热工 第二章 热能转换的基本概念和基本规律-3简
热工基础-2-(3)热力学第二定律-
低温热源没变化,唯有高温热源放出了热量： QHA －QHB＞0, 并对外输出了净功Wo＝ WA－WB 说明联合运转的机器：是一个单一热源的热机, 违背了热力学第二定律开尔文的说法。
故而不可能实现。 因此开始的假设不成立。 定理一得证。
TL hc = 1 TH
(1) 卡诺循环等所有的可逆循环的热效率仅取决
⑴ 循环过程
1 2
绝热压缩
2 3
等温吸热
3 4
绝热膨胀
4 1
等温放热
热工基础—第2章
⑵ 热效率
可证明，采用理想气
体为工质时的卡诺循环的 热效率η c,仅与热源温度TH 和冷源温度TL有关,为：
hc = W0 / QH = (QH - QL ) / QH = 1 - TL / TH
可逆过程熵变的计算：
设有一可逆过程12 ，其熵变及比熵变为：
2、热力学第二定律的数学表达式
克劳修斯积分等式 是循环可逆的 一种判据，那么如何判断循环不可逆呢?
（1）克劳修斯积分不等式
如图不可逆循环1－A－2－B－1, 其中虚线表示循环中的不可逆过 程。
用无数条可逆绝热过程线将循环分成无穷多
个微元循环。
力过程却未必都能自动发生。
自发过程：能够独立地、可以无条件自动发生的
过程称为自发过程；反之是非自发过程。
自发过程的反方向过程即为非自发过程。
因此，热力过程的方向性，说明自发过程具
有方向性。
！！！注意： 非自发过程，不能自动发生，强调的是自 动,并没有说非自发过程不能发生——需补偿。 事实上，许多实际过程都是非自发过程。
克劳修斯不等式： 讨论 克劳修斯不等式，可以作为判断循环是否
第二章热工转换的基本概念和基本定律
平衡态的概念
在没有外界影响（重力场除外）的条件下， 热力系的宏观性质不随时间变化的状态。
A system in equilibrium experiences no changes when it is isolated from it surroundings.
Many types of Equilibrium
单位质量物质所占的体积称为比体积，也 称为比容。 若以m表示质量，V表示所占体积，则比 体积
vV m
比体积的倒数称为密度，以ρ表示，则有 密度ρ表示单位体积所含的物质质量。
2.压力
单位面积上所受的垂直作用力称为压 力(压强)，以P表示。如用A表示面积， F表示垂直于A的均匀作用力．则压力
压力单位为Pa。
实现能量传递与转换的物质称为工质。 内燃机的工质是燃气； 蒸汽动力装置的工质是水蒸汽。 为使能量转换有效而迅速，常选气(汽)态物 质作为工质。
（二）平衡状态Equilibrium state
为了分析热力系中能量转换的情况，首先 必须能够正确地描述系统的热力状态。 热力状态state——热力系在某一瞬间所呈 现的宏观物理状况。
平衡Equilibrium与稳定Steady
稳定：参数不随时间变化
稳定但存在不平衡势差 去掉外界影响，
则状态变化 若以（热源+铜棒+冷源） 为系统，又如何？
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
平衡Equilibrium与均匀Even
平衡：时间上 均匀：空间上
平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
为什么引入平衡概念？
barometric
注意：
环境压力一般为大气压， 但不一定。
压力分为绝对压力和相对压力。
热工基础__第二章能量转换的基本概念和基本定律.
(3) 、温度 • 物体冷热程度的标志；系统热平衡的物理特征量。 • 热力学第零定律： 当物体C同时与物体A和B接触而达到热平衡时,物体A 和B也一定热平衡。 这一事实说明物质具备某种宏观性质。若两个热力 系分别与第三个热力系热平衡，那么这两个热力彼此 处于热平衡。这一宏观物理性质称为温度。 • 温标： 热力学第零定律是温标的理论依据。 a、热力学温标: 水的三相点为 273.16 K,单位“开尔 文” 是水有三相点温度的1／273。16 T 单位 K， T = 273.15 + t b、摄氏温标 水的三相点为0.01 ℃，水的标准沸点为100 ℃。 t 单位 ℃ t = T - 273.15 ＊（有关温度热力学温标在第二定之后有严格证明）
dX 0
dX X
1
2
2
X1
• 强度量状态参数： 与系统内所含工质数量无关的状态参数。 • 广延量状态参数： 与系统内所含工质数量有关的状态参数。
3、基本状态参数 (1)、比体积
V v m
密度
单位 m3/kg
m V
v 1
(2)、压力（压强）
F p A
• 压力的国际制单位： 1 MPa = 103 kPa = 106 Pa
•以后在p－v图及T－s图中凡是用 实线画出的过程都表示可逆过程。
有用功Wu、无用功Wr和耗散功Wl
闭口系膨胀过程中用推动大所所消耗的功称为无用功Wr. 过程中由于耗散效应所消耗的功称为耗散功Wl ，则有用功Wu为 Wu＝ W－Wr－Wl Wr＝p0(V2 － V1) ＝ p0 ΔV (1－11) (1－12)
第二节
热力学第一定律
一 热力学第一定律的实质
热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象中的应用。
热工基础-02第二章_能量转换的基本概念和基本定律
山东大学（威海）机械系
热力系边界的特点
固定边界 移动边界 真实的边界界面 假想的空间界面
山东大学（威海）机械系
2、工质 实现能量相互传递与转换的物质（介质）称为工质。 如：水蒸汽、 内燃机中工作的燃气 制冷剂 常用的气态物质等。
山东大学（威海）机械系
二 平衡状态及基本状态参数
1、平衡状态 在没有外界影响的条件下，热力系的宏观性质不随时间 变 化的状态称为平衡状态（平衡态）。 若系统的各部分之间没有热量传递,则系统处于热平衡. 若系统的各部分之间没有相对位移,则系统处于力平衡.
