【工程热力学讲义大全】

【工程热力学讲义大全】
绪论
问题：本课程是什么？干什么？有什么特点？
一、能源和动力工程
1、能源：人类赖以生存和发展的物质资源称为能源。

人们的衣、
食、住、行，时时处处都离不开能源。

从某个角度来讲，人类的发展史就是开发和利用能源的历史。

而开发和利用能源的先进程度是社会进步的标志。

2、能源的利用：能源的利用方式可分为两种，一是直接利用，即将
自然界的能源不经过形态转换而利用。

如晒太阳、风车、水车等。

自然界现有形态的能源称为一次能源。

二是间接利用，将一次能源经过形态转换再利用。

如火力发电、发动机等。

这样的能源称为二次能源。

在能源利用的发展史中，先是一次利用，后来发展二次利用，电能的优点是众所周知的。

从节能和环保的观点出发，能源一次利用方式并非落后和将被淘汰，应当发展。

3、动力工程：由热能转换为机械能的装置称为热机，所有热机（蒸
汽机、内燃机、蒸汽动力装置等）称为动力工程。

二、工程热力学
1、主要内容：基本概念；基本理论；基本工质；热力过程；热力循
环。

工程热力学是研究热功转换及其规律的科学。

早期是随着热机而诞生的，如今应用已很广，包括热机、制冷、空调、化工等众多领域。

2、研究方法：宏观方法（宏观定义、宏观定律、宏观参数）与合理
抽象、简化手段相结合。

3、特点：用少量的宏观基本定律演绎出丰富的内容，具有应用的广
泛性和结论的准确性。

三、几个问题：
1、能量和能源一样吗？
2、能量守恒吗？什么是节能？如何节能？节能的标准是什么？
第一章 基本概念
工程热力学的概念较多，要注意理解。

本章先介绍一些基本概念。

1— 1工质和热力系 一、 工质
1、 定义：实现热功转换的媒介物质。

2、 举例：
*工质的物理特性：流体（气体和液体）、大热容、变比容。

*工质可分为两大类，气体和蒸汽。

气体工质一般作为理想气体处理。

二、 热力系
1、定义：热力学分析和研究的对象或范围。

例：
媒介
热 功
工质
2、系统、边界、外界：
系统是人为的，和外界是相对的。

边界是可以移动的，可以是假想的。

3、意义：热力学问题的分析首先从建立热力系开始。

抛开研究对象的
外观、结构等，抽象为具有一定特征的热力系统。

只关心系统内工质的变化。

4、分类：
（1）封闭系：Q W (m) 例：........
（2）开口系: Q W m 例: ........
（3）绝热系: (Q) W m例: ........ 抽象概念.
（4）孤立系: (Q) (W) (m) 例: ....... 抽象概念
1—2状态和状态参数
一、状态：工质在某一时刻的宏观物理状况。

例：......
二、状态参数：描述状态的宏观物理量。

如p v t u h s e a 等。

* 状态参数的物理特征：在某状态下一定存在并且是唯一的。

其数值与如何到达这一状态、经过什么路径到达这一状态无关。

三、状态和状态参数的关系：二者首先是同一事物的两种描述方法。

1、固定关系：状态确定之后，所有的状态参数都确定（状态状态
参数）。

z 1
（状态）
p 1 t 1 v 1u 1 h 1 s 1 。

状态参数一定，状态也一定。

P 1 t 1 v 1 u 1 h 1 s 1 z 1。

但需要全部状态参数才能决定状态吗？不需要。

最少需要几个参数来决定状态呢？状态公理：需要n+1个参数。

n 是热力系中作功形式的个数。

在我们的简单可压缩物系内，只有一种形式的功—容积变化功，n =1。

所以我们需要两个独立参数来决定状态。

可表示为z=f(xy)。

Z 可以代表状态，也可以代表状态参数。

3、 变化关系：状态变了，状态参数要变化，但不一定全都变化。

状态参数变了，只要一个参数变了，状态就一定变化。

四、 平衡状态
1、定义：不随时间变化的状态。

（所有状态参数都不变）
2、条件：系统内外势差为零。

内力平衡 Δp 内=0 内热平衡 ΔT 内=0
内、外热平衡 T 内=T 外 内、外力平衡 p 内=p 外
3、特点： 只有平衡状态是可以描述的（有确定的状态参数）。

