工程熱力學第一篇

工程熱力學第一篇第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六第一章基本概念1-1熱力系統(tǒng)1-2平衡狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)

1-3狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標圖

1-4準平衡過程與可逆過程1-5功量和熱量1-6熱力循環(huán)第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六1-1熱力系統(tǒng)

熱力學中常把研究的對象從周圍物體中分割出來，研究它與周圍物體之間的能量和物質(zhì)的傳遞。這種人為的分割出來的研究對象稱為熱力系統(tǒng)，簡稱熱力系或系統(tǒng)?！掏饨纾╯urrounding）

√邊界（boundary）√熱力系統(tǒng)（thermodynamicsystem）

熱力系以外與之相互作用的周圍物體統(tǒng)稱為外界或環(huán)境。

為了避免把熱力系和外界混淆起來，設(shè)想有分界面將它們分開，這個分界面稱為邊界。

邊界可以是真實的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是運動的。熱力系的邊界常用虛線表示。第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六舉例說明第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六熱力系統(tǒng)分類

根據(jù)熱力系與外界之間的能量和物質(zhì)交換情況，熱力系可分為：（1）閉口系（closedsystem）

與外界無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質(zhì)量始終保持恒定，也稱為控制質(zhì)量（controlmass，簡寫為CM）。

第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六（2）開口系（opensystem）

與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。通?？偸侨∫幌鄬潭臻g，把研究對象限制在這一空間范圍內(nèi)，也稱為控制容積（controlvolume簡寫為CV）。注意：1）閉口系與開口系都可能通過邊界與外界發(fā)生能量的傳遞。2）區(qū)分閉口系和開口系的關(guān)鍵是有沒有物質(zhì)越過了邊界，并不是系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量是不是發(fā)生了變化。進口出口第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六（3）絕熱系（adiabaticsystem）

與外界無熱量交換的系統(tǒng)。（4）孤立系（isolatedsystem）

外界既無能量交換又無質(zhì)量交換的系統(tǒng)。閉口系絕熱系開口系絕熱系Q≈0第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六★A、B兩部落“雞、犬之聲相聞，民至老死不相往來”ABA部落為系統(tǒng)A+B部落為系統(tǒng)——孤立系——閉口系注意：1）絕熱系與孤立系都是抽象的概念，是完全理想化了的情況。2）選取何類熱力系對研究問題的結(jié)果并無影響，僅與解決問題的繁復(fù)程度有關(guān)。3）在作熱力學分析時，不僅要考慮熱力系內(nèi)部的變化，同時還要考慮熱力系通過邊界與外界發(fā)生的能量與物質(zhì)的交換，至于外界的變化則不必研究。第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六√熱機（heat-engine）：

凡能將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的機器統(tǒng)稱為熱機。如蒸汽機、蒸汽輪機、燃氣輪機、內(nèi)燃機、噴氣發(fā)動機等等，或稱熱能動力裝置?！虩嵩矗╤eatsource）：

與熱力系有熱量交換的物質(zhì)系統(tǒng)的統(tǒng)稱。高溫熱源——熱源恒溫熱源低溫熱源——冷源變溫熱源√簡單可壓縮系（simplecompressiblesystem）：

熱力系由可壓縮流體構(gòu)成，與外界只有可逆體積變化功（可逆過程的膨脹功或壓縮功）的交換的系統(tǒng)。√工質(zhì)（workingsubstance）：

實現(xiàn)能量相互轉(zhuǎn)換的媒介物稱為工質(zhì)。介紹幾個常用概念第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六1-2平衡狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)1.平衡狀態(tài)（equilibriumstate）（1）熱力狀態(tài)

系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為系統(tǒng)的熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。

（2）平衡狀態(tài)

在沒有外界影響的條件下（重力場影響除外），熱力系的宏觀性質(zhì)不隨時間而變化的狀態(tài)。

處于平衡狀態(tài)的熱力系，必須同時具備熱平衡和力平衡，對于有化學反應(yīng)的系統(tǒng)同時還應(yīng)具備化學平衡。第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六?熱平衡

在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處溫度相等。

溫差是驅(qū)動熱傳遞的不平衡勢差，溫差的消失則是系統(tǒng)建立熱平衡的必要條件。?

力平衡在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處壓力相等。

力差也是驅(qū)使系統(tǒng)狀態(tài)變化的一種不平衡勢差，力差的消失是使系統(tǒng)建立起力平衡的必要條件。?

對于有化學反應(yīng)的系統(tǒng)，化學勢差的消失才能建立起化學平衡。?