系统能量的增加：ΔECV＝0 进入系统的能量－离开系统的能量＝系统能量的增加
1 2 Q m2 (u2 c2 gz2 ) m2 p2 v2 2 1 2 m1 (u1 c1 gz1 ) m1 p1v1 Wsh 2
山东大学（威海）机械系
由于M1=M2=M, 整理上式得
山东大学（威海）机械系
三 状态方程、坐标图
1、状态方程 基本状态参数之间的函数关系式称为工质的状态方程。 由状态公理得：只有两保独立变量） F (p,v,T) = 0 或 p=p(T,v); v = v (p,T); T = T (p,v) 2、坐标图 二个独立变量时，可 以用平面图表示。而平面 上的任意一点则代表了一 个平衡状态；所有的状态 都可以在平面上找到。
山东大学（威海）机械系
•以后在p－v图及T－s图中凡是用 实线画出的过程都表示可逆过程。
有用功WU、无用功WR和耗散功WL
闭口系膨胀过程中用推动大于所消耗的功称为无用功Wr. 过程中由于耗散效应所消耗的功称为耗散功Wl ，则有用功Wu为 Wu＝ W－Wr－Wl Wr＝p0(V2 － V1) ＝ p0 ΔV (1－11) (1－12)
热工基础作业答案
式中：依题意有：m.mm l s /m .g m /kg .cm /g .sin gl gh p MPa.p p p p v b vb 2020089108080102333===⨯=====-=ραρρkPakPa kPa p p p kPa Pa Pa m m P Pa O m m H p kPa Pa Pa m m p A P O H b O H b 6.206656.1061.961kPa 98p 656.106106656103332.1Hg 800p 1.961kPa a 34.19618067.9200982.97990103332.1Hg 7351265Hg2Hg 2222=++=++=∴==⨯⨯===⨯===⨯⨯=-压力单位换算：附录根据《热工基础》习题参考答案第二章 热能转换的基本概念和基本定律热能转换的基本概念 2-32-42-6 （a ）取水为系统，故为闭口系。
系统与外界交换的能量为热能。
（b ）取电阻丝+容器+水为系统，故为闭口绝热系。
系统与外界交换的能量为电能。
（c ）取图2-40中虚线框内全部空间为系统，故为孤立系。
系统与外界无任何形式的能量交换。
2-7 2-82-10 用线性插值法求摄氏温标与华氏温标的换算关系：{}{}{}{}3281010010032212212+=--=--︒︒)C ()F ()C ()F (t .t t t 得绝对零度（-273.15℃）所对应的华氏温度为：{})F (.).(.t )F (︒-=+-⨯=67459321527381MP .a MP .-MPa .p -p p a MP .gH mm .MPa .g H mm x p g H mm .g H mm MPa .a MP x a MP x p 0.0039MPa g 29.0588mmH g H mm -Hg 735.0588mm p -p p Hg 735.0588mm MPa .p mmHg 107.5006MPa -A P Pa .g H mm -A P 0.0039MPa 3941Pa g H 29.56mm g H mm -g H mm .p -p p g H mm p p -p p 2a MP 13.498a MP .a MP .p a MP .p -A P g H mm .a MP .p p p p v b v v v b b 3v b v v b g b g b 0040094009800940567350980706567357060980706098011265321331126570656735706413098041312655673509801====⨯==∴======∴==⨯==========+=∴===+=冷冷冷冷冷冷冷冷冷冷冷进进进进则设解法三：依题意有：：附录查解法二：）：附录（查解法一：力为：冷凝器内蒸汽的绝对压）（）附录（查式中：力为：汽轮机进口处的绝对压）（aMP .a MP .-MPa .p -p p a MP .gH mm .MPa .g H mm x p gH mm .g H mm MPa .a MP x a MP x p 0.0039MPa g 29.0588mmH g H mm -Hg 735.0588mm p -p p Hg735.0588mm MPa .p mmHg107.5006MPa -A P Pa .g H mm -A P 0.0039MPa 3941Pa g H 29.56mm g H mm -g H mm .p -p pg H mm p p -p p 2a MP 13.498a MP .a MP .p a MP .p-A P g H mm .a MP .p p p p v b v v v b b3v bv v bg bg b 0040094009800940567350980706567357060980706098011265321331126570656735706413098041312655673509801====⨯==∴======∴==⨯==========+=∴===+=冷冷冷冷冷冷冷冷冷冷冷进进进进则设解法三：依题意有：：附录查解法二：）：附录（查解法一：力为：冷凝器内蒸汽的绝对压）（）附录（查式中：力为：汽轮机进口处的绝对压）（m m HgMPa MPa MPa p p p MPaMPa MPa p p p MPa Pa Pa m m Hg p b v v b v 577077.0025.0102.0025.0073.0098.0073.0733********.1550''2==-=-==-=-===⨯⨯=2-112-13 （1）取动力厂为系统，输入能量为煤的总发热量Q ，输出能量为输出功率P 。
