第1章工程熱力學

1第一章基本概念BasicConceptsandDefinition1-1熱能和機械能相互轉換過程1-2熱力系統(tǒng)1-3工質的熱力學狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)1-4平衡狀態(tài)1-5工質的狀態(tài)變化過程1-6功和熱量1-7熱力循環(huán)2一、熱能動力裝置(Thermalpowerplant)定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力的整套設備。熱動力機（熱機）：

熱能機械能分類共同本質：由媒介物通過吸熱—膨脹作功—排熱

氣體動力裝置(combustiongaspowerplant)

內燃機(internalcombustiongasengine)

燃氣輪機裝置(gasturbinepowerplant)

噴氣發(fā)動機(jetpowerplant)……

蒸氣動力裝置

(steampowerplant)

蒸汽輪機、鍋爐1-1熱能和機械能相互轉換的過程3二、工質(workingsubstance;workingmedium)定義：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉化的媒介物質。對工質的要求:物質三態(tài)中氣態(tài)最適宜。

1）膨脹性

2）流動性

3）熱容量

4）穩(wěn)定性，安全性

5）對環(huán)境友善

6）價廉，易大量獲取4三、熱源(heatsource;heatreservoir)

定義：工質從中吸取或向之排出熱能的物質系統(tǒng)。?高溫熱源—熱源

（

heatsource）低溫熱源—冷源（heatsink）?恒溫熱源(constantheatreservoir)

變溫熱源51-2熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)、體系）外界和邊界?系統(tǒng)(thermodynamicsystem,system)

人為分割出來，作為熱力學研究對象的有限物質系統(tǒng)。?

外界(surrounding)：與體系發(fā)生質、能交換的物系。?邊界(boundary)：系統(tǒng)與外界的分界面（線）。一、定義6二、系統(tǒng)及邊界示例?汽車發(fā)動機7?汽缸-活塞裝置（閉口系例）8?移動和虛構邊界91）系統(tǒng)與外界的人為性

2）外界與環(huán)境介質

3）邊界可以是：

a）剛性的或可變形的或有彈性的

b）固定的或可移動的

c）實際的或虛擬的注意：10三、熱力系分類

按組元數(shù)

單元系(onecomponentsystem;puresubstancesystem)

多元系(multicomponentsystem)按相數(shù)單相系(homogeneoussystem)

復相系(heterogeneoussystem)注意：1）不計恒外力場影響；

2）復相系未必不均勻—濕蒸汽；單元系未必均勻—氣液平衡分離狀態(tài)。

1.按組元和相11

閉口系（closedsystem）

（控制質量CM）

—沒有質量越過邊界

開口系（opensystem）

（控制體積CV）

—通過邊界與外界有質量交換2.按系統(tǒng)與外界質量交換12

1）閉口系與系統(tǒng)內質量不變的區(qū)別；p30思考題1-1

2）開口系與絕熱系的關系；p30思考題1-2

3）孤立系與絕熱系的關系。注意：4.簡單可壓縮系（simplecompressiblesystem）

—由可壓縮物質組成，無化學反應、與外界有交換容積變化功的有限物質系統(tǒng)。絕熱系（adiabaticsystem）—

與外界無熱量交換;

孤立系（isolatedsystem）—

與外界無任何形式的質能交換。3.按能量交換13四、熱力系示例

剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側設有電熱絲

取A側工質（紅線內）—閉口絕熱系取B側工質——黃線內不包含電熱絲）—閉口系——黃線內包含電熱絲—閉口絕熱系A+B+電源及加熱絲（蘭線內）—孤立系141-3工質的熱力學狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)

熱力學狀態(tài)（stateofthermodynamicsystem）

—系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合

狀態(tài)參數(shù)（stateproperties）

—描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量

1．狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的統(tǒng)計平均效應，只有平衡態(tài)才有狀態(tài)參數(shù)？，系統(tǒng)有多個狀態(tài)參數(shù)，如一、熱力學狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)二、狀態(tài)參數(shù)的特性和分類152．狀態(tài)的單值函數(shù)物理上—與過程無關；數(shù)學上—其微量是全微分。狀態(tài)參數(shù)的微分特征設z=z(x,y)dz是全微分充要條件：可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)163．狀態(tài)參數(shù)分類