建立平衡狀態(tài)的充要條件：系統(tǒng)內(nèi)部或者系統(tǒng)與外界之間各種不平衡勢差的消失。第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六2.狀態(tài)參數(shù)（parameterofstate）

用來描述系統(tǒng)狀態(tài)的宏觀物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。常用的狀態(tài)參數(shù)有6個，即壓力（p）、溫度（T）、比體積（v）、熱力學能（U）、焓（H）和熵（S）。狀態(tài)參數(shù)

強度參數(shù):與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)的數(shù)量無關(guān)

的

狀態(tài)參數(shù)，如

p、T等。不具有

可加性。廣延參數(shù):與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)的數(shù)量有關(guān)的

狀態(tài)參數(shù)。如

V、U、H、S等。

具有可加性。單位質(zhì)量的廣延參

數(shù)，具有強度參數(shù)的性質(zhì)，稱為

比參數(shù)，如

v、h、u、s等。第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六狀態(tài)參數(shù)的特點

狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)，熱力系的狀態(tài)一定，其狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值也一定。系統(tǒng)狀態(tài)變化時，初、終狀態(tài)參數(shù)的變化值，僅與初、終狀態(tài)有關(guān)，而與狀態(tài)變化的路徑無關(guān)。

當系統(tǒng)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化而又回復(fù)到初態(tài)，其狀態(tài)參數(shù)的變化為零。

如果能證明某物理量具有上述數(shù)學特征，則該物理量一定是狀態(tài)參數(shù)。第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六

處于平衡狀態(tài)的熱力系，狀態(tài)參數(shù)具有確定的數(shù)值。而非平衡狀態(tài)的熱力系其狀態(tài)參數(shù)是不確定的。

工程熱力學通常只研究平衡狀態(tài)，它是經(jīng)典熱力學理論框架得以建立的重要基礎(chǔ)。第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六

3.基本狀態(tài)參數(shù)

壓力（p）、溫度（T）、比體積（v）可以直接或間接地用儀表測量出來，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。（1）壓力（pressure）單位面積上所受到的垂直作用力（壓強）。

P為工質(zhì)的真實壓力，即絕對壓力。

根據(jù)分子熱運動學說，氣體的壓力是大量氣體分子運動撞擊容器壁面所產(chǎn)生的平均結(jié)果。力面積第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六16常用非SI壓力單位：國際單位制:Pa（帕），1Pa=1N/m2

1MPa=103kPa=106

Pa

1bar（巴）

=105

Pa

1atm（標準大氣壓）

=1.013105

Pa

1at（工程大氣壓）

=0.981105

Pa

1mmH2O（毫米水柱）

=9.81Pa1mmHg（毫米汞柱）

=133.3Pa第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六壓力測量：只有絕對壓力p才是狀態(tài)參數(shù)。絕對壓力p表壓力pe（pg）

真空度pv

當?shù)卮髿鈮簆b

負壓正壓第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六18（2）溫度（temperature）

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(nèi)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

第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六2）熱力學第零定律

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)。ABC3）溫標溫度的數(shù)值表示法。

國際單位制（SI）采用熱力學溫標作為基本溫標。第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六

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）:

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。攝氏溫標:

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℃（攝氏度）。攝氏溫度的定義式為：

攝氏溫度的零點相當于熱力學溫度的273.15K，1℃=1K第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六（3）比體積（specificvolume）定義：單位質(zhì)量的工質(zhì)所占有的體積，用符號v表示，單位為m3/kg。密度：單位體積的工質(zhì)所具有的質(zhì)量，用符號

表示，單位為kg/m3

。

比體積和密度不是兩個互相獨立的狀態(tài)參數(shù)。通常以比體積作為狀態(tài)參數(shù)。第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六1-3

狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標圖（1）狀態(tài)公理

對于簡單可壓縮系統(tǒng)，只需給出兩個相互獨立狀態(tài)的參數(shù)（如p、T）便可確定它的平衡狀態(tài)。（2）狀態(tài)方程式

表示基本狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系的方程式稱為狀態(tài)方程式

。如：第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六（3）狀態(tài)參數(shù)坐標圖

在以兩個獨立狀態(tài)參數(shù)為坐標的平面坐標圖上，每一點都代表一個平衡狀態(tài)，而非平衡狀態(tài)無法在圖上表示。

以獨立狀態(tài)參數(shù)為坐標的坐標圖。第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六1-4

準平衡過程和可逆過程（1）熱力過程

熱力系從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)稱為熱力過程，簡稱過程。PPbPˊPPbP=Pˊ+PbP=PbP＞Pb第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六（2）準平衡過程（quasi-equilibriumprocess）

由一系列非常接近平衡狀態(tài)的狀態(tài)所組成的過程就稱為準平衡過程，也稱為準靜態(tài)過程（quasi-staticprocess）。

準平衡過程的實現(xiàn)條件是：破壞平衡狀態(tài)存在的不平衡勢差（除力差外，還包括溫差、化學勢差等）應(yīng)無限小。第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六

準平衡過程是實際過程的理想化，是實際過程進行得非常緩慢的一個極限。實際設(shè)備中所進行的過程都是在有限勢差作用下進行的，都是非平衡過程。但在熱力學中，為便于分析，常把實際過程當作準平衡過程來處理。這是因為系統(tǒng)在平衡狀態(tài)被破壞后自動恢復(fù)平衡所需的時間，即所謂弛豫時間非常短，而過程進行的時間遠大于弛豫時間，系統(tǒng)一旦偏離平衡狀態(tài)，系統(tǒng)很快重新恢復(fù)平衡狀態(tài)。因此，將某些實際設(shè)備中進行的過程視為準平衡過程是可以被允許的。如果在某些情況下這樣的處理會帶來較大的誤差時，應(yīng)引入考慮不平衡影響而進行的修正。

