實中的一切自發(fā)發(fā)生的過程和絕大多數(shù)熱力過程均為不可逆過程。準靜過程和可逆過程的區(qū)別與聯(lián)系：961－5

過程功和熱量1-5-1．功定義：物系間相互作用而傳遞的能量；在力學中，功的定義為力和力沿作用方向的位移的乘積?？梢?，功是一個與作用途徑有關的量，是過程量。功的單位為焦耳，用符號J表示。1J＝1N.m功屬于廣延性參數(shù)，與系統(tǒng)中的質量有關。1－5過程功和熱量1-5-1．功功的單位為焦耳，用97活塞運動中，力F完成的總功量為可逆過程的功上式中，Adx為活塞移動dx時所掃過的容積，記為dV于是，在熱力過程12中，工質所做的功為寫為活塞運動中，力F完成的總功量為可逆過程的功上式中，98工質在膨脹過程中質量不變，由于dV=mdv，則每公斤工質所作的功就是21pv工質在膨脹過程中質量不變，由于dV=mdv，則每公斤工質所作99這里，W為工質對活塞所作的總功；為單位質量工質的膨脹功，即比功，也稱為容積功；在p-v圖上，曲線12下方的面積12341表示了容積功。因此，壓容圖(p-v)也稱為示功圖。壓容圖(p-v)上的一個點代表一個狀態(tài);一條曲線代表一個過程;與V軸圍成的一塊面積代表了一個過程的膨脹功。這里