第2章 热能转换的基本概念
热能转换的基本概念
研究热能和机械能之间的转换， 研究热能和机械能之间的转换 ， 依据热力学 第一和第二定律， 第一和第二定律，前者揭示了在能量传递和转换 过程中能量数量的守恒关系， 过程中能量数量的守恒关系，后者阐明了能量不 但有“数量”的多少问题， 但有“数量”的多少问题，而且有品质的高低问 题。热能和机械能相互转换所涉及的基本概念和 术语是学习本课程的基础。 术语是学习本课程的基础。
（4）绝热系
与外界无热量交换的系统。 与外界无热量交换的系统。
（5）孤立系
与外界无任何能量和物质交换的热力系。 与外界无任何能量和物质交换的热力系。
（6）热源
与外界仅有热量的交换， 与外界仅有热量的交换，且有限热量的交换不引 起系统温度变化的热力系统。根据热源温度的高低和 起系统温度变化的热力系统。 作用，又可分为热源和冷源。 作用，又可分为热源和冷源。
（四）状态方程式
热力系的各状态参数分别从不同角度描述系统 热力系的各状态参数分别从不同角度描述系统 的某一宏观特性， 这些参数并不都是独立的。 的某一宏观特性 ， 这些参数并不都是独立的 。 状 态公理指出， 对于简单可压缩系， 态公理指出 ， 对于简单可压缩系 ， 只要给定两个 相互独立的状态参数就可以确定它的平衡状态。 相互独立的状态参数就可以确定它的平衡状态。 状态方程式：F ( p, T , v) = 0 ，具体形式取决于工 状态方程式： 质的性质。 质的性质。 对于只有两个独立参数的热力系，可以任选两 对于只有两个独立参数的热力系， 个参数组成二维平面坐标图来描述被确定的平衡 状态， 这种坐标图称为状态参数坐标图 状态参数坐标图。 状态 ， 这种坐标图称为 状态参数坐标图 。 如 ， 压 容图、温熵图等等。 容图、温熵图等等。
物理知识点总结热学和能量转化
物理知识点总结热学和能量转化热学和能量转化是物理学中重要的知识点之一，涉及到了热量、温度、热传导等概念。
本文将对热学和能量转化进行总结，以便帮助读者更好地理解和掌握这个领域的知识。
一、热学基础知识1. 热量和温度热量是物体与外界交换热的能力，与物体的质量、温度变化有关。
而温度是物体内部微观粒子的平均动能的度量，用来表示物体的热状态。
2. 热平衡和热传递热平衡是指物体之间没有温度差，热量不再传递的状态。
而热传递是指热量在物体间由高温区向低温区传递的过程，包括传导、对流和辐射三种形式。
3. 热传导热传导是指热量通过物体内部的微观粒子碰撞传递的过程，常见于固体和液体。
其传导速率与物体的导热系数、截面积和温度差有关。
二、热学定律1. 热的一体性原理热的一体性原理表明，当两个物体处于热平衡时，它们的温度相等。
2. 热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的表现形式，它指出：系统的能量变化等于从系统中流入或流出的热量与对外做功之和。
3. 热力学第二定律热力学第二定律是热现象的不可逆性的定量表述，它规定了自然界中热传递方向的规律，即热量只能自高温物体传递到低温物体，不会相反。
三、能量转化1. 热机和热效率热机是通过能量转化将热能转化为机械能的装置，常见的热机包括蒸汽机、内燃机等。
热效率是指热机输出的机械功与输入的热量之比。
2. 热力学循环热力学循环是指在一定的温度范围内，热机按照某种规定的过程进行输入和输出热量的循环工作。
常见的热力学循环有卡诺循环、斯特林循环等。
3. 能量守恒和能量转化能量守恒是指能量在转化过程中总量保持不变的原理。
在能量转化中，能量从一种形式转化为另一种形式，如热能转化为机械能、电能等，但总能量守恒。
四、应用与拓展1. 热工程应用热工程应用了热学和能量转化的知识，用于设计和改进各种热能装置，如发电厂、暖气系统、制冷设备等。
2. 能源转化与可持续发展能源转化是指将自然资源转化为可供人类使用的能源形式的过程。
《热工基础与应用》 khdaw
《热工基础与应用》傅秦生 主编 机械工业出版社课后习题参考答案海南大学 xiaomw1101@ 第二章 热能转换的基本概念和基本定律2.3 容器中气体的绝对压力为206.6kPa 。
2.4 g b P P P =+ 压力表A 的读数为155k Pa 。
b V P P P =−2.14Q U W =Δ+82634()U Q W kJ Δ=−=−−=− 返回初态时 34()U U k ′Δ=−Δ=J 63428()W Q U kJ ′′′=−Δ=−=−故外界对系统做功28kJ 。
2.15 压缩过程；系统与外界交换的功是－40 kJ 。