(1)廣延量（extensiveproperty）:

與系統(tǒng)的量有關，有可加性；如體積、熱力學能等；

(2)強度量（intensiveproperty

）：與系統(tǒng)的量無關，無可加性，如溫度、壓力等。

又：廣延量的比性質具有強度量特性，如比體積工程熱力學約定用小寫字母表示單位質量參數(shù)。17三、基本狀態(tài)參數(shù)

工程熱力學中常用的狀態(tài)參數(shù)有壓力、溫度、體積、比熱力學能、比焓、比熵等，其中可以直接測量的狀態(tài)參數(shù)有壓力、溫度、體積，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。

18（一）溫度和溫標（temperatureandtemperaturescale）

溫度是反映物體冷熱程度的物理量。溫度的高低反映物體內部微觀粒子熱運動的強弱。

當兩個溫度不同的物體相互接觸時，它們之間將發(fā)生熱量傳遞，如果沒有其它物體影響，這兩個物體的溫度將逐漸趨于一致，最終將達到熱平衡（即溫度相等）。所以溫度是熱平衡的判據(jù)。（1）溫度的物理意義溫度相等

熱平衡

19（2）熱力學第零定律：

(zerothlawofthermodynamics)

如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于熱平衡，則這兩個物體彼此也必處于熱平衡。熱力學第零定律是溫度測量的理論依據(jù)。ABC溫度：可以確定一個系統(tǒng)是否與其他系統(tǒng)處于熱平衡的物理量。是一個強度量。20（3）溫標：溫度的數(shù)值表示法。

建立溫標的三個要素：a.選擇溫度的固定點，規(guī)定其數(shù)值；b.確定溫度標尺的分度方法和單位；c.選擇某隨溫度變化的物性作為溫度測量的依據(jù)。21攝氏溫標:

在標準大氣壓下，純水的冰點溫度為0℃

，純水的沸點溫度為100℃，純水的三相點（固、液、汽三相平衡共存的狀態(tài)點）溫度為0.01℃。

瑞典天文學家攝爾修斯（Celsius）于1742年建立。用攝氏溫標確定的溫度稱為攝氏溫度，用符號t表示，單位為℃。

選擇水銀的體積作為溫度測量的物性，認為其隨溫度線性變化，并將0℃

和100℃溫度下的體積差均分100份，每份對應1℃。

22華氏溫標：

1714年，德國物理學家華倫海特將水銀密封在管子中，利用水銀隨溫度的漲縮做為指示器，并在管子上設一個等級刻度表，使溫度可以定量地讀出。用符號

他把在實驗室所得到的最低溫度設為零，這是由鹽和水的混合液測量得到的，而后他將純水的冰點設為32度，沸點設為212度。23

用熱力學溫標確定的溫度稱為熱力學溫度，用符號T表示，單位為K（開）。

熱力學溫標（絕對溫標）:

英國物理學家開爾文（Kelvin)在熱力學第二定律基礎上建立，也稱開爾文溫標。

熱力學溫標取水的三相點為基準點，并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當于水的三相點溫度的1/273.16。