平衡状态不会自行打破。

非平衡状态会自动趋于平衡。

p 外 T 外
势差 = 0
p 内
T 内
五、 状态参数的数学特征
1、点函数。

如前所术，z=f(xy)。

由状态参数的物理意义可推出其数学特征为点函数。

点函数的所有数学性质就是状态参数的性质。

2、微分性质：全微分。

)(xy f z = dy y z dx x z dz x y )()(
∂∂+∂∂= 令: M x
z
y =∂∂)( N y z x =∂∂)( 则: Ndy Mdx dz += (格林公式) 且 y x x
N
y M )()(
∂∂=∂∂ (二次偏导与次序无关) 4、积分性质：与路径无关。

⎰-=2
1
12z z dz ⎰=0dz
六、 基本状态参数
定义：具有明显的物理意义并且可以直接或间接测量的参数。

它们是：p v t 。

其余参数如：u h s 等称为导出参数。

1、 比容
定义：单位物量（公斤）物质（工质）具有的体积。

m
V v = 单位：m 3/kg 立方米/公斤 密度：v
V m 1
==
ρ kg/m 3 比容和密度是两个相关参数，
相互不独立，
相当于一个参数。

2、 压力
定义：单位面积上的垂直作用力。

物理中的压强。

A
F
p
国际单位：力F —牛顿N ，面积A —平方米m 2，压力p —帕（斯卡） p a 。

1Mp a =106p a 1kp a =103p a 1bar=105p a
工程单位：物理大气压atm ，工程大气压at , 毫米汞柱mmHg ，米水
柱mH 2O ，1bar ≈1at 。

“压力”与“压力单位”要区别开。

绝对压力和相对压力：
绝对压力—工质的真实压力。

p
相对压力—相对于大气压力的值。

p g p v
p=p b +p g p=p b --p v
3、温度
宏观：物体的冷热程度。

定义： 微观：物质微粒热运动的程度。

热力学：热平衡的标志。

宏观定义中“冷、热”似乎依赖于人体的感觉，而人体感觉相同温度的不同物质（如铁和木头）时是不一样的。

微观定义中的“运动”是不能等于零和负值的，所以温度也不能是负值，但是近代科学已经证实负温度的存在。

前两个定义不严密，热力学定义是严密的。

热平衡：两个物体接触而没有热传导时称之。

当两个物体达到热平衡时，一定存在某一点
共性，某个状态参数存在且数值相等。

就把这一参数定义为温度。

工具：温度计
测量： 原理：热平衡原理（热力学第零定律）：如果AB 热平衡，BC 热平衡，AC 一定也热平衡。

温标：温度的数值表示标准。

摄氏温标 标准物质：水
t 定点温度：物理大气压下的冰点为0℃，沸点为100℃。

分度方法：冰点和沸点之间100等份。

华氏温标 标准物质：水
定点温度：物理大气压下冰点为32
℉，沸点为212℉。

分度方法：冰点与沸点之间180
经验温标——与测温物质有关的温标。

摄氏温标和华氏温标都是经验温标。

其缺点是除了定点温度之外其他温度值都不准。

这是由于等分温度而把温度与体积的曲线关系 图所示
标准物质：水
热力学温标 定点温度：三相点（固、液、汽三态共存）定为273.16K 分度方法: 从绝对0K 至三相点分为273.16份
热力学绝对温标是绝对准确的理论温标。