2.160；0；－390 kJ2.18 60 kJ ；－73 kJ ；50 kJ 、10 kJ2.19 0；0、2800 kJ2.24 180 kJ/kg2.25 1152m/s ；652 kJ/kg ；3650kW 2.31 72.7％；12.1kW ；4.55 kW 2.32 600K ；519.6K 2.33 31809601.02/()0467273293H L H L q q qkJ kg K T T T δ=+=−=>+∫i 不满足克劳修斯不等式 2.34 －0.3kJ/K 满足克劳修斯不等式2.351A L BH T T ηη=+课后答案网ww w.kh da w.c om2.36 (1)孤立系的熵增1.92J/K ，可行但不可逆 (2)孤立系的熵增－0.33 J/K ，不可行2.37 运用孤立系统的熵增原理可解得：可行但不可逆 2.38 5.416kg/min ；0.123 kJ/K 2.39 0.61 kJ/K 2.40 3000 kJ2.44 0.151 kJ/k g·K2.46 0.165 kJ/K第三章 工质的热力性质和热力过程3.6 27.93g/mol3.7 612.3kJ ；714kJ3.8 557.9 kJ/kg3.10 热力学能－396.6kJ ；焓变－510kJ ；熵变0.215 kJ/K3.17 略 3.18 略3.19 过程功0；过程热量295.4kJ ；熵变0.568 kJ/K 3.20 热力学能变化量41540kJ ；焓变58200kJ 3.21 －86.55 kJ/kg ；－101.7 kJ/kg ；略课后答案网ww w.kh da w.c om。
热能的传递和转化知识点总结
热能的传递和转化知识点总结热能的传递和转化是热学领域的重要内容，它涉及到热能在不同物体或系统之间的交换和转换过程。
本文将对热能的传递方式、导热、热辐射以及热能转化的几个主要过程进行总结。
一、热能的传递方式热能的传递方式主要有三种：传导、传热和传辐射。
1. 传导传导是指热能通过物质中的分子或电子的相互碰撞传递的过程。
在导体中，热能的传导是通过自由电子参与的，而在非导体中是通过分子之间的碰撞传递的。
传导的速率受到物质的导热性质和温度梯度的影响。
2. 传热传热是指热能通过物质的整体运动或流动传递的过程。
传热通常发生在气体和液体中，其传热方式有对流和辐射两种。
- 对流是指物质的流动导致的传热，它分为自然对流和强迫对流。
自然对流主要由流体的密度变化引起，强迫对流则是外部力的作用导致流体流动。
- 辐射是指热能以电磁波的形式传递的过程，它可以在真空中传播。
辐射通常由高温物体向低温物体传递热能，并与物体的温度和表面特性有关。
3. 传辐射传辐射是指热能通过热辐射的方式传递的过程。
热辐射是一种由物体发出的辐射能量，它与物体的温度相关，并遵循斯特藩—玻尔兹曼定律。
热辐射的传递不需要介质，可以在真空中进行。
二、导热导热是指热能通过传导方式在物质内部传递的过程。
物质的导热性质取决于其热导率和温度梯度。
热导率是描述物质导热性能的物理量，通常用λ 表示。
它表示单位时间内通过单位厚度的物体，温度差为单位的热能。
热导率越大，物质导热性能越好。
温度梯度是指物体内不同位置温度之间的差异，温度梯度越大，导热速率越快。
导热的计算可以通过热传导方程进行，即热流密度等于热导率乘以温度梯度。
三、热能转化热能转化是指将热能转换为其他形式的能量，包括机械能、电能和光能等。
常见的热能转化过程有热机、热电转换和热光转换。
1. 热机热机是将热能转化为机械能的装置，其工作原理基于热力学循环。
热机包括蒸汽机、内燃机和汽车发动机等。
热机利用燃烧或其他方式产生高温热源，通过热能转化为机械能，进而驱动发电机或机械装置工作。
第二章 热能转换的基本概念和基本定律
可逆过程：
W ( pV ) Wt Wf Wt
2
2
2
Wt W Wf 1
pdV ( pV ) 1
pdV d( pV ) 1
2
2
2
1 pdV (1 pdV 1 Vdp)
2
Wt 1 Vdp
或
2
wt 1 vdp
2
二、储存能 1、内部储存能——热力学能：工质微观粒子所具有的能量。
分子运动所具有的内动能
热力学能
分子间由于相互作用力所具有的内位能 维持一定分子结构的化学能和原子核内部的核能
热力学能U 是状态参数； 比热力学能 u＝U/m
热工基础与应用 第二章
2、外部储存能
Ek
1 mc2 2
或
ek
1 c2 2
出： e2m2 ,Wtot
e1m1
Wtot
e2m2
(E dE)sy
Q
增量： (Esy dEsy ) Esy dEsy
Q dEsy (e2m2 e1m1 ) Wtot
或
Q Esy (e2m2 e1m1) Wtot
热工基础与应用 第二章
式中：a,b, c 由630.74±0.2℃的银凝固点与金凝固点温度确定。 ③ 1064.43℃以上――由普朗克辐射定律定义，用1064.43℃作参考温度，取
c2 0.014388 m K 。
热工基础与应用 第二章
3、平衡状态
1、定义：一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下， 系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态称为平衡 状态。 2、实现条件：Δp=0 ΔT=0 (Δμ=0)。 4、状态参数坐标图和状态方程式
热能转换的基本概念和基本定律