熱力學溫標與攝氏溫標的關系：溫差:1K=1℃t=T

–273.15K24

極寒－40℃或低于此值奇寒－35～－39.9℃

酷寒－30～－34.9℃

嚴寒－20～－29.9℃

深寒－15～－19.9℃

大寒－10～－14.9℃

小寒－5～－9.9℃

輕寒－4.9～0℃

微寒0～4.9℃

涼5～9.9℃

溫涼10～11.9℃

微溫涼12～13.9℃

溫和14～15.9℃

微溫和16～17.9℃

溫暖18～19.9℃

暖20～21.9℃

熱22～24.9℃

炎熱25～27.9℃

暑熱28～29.9℃

酷熱30～34.9℃

奇熱35～39℃

極熱高于40℃科學家給地球上的氣溫劃分了等級25華氏溫標和朗肯溫標華氏溫標和攝氏溫標附：{T}°R={t}℉

+459.67{t}℃=5/9[{t}℉-32]{t}℉

=9/5{t}℃

+3226定義：單位面積上所受到的垂直作用力（即壓強）

（二）壓力(pressure)單位

:Pa（帕），1Pa=1N/m2，1MPa=103kPa=106Pa常用壓力單位：

1bar（巴）=105Pa

1atm（標準大氣壓）

=1.013105Pa

1at（工程大氣壓）

=0.981105Pa

1mmH2O（毫米水柱）

=9.81Pa1mmHg（毫米汞柱）

=133.3Pa

微觀解釋及影響因素？27壓力的測量值表壓力pe（pg）(gaugepressure;manometerpressure)真空度pv(vacuum;vacuumpressure)絕對壓力p(absolutepressure)當?shù)卮髿鈮簆b(localatmosphericpressure)環(huán)境大氣壓與當?shù)卮髿鈮篜30思考題1-4P33習題1-92829（三）、比體積和密度比體積(specificvolume)（微觀解釋？）單位質量工質的體積密度(density)單位體積工質的質量兩者關系:301-4平衡狀態(tài)一、平衡狀態(tài)（thermodynamicequilibriumstate）溫差

—

熱不平衡勢

壓差

—

力不平衡勢

化學反應

—

化學不平衡勢

大量（粒子）微粒自身的本領——粒子間相互碰撞平衡的本質：不存在不平衡勢差1、定義：

在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)始終保持不變，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

在不受外界影響的情況下，系統(tǒng)整體處于什么樣的狀態(tài)呢？31平衡與穩(wěn)定穩(wěn)定：參數(shù)不隨時間變化穩(wěn)定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態(tài)變化穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定32平衡與均勻平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的33為什么只研究系統(tǒng)的平衡狀態(tài)？只有系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，才能作為一個整體，來分析討論通過邊界與外界發(fā)生能量的傳遞和交換，此時該系統(tǒng)具有唯一的確切的參數(shù)（壓力、溫度）描述。34二、狀態(tài)方程、坐標圖平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài)狀態(tài)公理：獨立狀態(tài)參數(shù)個數(shù)N=n+1想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？35狀態(tài)公理（statepostulate）N—系統(tǒng)獨立的狀態(tài)參數(shù)數(shù)；n—系統(tǒng)與外界交換的廣義功個數(shù)。簡單可壓縮系與外界僅有容積變化功一種形式

N=n+1

N=1+1=236狀態(tài)方程簡單可壓縮系統(tǒng)：N

=n

+1=2狀態(tài)方程

基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關系狀態(tài)方程的具體形式取決于工質的性質如：理想氣體狀態(tài)方程為：37狀態(tài)參數(shù)坐標圖（parametriccoordinates）

簡單可壓縮系只有兩個獨立參數(shù)，所以可用平面坐標上一點確定其狀態(tài)，反之任一狀態(tài)可在平面坐標上找到對應點，如：pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標圖上說明：2）過程線中任意一點為平衡態(tài)3）不平衡態(tài)無法在圖上用實線表示常見p-v圖和T-s圖2138一、準平衡（靜態(tài)）過程(quasi-staticprocess;quasi-equilibriumprocess)1-5工質的狀態(tài)變化過程平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉換非平衡狀態(tài)無法簡單描述只有經(jīng)歷狀態(tài)變化過程，才會發(fā)生能量的傳遞與交換39一般熱力過程p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最終p2