与测温物质无关。

该温标的理论依据是热力学第二定律和卡诺热机。

（后面再详述）由于卡诺热机无法实现，热力学温标没有直接测量的手段。

热力学摄氏温标：t=T—273.15
* 1热力学绝对温度=1热力学摄氏温度=1经验温标摄氏度
* 以上是三相点取值273.16的原因。

1—3工质状态（参数）的表示方法
状态要用状态参数来描述，状态的表示方法实际就是状态参数的表示方法。

或者说确定方法。

一、解析法：
z=f(xy) p=f1(Tv) u=f2(pT) h=f3(Tv) ......
已知三个参数的解析关系，可由两个已知参数求另一未知参数。

特点：如果已知解析关系式，则利用关系式计算方便、准确。

但大多数实际气体没有简单的关系式可用，因此该方法一般只能用于理想气体。

例如理想气体有状态方程pv=RT。

二、列表法：
将各参数的关系数据整理成表，
特点：方便、可靠。

依赖于前人的大量工作。

多用于实际气体。

三、图示法：
由z=f(xy) ,建立笛卡尔坐标图
T h
v s s
特点：用点来表示平衡状态，直观、形象，没有工质限制。

多用于定性表示和分析。

1—4准静态过程和可逆过程
一、过程定义：工质从一个平衡状态变化到另一个平衡状态的中
间途径。

1.
意义：热功转换需要过程。

.2
二、准静态过程
1、引出：从状态1变化到状态2可以有多条路径。

不同路径的热功转
换情况不同。

为此需要知道具体路径，需要描述具体路径。

必须建立准静态过程的概念。

p
2、模型：1。

中间没有平衡状态点。

2
v
-Δp p
...............
p
v
当Δp趋近于零时1—2成为连线，1—2过程成为准静态过程。

3、定义：过程中的任何一个中间状态都是平衡状态的过程。

4、条件：势差无限小、时间无限长、过程无限缓慢。

5、意义：有确切的路径，可描述，可研究。

（类似于平衡状态）
6、实用性：从以上模型、定义、和条件看来，准静态过程与实际过程
相差甚远，没有哪个实际过程进行的无限缓慢。

但进一步分析，只要工质恢复平衡的速度大于外界破坏平衡的速度即可实现准静态过程。

热力设备中工质恢复平衡的速度是音速，300m/s以上，而外界破坏平衡的速度是机械速度，要小地多。

例如1500r/m的高速内燃机的活塞移动速度也只有每秒十几米。

因此，把实际过程当作准静态过程处理没有问题。

三、可逆过程
1、模型：
2、定义：某个可以反向进行回到初态且不给外界留下任何痕迹的过程。

3、条件：过程准静态、传热无温差、作功无摩擦。

（举例详述）
即：没有任何损失的理想过程。

4、意义：可逆过程是不存在的，不可逆是必然的，但是不可逆性可以
减小，可逆性可以无限接近。

可逆过程是过程的最理想目标，是节能的方向。

四、可逆过程与准静态过程的比较
“同”：抽象、理想过程。

“异”：（1）着眼点不同。

‘准’过程着眼于工质内部，‘可’过程着眼于工质与外界的联系。

（2）用途不同。

‘准’过程是热力学研究过程的工具。

‘可’过程是实际过程完善和改进的目标。

1—4能量、储存能、转移能
一、能量
1、实质：是运动。

不同的运动形式决定了能量的形态。

2、转换：改变运动形式就改变了能量形态，就转换了能量。

3、守恒：能量在形态转换中总量不变，数量守恒。

4、不守恒：能量在形态转换中质（品位、作功能力）下降。

二、储存能
1、 组成：P K E E U E ++=
其中 221
mc E K =、mgz E P = 属于机械能。

2、 内能：分子平移动能—— f(t)
分子转动动能—— f(t)
分子振动动能—— f(t)
分子内位能—— f(t,v)
原子能——化学能
核能
*是状态参数 ),(v t f u = 122
1
u u du -=⎰ ⎰=0du
*单位：J , J/kg , kJ/kg
*零点：没有零点。

在热力计算中需要的是内能增量，所以零点可以任意选定，一般选在摄氏零度或者绝对零度。

三、 转移能
1、 推挤功：工质进入系统时对系统的作功。

pAz=pV
2、 流动功： 1 2
11V P
22V P
3、 焓
（1）数学定义：H=U+pV h=u+pv
（2）是状态参数 ⎰⎰=-==0,),(12dh h h dh pT f h
（3）物理意义：在开口系，焓是推挤功与内能之和，是复合能量，是随工质进出系统的能量，是工质的转移能。

如果不加开口系的条件，则焓没有物理意义，只有数学定义，只是状态参数。

4、 转移能
转移能包括随工质进出边界的焓以及通过边界的功和热量。

1—6 功和热量
一、 功
1、 定义：（力学定义）力乘以力作用方向上的位移。

（热力学定义）热力系对外界作用的唯一效果是举起重物，则热力系对外界作了功。

1122v p v p w f -=。