以得到确定的pdV和∫ pdV ，但是它是否就等于系统与外界交换
的膨胀功？
•结论：只有在可逆过程中才有
δW = pdV
W = ∫12 pdV
δw = pdv
w = ∫12 pdv
•以后在p－v图及T－s图中凡是用 实线画出的过程都表示可逆过程。
热流科学与工程系
2、热量
热量是系统与外界之间在温差的推动下，通过微观粒子 无序运动的方式与外界交换的能量。
• Q : 表示系统与外界交换的热量。
• 若过程可逆则：
δQ = TdS δq = Tds
Q = ∫12 TdS q = ∫12 Tds
• w和q都是过程量而不是状态量
热流科学与工程系
第三节 热力循环
• 工质从某一初态出发，经历一系列热力状态后，又回 到原来初态的热力过程称为热力循环，即封闭的热力 过程，简称循环。
1、正循环（动力循环）(顺时针方向)
吸热q1，放热q2，对外作功wnet ， 且wnet = q1 - q2，热效率为ηt
η t= wnet / q1
2、逆循环（制冷循环） (逆时针方向)
• 温标： 热力学第零定律是温标的理论依据。
a、热力学温标: 水的三相点为 273.16 K,单位“开尔 文” 是水有三相点温度的1／273。16
T 单位 K， T = 273.15 + t b、摄氏温标
水的三相点为0.01 ℃，水的标准沸点为100 ℃。 t 单位 ℃ t = T - 273.15
放热q1，吸热q2 ，外界输入功wnet ， 且wnet = q1 - q2，制冷系数为ε
ε= q2 / wnet
西安交大热工基础课件
热与流体研究中心 36
热工基础
（2）压力 p 物理中压强，单位: Pa , N/m2 常用单位：
1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa
热与流体研究中心
37
热工基础
压力的测量
热与流体研究中心
热工基础
第二章热能转换的基本概 念和基本定律
热与流体研究中心
1
热工基础
本章基本要求
掌握工程热力学中一些基本术语和概念：热 力系、平衡态、准平衡过程、可逆过程等。 掌握状态参数的特征，基本状态参数p、v、 T 的定义和单位等。掌握热量和功量这些过 程量的特征，并会用系统的状态参数对可逆 过程的热量、功量进行计算。 了解工程热力学分析问题的特点、方法和步 骤。
38
热工基础
绝对压力与相对压力
当 p > pb
当 p < pb
表压力 pg 真空度 pv pg
P Pg P b
p pb pv
p
pv
pb p
热与流体研究中心 39热工基础Fra bibliotek环境压力与大气压力
环境压力指压力表所处环境 注意：环境压力一般为大气压，但不一定。 大气压随时间、地点变化。 物理大气压 1atm=760mmHg 当h变化不大，ρ常数 1mmHg=ρgh=133.322Pa 当h变化大，ρ ρ(h)
热平衡状态：系统的温差消失的平衡状态 力平衡状态，化学势平衡状态
系统内部与外界之间平衡势差消失 系统平衡
平衡的本质：不存在不平衡势
热与流体研究中心 21
热工基础
平衡与稳定 稳定：参数不随时间变化
第二章 热能转换的基本概念和基本定律
热源、冷源和工质
• 热源：
–无限大的热库，吸入热量和放出热量后，温度 不变。
• 分为：
–高温热源—热源 （heat source，QH/Q1） –低温热源—冷源（heat sink，QL/Q2） –恒温热源(constant heat reservoir) –变温热源
• 工质(working substance; working medium)：
• 理想化的热力过程：
• 准平衡（准静态）过程 • 可逆过程
• 准平衡（准静态）过程(quasi-static process; quasi-equilibrium process)：
– 如果造成系统状态改变的不平衡势差无 限小，以致该系统在任意时刻均无限接 近于某个平衡态，则称这样的过程为准 平衡（准静态）过程。
• 处于平衡态的热力系，各处应具有均匀 一致的温度、压力等宏观物理量。即处于 平衡态的热力系可用确定的压力、温度等 宏观的物理量来描述。
• 实现热力平衡态的条件/平衡的本质——不 存在不平衡势：
– 温度平衡——无温差→热平衡。 – 压力平衡——无压差→力平衡。
→ 热力平衡的充要条件——系统同时达到热 平衡和力平衡。
• 边界(boundary)：
– 系统与外界的分界面 （线）。
• 系统与外界的作用（物质/能量的交换与传 递）都通过边界。
• 边界可以是真实或虚拟的, 也可以是固定或 移动的。 • 作为系统的边界，可以是这几种边界面的 组合。 • 系统因此也可以是固定或运动的。
• 固定边界
• 移动边界 • 真实的边界 • 假想的空间界面
p g 称为表压（压力表） p v 称为真空度（真空表）
• 压力表常用单位：MPa
热工转换基础知识
第一类永动机是不可能被成功地制造的。在热能与其他能量的 相互转换过程中，能的总量保持不变--遵循能量守恒原则。
1kg气体由状态1变化到状态2所经历的过程中，如果气体与外 界交换的热量为q1-2，机械功为w1-2，内能的变化量为u2－u1， 三者之间的平衡关系可用能量平衡方程表示为:
