工程热力学与传热学基础知识

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平衡的实质
不存在不平衡势
– 温差 （Temperature differential）— 热不平
衡势
– 压差 — 力不平衡势 – 相变 — 相不平衡势 – 化学反应 — 化学不平衡势
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（3）状态参数
用于描述系统平衡状态的物理量称为 状态参数，如温度、压力、比体积等。
状态参数的特点：
状态确定，则状态参数也确定，反之亦 然
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热力学温标（绝对温标）:
英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学 第二定律基础上建立，也称开尔文温标。 用热力学温标确定的温度称为热力学温 度，用符号T 表示，单位为 K（开）。 热力学温标取水的三相点为基准点，并 定义其温度为273.16 K。温差1K相当于水的 三相点温度的1/273.16。 热力学温标与摄氏温标的关系： 温差:1 K = 1 ℃ t = T – 273.15 K 27

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a.边界特性

假想的、实际的、固定的、运动的、可变 形的
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b.系统选取的人为性
过热器 锅 炉 汽轮机
只交换功
发电机
凝 汽 器
既交换功 也交换热
只交换热
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给水泵
2、Classification of system 热力系统分类

A、以系统与外界关系划分：
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（1）闭口系统 与外界无物质交 换的系统。系统的质 量始终保持恒定，也 称为控制质量系统。
第一篇 工程热力学
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第一章 基本概念

掌握热力系统、平衡状态、准静态过程、 可逆过程等基本概念。
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 过程量的特征。

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1-1热力系统（system）
热力系统(热力系、系统) ---人为分离出来的研 究对象。 外界--surrounding ：与系统发生质、能交换的 物系。 边界（boundary）：系统与外界的分界面 （线）。
Pv
Pb p
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p
绝对压力
p、大气压力pb、表压力pe、真空度pv
只有绝对压力 p 才是状态参数。
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常用非SI压力单位：
1 bar（巴） = 105 Pa 1 atm（标准大气压） = 1.013105 Pa
1 at （工程大气压） = 0.981105 Pa
1 mmH2O（毫米水柱） = 9.81 Pa 1 mmHg （毫米汞柱） = 133.3 Pa
A C
B
热力学第零定律是温度测量的理论依据 。 3）温标： 温度的数值表示法。 建立温标的三个要素： a . 选择温度的固定点，规定其数值；b. 确 定温度标尺的分度方法和单位；c. 选择某随 温度变化的物性作为温度测量的 依据。
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摄氏温标: 瑞典天文学家摄尔修斯（Celsius）于 1742年建立。用摄氏温标确定的温度称为摄 氏温度，用符号t 表示，单位为℃ 。 在标准大气压下，纯水的冰点温度为0 ℃ ，纯水的沸点温度为100 ℃，纯水的三相 点（固、液、汽三相平衡共存的状态点）温 度为0.01℃ 。 选择水银的体积作为温度测量的物性， 认为其随温度线性变化，并将0 ～100 ℃温度 下的体积差均分成100份，每份对应1 ℃。
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Pressure measurement 压力的测量
绝对压力、表压力与真空度 Absolute pressure、gage pressure and vacuum pressure

当 p > Pb 当 p < Pb
表压力 Pe 真空度 Pv Pe
p pe pb p pb pv
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（2）参数坐标图 以独立状态参数为坐标的坐标图。 在以两个独立状态参数为坐标的平面 坐标图上，每一点都代表一个平衡状态。
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课后作业
思考题1、2、3 练习题1、2、3、4

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闭口 系统 边界Βιβλιοθήκη 外界7（2）开口系统 与外界有物质交 换的系统。系统的容 积始终保持不变，也 称为控制容积系统。
进口
（3）绝热系统 与外界没有热量交换的系统。 （4）孤立系统
出口
与外界既无能量（功、热量） 交换又无物质交换的系统。
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系统划分图例说明 1 开口系
1
W 4
m
2
1+2 闭口系
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实验：酒瓶受热
啤酒瓶受热爆炸 红酒瓶木塞受热向子弹一样发射

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实验结论
维持气体的比容不变，加热后，压力将 随温度的升高而增大； 当压力不变时，气体的比容随温度的升 高而加大； 如果比容和压力保持不变，则温度是个 定值