在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上，準平衡過程可以用連續(xù)的實線表示。pv12第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六（3）可逆過程（reversibleprocess）

當系統(tǒng)完成了某一過程之后，如果系統(tǒng)能沿原路徑逆行而回復(fù)到原來狀態(tài)，同時外界也隨之回復(fù)到原來狀態(tài)，而不留下任何變化，則這一過程稱為可逆過程。第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六可逆過程的特征是：1）準平衡過程，因為在有限勢差作用下進行的非平衡過程必然導(dǎo)致不可逆。2）在可逆過程中不應(yīng)有任何諸如摩擦、電阻、磁阻等的耗散效應(yīng)（通過摩擦、電阻、磁阻等使功變?yōu)闊岬男?yīng)稱為耗散效應(yīng)，由此造成可用功的損失稱為耗散損失）。實現(xiàn)可逆過程的的充要條件，一是過程沒有勢差（或勢差無限小）如傳熱沒有溫差，作膨脹功沒有力差等，二是過程沒有耗散效應(yīng)，如機械運動沒有摩擦，導(dǎo)電沒有電阻等。也可以說，只有準平衡過程且過程中無任何耗散效應(yīng)的過程才是可逆過程。第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六準平衡過程與可逆過程的聯(lián)系與區(qū)別：1）兩個過程都是由一系列平衡狀態(tài)所組成，在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上都能用一條連續(xù)的曲線來表示。2）有無耗散損失

可逆過程是一切實際過程的理想化極限，實際上是不可能實現(xiàn)的。引入可逆過程是一種研究方法。

可逆過程一定是準平衡過程，但準平衡過程則不一定是可逆過程。第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六引入可逆過程的概念對分析實際過程有何意義？

實際過程都或多或少地存在著各種不可逆因素，都是不可逆的。在對不可逆過程進行分析計算時往往是相當困難的，為了簡便起見，通常把實際過程當作可逆過程來進行分析計算，，然后再用一些經(jīng)驗系數(shù)加以修正。另外，可逆過程是一切實際過程的理想化極限模型，可逆過程進行的結(jié)果不會產(chǎn)生任何能量損失，因而可以作為實際過程中能量轉(zhuǎn)換效果比較的標準和極限。第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六1-5功量與熱量1.功量（work）

√功的力學定義：力與沿力作用方向產(chǎn)生位移的乘積。

√功的熱力學定義：熱力系與外界間通過邊界而傳遞

的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為

舉起重物。

功是與過程性質(zhì)有關(guān)的過程量。功不是狀態(tài)參數(shù)。第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六國際單位制：J（焦耳）或kJ（千焦）比功：單位質(zhì)量的物質(zhì)所作的功。

單位：J/kg或kJ/kg。功率：單位時間內(nèi)完成的功。

單位：W（瓦）或kW（千瓦）。1W=1J/s，1kW=1kJ/s=103W熱力學中規(guī)定：系統(tǒng)對外界作功取為正值，

外界對系統(tǒng)作功取為負值。1J=1N·m，1kJ=103J第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六√體積功（膨脹功或壓縮功）

工質(zhì)通過體積變化（膨脹或壓縮）所做的功。

討論可逆過程的體積功對于微元可逆過程對于可逆過程1—2若工質(zhì)質(zhì)量為mkg1kg第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六膨脹：dv>0,w>0壓縮：dv<

0,w<0w的大小可以p-v圖上的過程曲線下面的面積12nm1來表示，p-v圖稱為示功圖

功是過程量而不是狀態(tài)量。第三十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六

討論有用功概念其中:

W——膨脹功；

Wl——摩擦耗功；

Wp——排斥大氣功。pbf用外部參數(shù)計算不可逆過程的功?第三十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六362.

熱量與示熱圖

（1）熱量

系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱量，符號為Q，單位為J

或kJ。

單位質(zhì)量工質(zhì)所傳遞的熱量用q表示，單位為J/kg

或kJ/kg。

熱量正負的規(guī)定：系統(tǒng)吸熱：q>0

系統(tǒng)放熱：q

<0

熱量和功量都是系統(tǒng)與外界在相互作用的過程中所傳遞的能量，都是過程量而不是狀態(tài)量。

第三十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六

在可逆過程中，系統(tǒng)與外界交換的熱量與功量的計算公式具有相同的形式。

功量：熱量：

s

稱為比熵。比熵同比體積v

一樣是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。

比熵的定義式：

（可逆過程）比熵的單位為J/(kg·K)

或

kJ/(kg·K)

。第三十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期六對于質(zhì)量為

m的工質(zhì)S為質(zhì)量為m

的工質(zhì)的熵，單位是J/K。

根據(jù)熵的變化判斷一個可逆過程中系統(tǒng)與外界之間熱量交換的方向：

系統(tǒng)吸熱；

，，系統(tǒng)放熱；

，，系統(tǒng)絕熱，定熵過程