式中：dq——单位量的物质在温度变化dT 时吸收或放出的热量。 1kg气体的温度变化dT 时，吸收或放出的微元热量dq为:dq=cdT 1kg气体的温度从T1 T2时，吸收或放出的热量q为: mkg气体的温度从T1 T2时，吸收或放出的热量Q为:
规定:气体从外界吸收热量为正，向外界放出热量为负。 注意：功和热量都不是状态参数。
2. 系统有足够时间恢复平衡
可逆过程
• 可逆过程:若系统完成某一过程之后，可再 沿原来的路径回复到起始状态，并使相互 作用中涉及的外界也回复到原来状态，而 不留下任何变化
1. 严格按照原来的路径返回起始状态 2. 过程中不存在任何耗散损失
• 可逆过程就是无耗散效应的准静态过程
可逆过程与准静态过程区别
1kg气体容积（即比体积）的微小变化量为:
dv = Adx
1kg气体对外界所作的微元功为:
δw= Fdx =pAdx = pdv w v2 pdv
1kg气体对外界所作的功为:
v1
若汽缸内的气体为mkg，其总容积V=mv，
则mkg气体从状态1变化到状态2对外所作
的功为:
W mw
v2 pmdv
Fu1/1
一、功、热量和内能
3．内能 气体的内能是指气体内部所具有的各种能量的总和，由气体分 子运动的动能和分子间位能组成。 内能是气体的状态参数。 对于理想气体，因假设其分子间没有引力，其位能为零，所
六年级科学热能转换知识点
六年级科学热能转换知识点热能转换是物质内部的能量转化为热能或者热能转化为其他形式能量的过程。
了解热能转换对于我们理解能源的利用和环境保护等方面都有着重要的意义。
在本文中，我们将介绍六年级科学中关于热能转换的几个重要知识点。
1. 热能的来源和转化热能可以来自太阳、人体活动、燃烧、电能等多种形式。
我们常见的热能转化过程包括燃烧释放热能、太阳辐射热能、电能转化为热能等。
我们可以将热能利用在日常生活中，比如利用热能加热水、加热食物等。
2. 热能的传导、传输和辐射热能的传导是指物质内部由高温区向低温区传递热能的过程。
热能的传输是指热能通过物体之间的接触传递的过程，比如热水的流动传递热能。
热能的辐射是指热能以电磁波的形式传播的过程，例如太阳向地球传递热能。
3. 热量的计量单位和测量方法热量是热能的量度，国际单位制中使用焦耳（J）来表示。
我们可以利用热量计来测量热能的大小。
热量计通过测量物体受热前后的温度变化来计算热量的大小。
4. 热能与机械能的转化热能和机械能之间可以相互转化。
例如，蒸汽机将水中的热能转化为机械能，而发电机则将机械能转化为电能。
这种转化过程中，热能可以通过蒸汽、燃烧等方式转化为机械能，而机械能也可以通过发电机、涡轮等方式转化为其他形式的能量。
5. 能源的利用与环境保护热能是人类利用的重要能源之一，但是能源的利用也会对环境造成一定的影响。
燃烧过程产生的废气、废水和固体废弃物都会对环境造成污染。
因此，我们需要通过科学合理地利用热能和其他能源，以及采取环境保护措施来平衡能源利用和环境保护之间的关系。
6. 热能转换的应用热能转换在日常生活和工业生产中有着广泛的应用。
例如，利用太阳能的热能转换技术可以用于太阳能热水器和太阳能电池板。
利用火电站等能源设施可以将热能转化为电能，满足人们的日常生活和工业生产的需求。
总结：六年级科学中，我们学习了热能转换的一些重要知识点。
我们了解了热能的来源和转化，热能的传导、传输和辐射，热量的计量单位和测量方法，热能与机械能的转化，能源的利用与环境保护，以及热能转换的应用。
第二章 热能转换基本概念
(2)温标 ： 温度的数值表示法 经验温标 根据测温物质物性变化作为温标 热力学温标 建立在热力学第二定律基础上 单位：开尔文（K） t(C)=T(K)-273.15
热力学与传热学基础
c.比体积和密度 比体积：单位质量工质的体积 m3/kg 密度：单位体积工质的质量 kg / m3
答：系统经历一可逆正向循环及其逆向可逆循环后，系统恢复 到原来状态，外界没有变化； 若存在不可逆因素，系统恢复到原状态，外界产生变缸、活塞组成的系统经循环后，系统输出的功中 是否要减去活塞排斥大气功才是有用功？
答：不一定。主要看输出功的主要作用是什么，排斥大气功是 否有用
质组成，无化学反应，只与外界交换容积功-压缩功或膨胀功）， 工程上绝大多数系统都属于简单可压缩系。 • 均匀系统：内部各部分化学成分和物理'性质都均匀一致的系统， 是由单相组成的。 • 非均匀系统：由两个或两个以上的相所组成的系统。 • 单元系统：一种均匀的和化学成分不变的物质组成的系统。 • 多元系统：由两种或两种以上物质组成的系统。 • 单相系：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相 系。 • 复相系：由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成 的三相系统。
4）孤立系统：系统与外界既没有物质交换，也没 有热和功的交换
系统
边界
Q
A
B
T1
T2
图7 孤立系统内两物 体间的热传递
热力学与传热学基础
红线内 -闭口系 咖啡线内（不含电阻丝）-闭口系 绿线内 -闭口绝热系 蓝线内 -孤立系
热力学与传热学基础
四、根据系统内部状况划分 • 可压缩系统：由可压缩流体组成的系统。 • 简单可压缩系统：与外界只有热量及准静态容积变化（由可压缩物
热能和功的转化