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（2）状态方程式 表示状态参数之间关系的方程式称为状 态方程式 。如：
p f (v, T ) F p, v, T 0
T f ( p, v)
上式称为状态方程，它们的具体形式 取决于工质的性质，一般由实验求出，也 可由理论分析求得。 例：理想气体状态方程
pv RT
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二、状态参数坐标图 （1）状态公理 对于和外界只有热量和体积变化功（膨 胀功或压缩功）的简单可压缩系统，只需两 个独立的参数（如p、v，p、T 或v、T）便可 确定它的平衡状态。
状态参数的积分特征：状态参数的变化 量与路径（path）无关，只与初终态（state） 有关
状态参数的微分特征：全微分
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状态参数的分类

Intensive properties强度参数：
– 与物质的量无关的参数。如压力 p、温度T

Extensive properties广延参数：
– 与物质的量有关的参数可加性。
国际单位制（SI）采用热力学温度T作 为基本状态参数。 4) 温度的测量
a. 接触式 水银温度计、酒精温度计 热电偶、电阻温度计等。 b. 非接触式 光学辐射高温计 激光全息干涉仪 CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法
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1-3 状态方程、参数坐标图

一、状态方程 对于由气体工质所组成的热力系，当处 于平衡状态时，热力系内各部分将具有 相同的压力、温度和比容等参数。
Q
1+2+3 绝热闭口系
1+2+3+4 孤立系
3
非孤立系＋相关外界 ＝孤立系
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热机：
能将热能转换为机械能的机器。 如蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机、内 燃机和喷气发动机等。
工质：
实现热能和机械能之间转换的媒介物质。 例如空气、燃气、水蒸气等。
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热源：
本身热容量很大，且在放出或吸收有 限量热量时自身温度及其它热力学参数没 有明显变化的物体。 例如锅炉、循环水池、大气等。
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2. 基本状态参数
工程热力学中常用的状态参数有压力、 温度、比体积、比热力学能、比焓、比熵等， 其中可以直接测量的状态参数有压力、温度、 比体积，称为基本状态参数。
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（1）压力 （ Pressure ） 单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）
F p A
单位 : Pa （帕），1 Pa =1 N/ m2 ， 1 MPa = 103 kPa =106 Pa
如质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S

比参数：具有强度参数的性质， 其单位：/kg /kmol
V v m
H h m
S s m
U u m
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区分参数类型的判据
m V T P ρ
½m ½V T P ρ ½m ½V T P ρ
Extensive properties Intensive properties
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（2）比体积 定义： 单位质量的工质所占有的体积，用 符号v表示，单位为 m3/kg 。
V v m
密度： 单 位 体 积 工 质 的 质 量 ， 用 符 号 表示，单位为 kg/ m3 。
v 1
比体积和密度二者相关，通常以比体积作 为状态参数 。 23
（3）温度
1）温度的物理意义
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平衡的类型
Thermal equilibrium （热平衡）----temperature Mechanical equilibrium（力平衡）----pressure Phase equilibrium （相平衡） Chemical equilibrium（化学平衡）----no chemical reactions 系统内部不存在热量传递，即各处的温度 均匀一致的状态称为热平衡状态。
温度是反映物体冷热程度的物理量。温度 的高低反映物体内部微观粒子热运动的强弱。 当两个温度不同的物体相互接触时，它们 之间将发生热量传递，如果没有其它物体影响， 这两个物体的温度将逐渐趋于一致，最终将达 到热平衡（即温度相等）。所以温度是热平衡 的判据 。 温度相等
热平衡
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2）热力学第零定律： 如果两个物体中的每 一个都分别与第三个物体 处于热平衡，则这两个物 体彼此也必处于热平衡。
提供热量的热源称为高温热源；吸收 热量的热源称为低温热源。
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1-2 状态和基本状态参数
1. 热力状态和平衡状态
（1）热力状态（ State ）
系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状 况称为系统的热力状态，简称状态。 （2）平衡状态（ Equilibrium） 在不受外界影响的条件下（重力场除 外），如果系统的状态参数不随时间变化， 则该系统处于平衡状态。