工程热力学1

5）热力学摄氏温标：t=T-273.15
（二）压力
1、定义：单位面积上所受到的垂直作用力
2、压力的测量： 弹簧管式压力计
U形管压力计 压力变送器
3、压力的分类：
表压力pe 绝对压力p （作为工质状态参数的压力） 大气压pb：是地面上空气柱的重量所造成 真空度pv
4、各压力间的关系：
1）p＞pb时: p=pe+pb
b）pext<p →不平衡 →气体内部传热和 位移→平衡（这是 一个不平衡过程）
2、实现准平衡过程的条件
a) b) △p=(p - pext) →0 △T=(T - Text) →0
（二）、可逆过程和不可逆过程
1、定义：当完成了某一过程后，如果有可能使工质沿
同一相同的路径逆行而回复到原来状态，并使相互作 用中所涉及到的外界亦回复到原来状态，而不留下任 何改变，则这一过程就叫做可逆过程。相反，不满足 上述条件的过程为不可逆过程。
3、平衡状态下的工质
气体：气体内部各处的性质是均匀一致的，各处的 温度、压力、密度等状态参数都相同。 液体：压力随高度变化 汽液两相：不均匀 因此均匀不是系统处于平衡状态之必要条件。
（二）、状态方程式 T=f(p,v) （三）、坐标图
p
p=f(T,v)
T
v=f(p,T)
1
2
v s 平面坐标图上的任意一点，都相应于热力系的某一确 定的平衡状态，热力系每一平衡状态总可用坐标图上 的一点来表示。
2、热源：
高温热源（热源）：工质从中吸取热能的物体 低温热源（冷源）：接受工质排出热能的物体
3、热力系统：人为分割出来以作为热力学
分析的 对象。 外界：系统周围的物体 边界：系统和外界之间的分界面 边界可以是实际存在的，也可以是假想的。
边界可以是固定的，也可以有位移或变形。
热力系统的类型：
闭口系统（控制质量）:系统与外界只有热量或 功的能量交换而无物质 的交换 开口系统（控制容积）:系统与外界不仅有能量 交换而且有物质的交换 孤立系统：系统与外界既无能量交换又无物质 的交换 绝热系统：系统与外界仅限无热量交换
五、工质的状态变化过程
（一）准平衡过程 1、定义：若工质在平衡被破坏后能自动回复平衡，且
回复所需的时间，即驰豫时间又很短，又若过程进行得
缓慢，经历的时间和驰豫时间相比甚大时，则在过程中 工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致远离平衡状
态，这样的过程称为准平衡过程又称准静态过程。
右图为力的不平衡而进 行的气体膨胀过程。 a）环境压力pext等于 气体压力p
结论： 伴随着低温热源将热量传送到高温热源的同
时，必须有一机械能转化为热能的过程，这 是使热能从低温物体传至高温物体的代价， 或称补充条件。
逆向循环的经济性：
1、制冷系数：

2、热泵系数：
q2 w0


q2 q1 q2

'
q1 w0
q1 q1 q 2
3．可逆过程的热量
q Tds
q12 Tds
1 2
可逆过程的热量可用过程线下方的面积来表
示，T-s图又称示热图。
4、功和热量的比较:
七、热力循环
1、热力循环：由几个封闭的热力过程组成
2、热力循环的经济指标：
得到的收获 经济指标 花费的代价
3、可逆循环与不可逆循环
（一）正向循环、循环热效率 P-v图
v=V/m ρ=m/V 关系： v× ρ=1 单位： m3/kg 单位： kg/m3
2、密度：单位容积内物质的质量
3、重度：单位容积中物质的重量（工程单位制）
γ=G/V 单位： kg/m3
四、平衡状态、状态方程式、坐标图
（一）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，系统 的这种状态称为热力平衡状态，简称平衡状态。 热平衡：无热量传递 (实现条件) 力平衡：无相对位移 2、平衡状态与不平衡状态的转化 自发地趋于平衡状态 不平衡状态 平衡状态 系统受到外界的影响
mc BT 2
式中T是热力学温度，B是比例系数，c 是分子移动的均方 根速度。
2、温度的测量：
温度可用温度计测量,温度计的测温原理则利 用热力学第零定律：无论多少个物体互相接触都 能达到热平衡。将温度计分别和被测物体接触， 则在达到热平衡时，由温度计的示数即可知被测 物体的温度。
3、温标
1）摄氏温标：规定在标准大气下纯水的冰点是0℃，汽点是100 ℃，而℃则是摄氏温度单位的符号。用于公制系 统。 2）华氏温度：规定在标准大气压下纯水的冰点是32 °F，汽点是 212 °F，而°F则是华氏温度的符号。用于英制系 统。
三、工质的热力学状态及其基本状态参数
热力学状态：工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈
现的宏观物理状况
状态参数：用来描述工质所处状态的宏观物理量
物质的状态变化由参数的变化标志出来
基本状态参数：温度、压力、比容 导出状态参数：内能、焓、熵等
（一）温度
1、定义：温度是标志物体冷热的程度。
从微观上看，温度标志物质分子热运动的激烈程度。 对气体，它是大量分子平移动能平均值的度量，其关系式 为： 2
换算关系：
9 t F t c 32 5
3）、经验温标：由选定任意一种测温物质的某种物理
特性，采用任意一种温度标定规则所得到的温标。不能 作为度量温度的标准。
4）、热力学绝对温标：根据热力学第二定律的基本
原理制定的温标，和测温物质的特性无关，可以成为度 量温度的共同标准。国际单位制中采用热力学温标。热 力学温度单位是开尔文，符号为“K”。热力学温标的 基准点采用水的三相点，即水的固相、液相、汽相平 衡共存的状态点。把水的三相点温度作为单一基准点， 并规定该点的温度为273.16K。因此，热力学温度单位 “开尔文”是水的三相温度的1/273.16。
1、热能利用的过程：
燃烧设备 热动力机
燃料的化学能
热能 机械能 2、热动力装置：燃烧设备+热机+辅助设备 蒸汽动力装置（图1-2） 内燃动力装置（图1-1） 3、热机工作的共同点：气体或蒸汽都经过吸 热、膨胀作功、排热等热力过程
二、工质、热源、热力系统 1、工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质
pV mRgT
，其中压力的单位为Pa，体积V的单位为
m3，温度T的单位为K，质量m的单位为kg，气体常数Rg单位
为J／(kg· K)。
（二） 过程热量
1．热量：热力学中把热量定义为热力系和外界之间仅仅 由于温度不同而通过边界传递的能量。
2．热量的单位为J（kJ）。
约定：热力系吸热，热量为正“+”； 热力系放热，热量为负“-”。
2、微观的研究方法：气体分子运动学说
统计热力学 作用:对宏观研究方法的解释与弥补
第一章 基本概念