热能和功的转化热能和功是物理学中非常重要的概念，它们与能量的转化和传递密切相关。
本文将介绍热能和功的定义、特点以及它们之间的转化关系。
一、热能的定义和特点热能是物体由于温度差而具有的能量。
当物体的温度升高时，其分子热运动的速度也增加，分子之间的相互作用增强，从而使物体的热能增加。
热能既可以转化为其他形式的能量，如机械能或电能，也可以从其他形式的能量转化为热能。
热能具有以下特点：1. 热能是一种宏观量，它与物体的温度和物质的热容量有关。
热能的单位是焦耳（J）或卡路里（cal）。
2. 热能是一种传递性能量，它可以通过热传导、热对流和热辐射等方式传递。
3. 热能是一种不可逆转的能量，根据热力学的第二定律，热能不能完全转化为其他形式的能量而不产生损失。
二、功的定义和特点功是物体由于外力作用而产生的能量转化。
当物体受到外力作用时，如果物体发生位移，则外力对物体做功。
功的大小等于外力的大小乘以物体移动的距离，并有正负之分。
功具有以下特点：1. 功是一种宏观量，它与外力的大小和物体位移的大小方向有关。
功的单位是焦耳（J）。
2. 功可以通过多种方式产生，如重力做功、摩擦力做功等。
3. 功是一种可逆转的能量，它可以由其他形式的能量转化为机械能。
三、热能和功的转化关系热能和功之间存在着紧密的转化关系。
根据能量守恒定律，能量既不能创造也不能消失，只能从一种形式转化为另一种形式。
热能可以转化为功，也可以从功转化为热能。
1. 热能转化为功：热能可以通过热机、蒸汽机等设备转化为机械能。
例如，在蒸汽机中，热能使水蒸发，产生高温高压的蒸汽，在气缸中蒸汽对活塞做功，将热能转化为机械能，推动机器运行。
2. 功转化为热能：当外力对物体做功时，物体的机械能会随着物体的运动而逐渐减少，而转化为物体的内能，即热能。
例如，摩擦力对滑动物体做功，摩擦力会使物体表面产生摩擦热，将机械能转化为热能。
热能和功的转化关系在生活和工业中都有广泛应用。
例如，蒸汽发电厂利用热能转化为功，将燃煤或核能转化为电能；汽车发动机利用燃烧产生的高温高压气体对活塞做功，将热能转化为机械能，推动车辆行驶。
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t >100％不可能
热二律否定第二类永动机
t =100％不可能
热机的热效率最大能达到多少？ 又与哪些因素有关？
14
3. 3. 2 2 卡诺循环与卡诺定理 卡诺循环与卡诺定理
既然 t =100％不可能
热机能达到的最高效率有多少？ 法国工程师 卡诺 (S. Carnot) 1824年提出 卡诺循环 效率最高
主要内容 主要内容
热力学第二定律 卡诺循环与卡诺定理 熵 孤立系统熵增原理
6
3. 1 热力学第二定律与热力过程的方向性
一、热力过程的不可逆性（方向性）
热功 功 转换 热 热 传 导 高温 低温
全部 全部 热量 热量
热 功 低温 高温 混合 分离
√
√
√
气体 分离 扩散 混合
7
q s s2 s1 T 1
熵变与路径无关，只与初终态有关
于19世纪中叶首先克劳修斯(R.Clausius)引入，式中S从 1865年起称为entropy，由清华刘仙洲教授译成为“熵”。
34
熵的物理意义 熵的物理意义
定义：熵
Qre dS T
比熵
q re ds T
热源温度=工质温度
1
比参数 [kJ/kg.K]
ds: 可逆(reversible)过程 qrev除以传热时的
T所得的商
清华大学刘仙洲教授将其命名为“熵”
30
熵的 说明 熵的说明
1. 熵是导出的状态参数 2. 熵的物理意义：体现了可逆过程传热的大 小与方向 3. 符号规定: 系统吸热时为正，Q > 0, dS > 0 系统放热时为负，Q < 0, dS < 0 4. 用途：判断热量方向 计算可逆过程的传热量
q2 q2 c w0 q1 q2
s1
T2 s2 s1 T1 s2 s1 T2 s2 s1
T2 T1 T2
c c
21
卡诺逆循环 卡诺逆循环 卡诺制热循环 卡诺制热循环
T T1 T1
制热
q1 s2 s Rc w q2 T2
T2 s1 q q 1 c' 1 w0 q1 q2 T1 s2 s1 T1 s2 s1 T2 s2 s1
T1 1 T1 T2
T1 T2
´c ´c
22
三种 卡诺循环 三种卡诺循环
T T1
制热 动力
T1 T2
T0
制冷
T2 s
23
卡诺定理（ 卡诺定理（Carnot Carnot theorem theorem） ）
定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所 有热机，可逆热机的热效率为最高 即在恒温T1、T2下
31
示功图与示热图 示功图与示热图
p
1
T Q W
1 2
2
示功图
V
温熵(示热)图
S
32
W
pdV
Q
TdS
熵的导出 熵的导出
q2 T2 对于卡诺循环： t c 1 q 1 T 1 1
q2 T2 q2 q1 或 q1 T1 T2 T1
取代数值：
q1 q2 0 T1 T2
热力学第二定律奠基人
15
卡诺循环 卡诺循环— — 理想可逆热机循环 理想可逆热机循环
1-2定温吸热过程， q1 = T1(s2-s1) 2-3定熵膨胀过程，对外作功 3-4定温放热过程， q2 = T2(s2-s1) 4-1定熵压缩过程，对内作功