=

p0T2

=

T0pv12..40準平衡過程p1

=

p0+重物p，Tp0T1=

T0假如重物有無限多層每次只去掉無限薄一層pv12...系統(tǒng)隨時接近于平衡態(tài)41準平衡過程與一般熱力過程的不同之處中間變化狀態(tài)是否可以假設為一系列平衡狀態(tài)點疑問：理論上準平衡應無限緩慢，工程上怎樣處理？42準平衡過程的工程條件：破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復平衡所需時間（馳豫時間）>>有足夠時間恢復新平衡

準平衡過程無限小43有摩擦力時無摩擦時在準平衡過程的基礎上，進一步討論：pFfpb44二、可逆過程(reversibleprocess)

系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。(1)可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過程。(2)可逆過程是一個理想過程。實際過程都是不可逆過程，如傳熱、混合、擴散、滲透、溶解、燃燒、電加熱等。注意：45可逆過程的實現(xiàn)準平衡過程+無耗散效應=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢差

不可逆根源

耗散效應

耗散效應46自由膨脹不作功，典型的不可逆過程。

P31思考題：1—11、12容器為剛性絕熱，抽去隔板，重又平衡，過程性質。逐個抽去隔板，又如何？

準平衡過程著眼于系統(tǒng)內部平衡，可逆過程著眼于系統(tǒng)內部以及與之相互作用的外界的總效果。47引入可逆過程的意義(1)準平衡過程是實際過程的理想化過程,但并非最優(yōu)過程，可逆過程是最優(yōu)過程。

(2)實際過程都是不可逆過程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過程）處理，然后考慮不可逆因素加以修正。同時還能對該過程加以改進，減少能量的耗散。48一、功(work)的定義和可逆過程的功

1．功的力學定義:力×在力的方向上的位移

2．功的熱力學定義：通過邊界傳遞的能量其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。3．可逆過程功的計算▲功是過程量▲功可以用p-V圖上過程線與v軸包圍的面積表示1-6功和熱量

49

系統(tǒng)對外作功為“+”

外界對系統(tǒng)作功為“-”5．功和功率的單位：附：4．功的符號約定：單位質量工質所作的功，用w表示，單位：J/kg506．討論有用功(usefulwork)概念其中:

W—膨脹功(compression/expansionwork)；

Wl—摩擦耗功；

Wp＿排斥大氣功。pbf51用外部參數(shù)計算不可逆過程的功?52二、廣義功(generalizedwork)簡介彈性力功表面張力功

電極化功及磁化功等53三、熱量（heat）1．定義：僅僅由于溫差而通過邊界傳遞的能量。2．符號約定：系統(tǒng)吸熱“+”；放熱“-”3．單位：

4．計算式及狀態(tài)參數(shù)圖熱量是過程量（T-S圖上）表示54熵的初步了解：過程量可逆過程公式過程推動力過程標志W(wǎng)pdVQTdSP，T為強度量，V廣延量熵S為廣延量，單位：J/K比熵s，單位：J/(kg·K）熵的定義式：55四、熱量與功的異同：

1.均為通過邊界傳遞的能量；

3.功傳遞由壓力差推動，體積變化是作功標志；熱量傳遞由溫差推動，熵變化是傳熱的標志；

4.功是物系間通過宏觀運動發(fā)生相互作用傳遞的能量；熱能機械能熱是物系間通過紊亂的微粒運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。熱能熱能功2.均為過程量；熱是無條件的；熱功是有條件、限度的。561-7熱力循環(huán)要實現(xiàn)連續(xù)作功，必須構成循環(huán)定義：

熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過程稱為熱力循環(huán)。不可逆循環(huán)分類：可逆過程不可逆循環(huán)可逆循環(huán)封閉的熱力過程，特性：一切狀態(tài)參數(shù)恢復原值，即57正向循環(huán)（動力循環(huán)）（directcycle;powercycle）輸出凈功；在p－v圖及T－s圖上順時針進行；膨脹線在壓縮線上方；吸熱線在放熱線上方。58逆向循環(huán)(reversecycle)

▲制冷循環(huán)(refrigerationcycle)

▲熱泵循環(huán)(heat-pumpcycle)

一般地講：輸入凈功；