热工基础__第二章能量转换的基本概念和基本定律.
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。
《热工基础及应用》第3版知识点汇总
《热工基础及应用》第3版知识点第一章 热能转换的基本概念本章要求：1.掌握研究热能转换所涉及的基本概念和术语；2.掌握状态参数及可逆过程的体积变化功和热量的计算；3.掌握循环的分类与不同循环的热力学指标。
知识点：1.热力系统：根据研究问题的需要和某种研究目的，人为划定的一定范围内的研究对象称为热力系统，简称热力系或系统。
热力系可以按热力系与外界的物质和能量交换情况进行分类。
2.工质：用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。
3.热力状态：热力系在某瞬时所呈现的宏观物理状态称为热力状态。
对于热力学而言，有意义的是平衡状态。
其实现条件是：0,0,0p T μ∆=∆=∆=。
4. 状态参数和基本状态参数：描述系统状态的宏观物理量称为热力状态参数，简称状态参数。
状态参数可按与系统所含工质多少有关与否分为广延量（尺度量）参数和强度量状态参数；按是否可直接测量可分为基本和非基本状态参数。
5. 准平衡（准静态）过程和可逆过程：准平衡过程是基于对热力过程的描述而提出的。
实现准平衡过程的条件是推动过程进行的不平衡势差要无限小，即0p ∆→，0T ∆→（0μ∆→）。
6、热力循环：为了实现连续的能量转换，就必须实施热力循环，即封闭的热力过程。
热力循环按照不同的方法可以分为：可逆循环和不可逆循环；动力循环（正循环）和制冷（热）循环（逆循环）等。
动力循环的能量利用率的热力指标是热效率：0=t H W Q η；制冷循环能量利用率的热力学指标是制冷系数：L 0=Q W ε。
第二章 热力学第一定律本章要求：1. 深入理解热力学第一定律的实质；2. 熟练掌握热力学第一定律的闭口系统和稳定流动系统的能量方程。
知识点：1. 热力学第一定律：是能量转换与守恒定律在涉及热现象的能量转换过程中的应用。
热力学第一定律揭示了能量在传递和转换过程中数量守恒这一实质。
2. 闭口系统的热力学第一定律表达式，即热力学第一定律基本表达式：Q U W =∆+。
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 。
“热工基础”课程教学大纲
“热工基础”课程教学大纲课程编号：学时：48 （理论学时：44 实验学时：4 课外学时：58）学分：2.5适用对象：机械工程与自动化、材料科学与工程、航空航天和工程力学等专业本科生先修课程：高等数学，大学物理一、课程性质和目的（100字左右）性质：基础理论目的：通过本课程学习，使学生掌握包括热能与机械能相互转换基本理论和热量传递规律两方面的热工理论知识，获得有关热科学的基本分析计算训练和解决有关热工工程问题的基本能力。
同时还应为学生对热学科的建模和问题的处理奠定基础。
二、课程内容简介（200字左右）热工基础是研究热现象的一门技术基础课程，主要讲授热能与机械能相互转换基本理论和热量传递规律，以提高热能利用完善程度的一门技术基础课，是机械学科、材料学科、航空航天和建筑等学科相关专业的一门必修课程。
本课程为学生学习有关专业课程和将来解决热工领域的工程技术问题奠定坚实的基础。
三、教学基本要求1．掌握热能和机械能相互转换的基本规律(第一、第二定律)，以解决工程实际中有关热能和机械能相互转换的能量分析计算和不可逆分析计算；2．掌握包括理想气体、蒸气和湿空气在内的常用工质的物性特点，能熟练应用常用工质的物性公式和图表进行物性计算；3．掌握不同工质热力过程和循环的基本分析方法，能对工质的热力过程和循环进行计算，具有解决实际工程中有关热能转换的能量分析和计算能力；4．掌握包括导热、对流换热、辐射换热三种热量传递方式的机理，进而掌握热量传递的基本规律和基本理论；5．能对较简单的工程传热问题进行分析和计算，具有解决较简单的传热问题，尤其解决是与力学分析有关的传热问题的能力。
四、教学内容及安排0绪论（能源概述）1、内容:能源和热能利用的基本知识：本学科研究对象，主要研究内容和方法。
2、要求：使学生掌握本学科的研究概况；了解能源和热能利用的概况，能源利用和社会、经济可持续发展的关系，节能的重大意义；正确认识、理解本课程与专业的关系。
热工基础第二章
13
对于单位质量工质， 对于单位质量工质，
1 2 q = ∆h + ∆ cf + g ∆z + ws 2
以上两式称为开口系统的稳定流动能量方程。 以上两式称为开口系统的稳定流动能量方程。 开口系统的稳定流动能量方程 对于微元过程 ，稳定流动能量方程写成
1 2 δQ = dH + mdcf + mgdz + δWs 2 1 2 δq = dh + dcf + gdz + δws 2
q = ∆h + ws
1. 热交换器
( wt = ws )
q = h2 − h1
2. 动力机械
( ws = 0 )
(q = 0)
21
ws = h1 − h2
3. 绝热节流
( q = 0 , ws = 0 )
h1 − h2 = 0
注意：绝热节流过程不是定焓过程 定焓过程。 注意：绝热节流过程不是定焓过程。 本质上存在摩擦和涡流， 不可逆过程， 本质上存在摩擦和涡流 ， 不可逆过程 ， 工质 处于非平衡状态，节流为不稳定流动。 处于非平衡状态，节流为不稳定流动。 22
5
2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式 Q ∆U W
Q − W = ∆U = U 2 − U 1 Q = ∆U + W