16
卡诺循环 热机效率 卡诺循环热机效率
w q1 q2 q2 t 1 q1 q1 q1
T1 q1
卡诺循环热机效率
t,C
q2
Rc q2 T2
w
T2 s2 s1 T2 1 1 T1 s2 s1 T1
q1
19
卡诺循环 热机效率的说明 卡诺循环热机效率的说明
t,C
•
T2 1 T1
t,c只取决于恒温热源T1和T2，而与工质的性质无关 t,c
9
热二律与第二类永动机 热二律与第二类永动机
第二类永动机：设想的从单 一热源取热并使之完全变为 功的热机 T Q 第二类 永动机
1
W=Q
这类永动机 并不违反热力 学第一定律
但违反了热力 学第二定律
环境是个大热源 第二类永动机是不可能制造成功的
10
克劳修斯表述 克劳修斯表述
不可能将热量从低温物体传至高温物体 而不引起其它变化 空调：制冷、制热 代价：耗功 热量不可能自发 地、不付代价地从 低温物体传至高温 物体 T1（高） Q T2（低）
向熵增方向进行，熵值最大时停止 熵不再变化，系统达到平衡
处于平衡状态的孤立系统，其熵具有最大值
4. 过程如何进行有利 =0，可逆，不可逆损失 = 0
S isol
>0，不可逆，不可逆损失 > 0 熵增越小，越接近可逆过程，越有利
摩擦、不等温传热均为不可逆过程，导致能量品质降低
42
孤立系熵增原理举例 孤立系熵增原理举例(1) (1)
实际 循环与卡诺循环 实际循环与卡诺循环
卡诺热机只有理论意义，最高理想 实际上 T s 很难实现 内燃机 t1=2000oC，t2=300oC
tC =74.7% 实际t =40% 火力发电 t1=600oC，t2=25oC tC =65.9% 实际t =40%
回热t 可达50%
28
3.3 3.3 熵 熵（ （entropy) entropy)
w
11
两种表述的关系 两种表述的关系
开尔文－普朗克 表述 克劳修斯表述
完全等效!!! 违反一种表述，必违反另一种表述!!!
12
热力学第二定律的实质 热力学第二定律的实质
自发过程都是具有方向性的 表述之间等价不是偶然，说明共同本质 若想逆向进行，必付出代价
13
热一律与 热二律 热一律与热二律
2
S 2 S1 0
S isol 0
=：可 逆过程 >：不可逆过程
热力学第二定律表达式之一 结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变， 绝不能减小，这一规律称为孤立系统 熵增原理。
40
孤立系统熵增原理的应用 孤立系统熵增原理的应用
1. 判断过程进行的方向
S isol 0 S isol 0 S isol 0
——可以进行，不可逆 ——可逆过程 ——不可能进行
2. 非自发过程进行的条件 非自发过程是不可逆的 非自发过程的进行需要补偿 如果非自发过程独立进行，系统的总熵将减少 补偿过程是自发的，其熵增 ≥ 非自发过程的熵减
41
3. 自发过程可能进行的深度
S isol 0 当S isol 0时 当S isol 0时
取热源T1和T2为孤立系 T
Siso
T1
1 1 Q T2 T1
T1 Q
T2
Siso
S
T2
44
孤立系熵增原理举例 孤立系熵增原理举例(2) (2)
功热是不可逆过程
Siso ST1 S功源 Q 0 T1
T1 Q W 功 源
45
单热源取热功是不可能的
可逆时
dS 0 dS 0 dS 0
Q 0 Q 0 Q 0
熵的物理意义 熵变表示可逆 过程中热交换 的方向和大小
35
熵是 状态量 熵是状态量
Q 可逆循环 T 0
不可逆循环
ds 0
——无论是否可逆
S1a 2 S1b 2
p a 2
ds 0
的关系 S S与传热量 与传热量的关系
Q S 21 S 2 S1 12 T
=可 逆 > 不可逆 针对过程 < 不可能 热力学第二定律表达式之一 克劳修斯积分式
对于循环 =0
Q S T
不可逆绝热过程 Q 0 dS 0 除了传热, 还有其它因素影响熵
38
取热源T1和T2为孤立系
Siso
Q Q 1 1 ST1 ST2 Q T1 T2 T2 T1
T1 Q T2
当T1>T2 Siso 0 可自发传热 当T1<T2 Siso 0 不能传热 当T1=T2 Siso 0 可逆传热
43
孤立系熵增原理举例 孤立系熵增原理举例(1) (1)
热力学第二定律推论之一
卡诺定理给出热机的最高效率 热力学第二定律推论之二 熵反映方向性 熵与过程的方向性密切相关
29
熵（ 熵（ Entropy Entropy） ）的定义 的定义
熵的引入——比照功的计算公式，对于可逆过程 qre Tds
qre ds T
2
w pdv
qre Tds
,
• T1
T2
t,c
，
温差越大，t,c越高
• T1 = K, T2 = 0 K, t,c < 100%， 热二律 • 当T1=T2， t,c = 0, 单热源热机不可能
20
卡诺逆循环 卡诺逆循环 卡诺制冷循环 卡诺制冷循环
T T2 T1
制冷
T1 q1 s2 s Rc w q2 T2 T1 T2
S1a 2 S1b 2
熵变与路径无关，只与初终 态有关 S 21可逆 S 21不可逆 1 b
36
v
不可逆过程的熵 不可逆过程的熵
对于不可逆循环
q T 0 q T 0
p
q T 0
克劳修斯 不等式
a