本章主要内容: 热能在热机中转变成机械能的过程 工质、热源、热力系统 工质的热力学状态极其基本状态参数 平衡状态、状态方程式、坐标图 工质的状态变化过程 热力循环
一、热能在热机中转变成机械能的过程
工程热力学的主要内容：
1、基本概念与基本定律
2、热力过程与循环
3、常用工质的性质
4、化学热力学
三、热力学的研究方法
1、宏观研究方法：以热力学第一定律、第二定律等
基本定律作为总的依据，并根据各项问题的具体条件， 推导出很多有用的公式，得出若干重要的结论。 工程热力学主要应用宏观研究方法，还普遍采用抽象、 概括、理想化和简化的方法。
p T 2 w0 3 n v e 5 T-S图 6
q1-q2=w0
7
1
8 f s
4
m
正向循环的效果：
（1）高温热源放出了热量q1； （2）低温热源获得了热量q2； （3）将(q1 – q2) = q0的热量转化为功w0 。
结论：从高温热源得到的热能，其中只有一部分可
以转化为功，在这部分热能转化为功的同 时，必有另一部分传向低温冷源，后者是 热能经过循环转化为功的必要条件，或称补 充条件。
W12 pdV
2 1
对1㎏工质:
1 w m pdV pdv
w12 pdv
2 1
w > 0 表示气体膨胀对外作功即膨胀功
容积功
w < o 表示外力压缩气体所消耗的功即压缩功
3、膨胀功和压缩功的特点
1）功是过程的函数 2）通称为容积变化功
4、功和比功的单位：J及KJ
例1—2 如图1—10所示，某种气体工质从状态1(p1,V1)可逆 地膨胀到状态2。膨胀过程中：(a)工质的压力服从p=a-bV，
2）p＜pb时: p=pb-pv
5、压力的单位：
帕斯卡（Pa）或牛/平方米（N/m2）
兆帕（MPa）或巴（bar） 1MPa=ຫໍສະໝຸດ 06Pa1bar=105Pa
毫米汞柱（mmHg）和毫米水柱（mmH2O）
pA=hAρg p=hρg h=p/(ρg)
（三）、比体积及密度
1、比体积：单位质量物质所占的容积
2、可逆过程的条件：
a）为准平衡过程 b）过程中无任何耗散效应
3、研究可逆过程的意义：可逆过程是一切实际过程
的理想极限，是一切热力设备力求接近的目标。
六、功和热量
（一）功
1、力学中功的定义
W Fdx
W12 Fdx
2 1
2、工质可逆过程的 膨胀功和压缩功
W Fdx pAdx pdV
其中a、b为常数；(b)工质的pV保持恒定为p1V1试分别求两
过程中气体的膨胀功。
例1-3 利用体积为2m3的贮气罐中的压缩空气给气球充气，开
始时气球内完全没有气体，呈扁平状，可忽略其内部容积。
设气球弹力可忽略不计，充气过程中气体温度维持不变，大 气压力为 0.9105 Pa 。为使气球充到2m3，问罐内气体最低 初压力及气体所作的功为多少?已知空气满足状态方程 式
正向循环的热效率：
t
w0 q1

q1 q 2 q1
1
q2 q1
（二）逆向循环 P-v图
p T 4 w0 2 m n v e f s 3 5 T-S图 8
q1-q2=w0
7
1
6
逆向循环的效果：
（1）低温热源放出了热量q2；
（2）消耗了机械能 w0 ，转化为热量，w0 = q0; （3）高温热源获得了热量 q1 ，q1 = q2 + w0 。
绪论
一、热能及其应用 1、自然界的能源种类：
煤、石油等燃料的化学能 ：燃烧产生热能 地热：直接以热能形式存在 原子核能：核反应产生热能 风能、水力以机械能形式直接利用
2、热能利用基本形式：
1）热能的直接利用 2）热能的动力应用
二、工程热力学的研究对象
工程热力学的研究对象：热能转化成机械能的规
律和方法，以及提高转化效率的途径。