对于微元过程， 对于微元过程，
δQ = d U + δW
6
对于可逆过程， 对于可逆过程，
δQ = dU + pdV
Q = ∆ U + ∫ pdV
1 2
对于单位质量工质, 对于单位质量工质,
3
2. 宏观动能 ：Ek ，单位为J或kJ 单位为J
热工基础-2-(3)热力学第二定律-
热工基础—第2章
1、分析热力过程的方向性 （1）有限温差传热
只要Q=Q，B向 A传热并不违反第一
Q
Q'
定律（总热能不变）
（2） 功热转化
重物下落，水温升高是可行；
而反方向让水温下降，重物升高？ 只要使重物位能增加=水内能减少，不违 反第一定律。 △U＋W＝0
热工基础—第2章
（3） 电热转化
电流通过电阻，产生热量是可行；
温度为：
Te - Th - Tg
放热热源温度为：
Tg－TL－Te
在吸热和放热过程中，工质随时保持与热
源温度相等（进行无温差可逆传热）。
⑴对变温热源处理为——多热源可逆循环 变温热源——简化为无
穷多个宽度为ds的微元
可逆循环，（对每个小
循环可认为是温度相差
无限小的恒温吸热和恒 温放热，即组成多热源
可逆卡诺循环。
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。
但对电阻加热，电阻内产生电流？ 只要使产生的电能=加入的热能，不 违反第 一定律。
Q＝电能
除上述比较典型的例子外,还有许多例子可以 说明热力过程的方向性，如：气体自由膨胀、混
合过程等。
有些热力过程可以自动发生,有些则不能。 结论： 在自然界中,热力过程若要发生, ①必然遵循 热力学第一定律； ②但满足热力学第一定律的热
每一个不可逆微元循环，其热效率η t＜η
《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。
热工基础
工程热力学一、基本概念（一）工质及其状态参数1、工质：实现热能与机械能相互转换的工作介质（如：水蒸汽）。
工质的状态：工质在某一瞬间宏观的物理特性。
2、工质的状态参数：描述工质状态的物理量。
常见的状态参数：温度T、压力P、比容c、内能U、焓H、熵S（1）压力：单位面积上所受的垂直作用力，p=F/A，符号为p，单位是帕斯卡，表示为“Pa”，1Pa=1N/m2，工程上常用MPa，1Mpa=10Pa，此外，还有at、atm，mmHg等。
压力的测量：压力表数据与工质实际压力的关系：（我们用p表示绝对压力，p b表示大气压力，p g表示压力表读数）绝对压力：容器内工质的的实际压力，用符号p表示；表压力：工质的绝对压力与大气压力的差值，用p g表示。
p=p b时，p g=0 p＞p b时，p=p b+p g p＜p b时，压力表（真空表）上读数称为负压或真空，p v表示，p=p b-p v电厂中有时用真空度表示真空值的大小，称为真空度。
（2）内能：内部所具有的各种微观能总和，用符号“U”表示，单位为J或kJ，U=f （T，v）主要包括：分子内动能：主要由分子不规则热运动引起，是温度的函数；分子内位能：分子间存在着作用力，与分子之间距离有关，是比容的函数。
由于内能取决于工质的温度与比容，因此，内能是状态参数（3）焓：焓为内能与流动功的总和，用H或h表示，单位为J或kJ，h=u+pv；焓是状态参数；（4）熵：ds=dq/T，单位：J/（kg.k）或kJ/(kg.k)，熵为状态参数，热力学中常用ds的正负来判断热量的大小、方向：ds＞0，q＞0，吸热；ds＜0，q＜0，放热；ds=0，q=0绝热。
3、膨胀功及p-v图4、热量及T-S图（二）热力学第一定律：热可以变为功，功也可以变为热；当一定量的热消失，必产生与之数量相当的功，消耗一定量的功，必产生相当数量的热。
热力学第一定律解析式及应用q=Δu+w（1kg工质）q：系统吸收或放出的热量。
热工基础-2-(1)热力学第一定律
q dh wt
Q H Wt
q h vdp
1
2
q dh vdp
Q H Vdp
1 2
Q dH Wt
Q dH Vdp
例题2-1： 汽轮机的进口蒸汽参数为: P1=9.0MPa ,
t1=500℃,h1=3385.0 kJ/kg, c1=50m/s;
系统。 ② 对闭口系统而言，焓仅是一复合的状态参数。
四、稳流系统的能量方程
有m1微元工质流入进口截面1－1，
有m2微元工质流出出口截面2－2，
系统从外界接受热量Q ；
系统通过机器轴输出功Wsh为轴功。
工质从进口到出口，从状态1膨胀到2，总功为 Wtot，开口系输出外界的功量(轴功Wsh)应为总功
Wtot与流动功(Wf)之差: Wsh=Wtot-Wf ,即：
q u w pdv
1
2
！！注意：应用以上这些能量方程解 题时一定要注意统一单位与功热的正 负号！！
例题： 一刚性绝热容器内储有气体，通过电 阻器向气体输入300kJ的能量，如下图所 示，问气体的热力学能变化为多少？
解：方法1：取容器内气体和 电阻器为系统，这是一个闭 口绝热系统，有： Q U W 经分析：Q=0；W=-300kJ，则U W 300kJ 方法2：取容器内的气体为系统，它是一个闭 口系统， 故能量方程不变，但系统与外界能 量交换形式变化了： Q=300kJ，W=0；
Wtot Wsh W f Wsh ( pV )
另外，由于是稳定流动，故：
Esy 0
并且有：
(e m
2
2
e1 m1 ) (e2 e1 ) m (e2 e1 )m
信息化教学设计在车辆工程专业“热工基础”课程中的应用
分析 计算 ， Ｊ 、 合ｆ 组 １ 能够正确分析给出热力系统的 工作情 况、说 明原理 全部做 对 小 组分 工 明 确 ， 调 动 所 有 成 员 能 积 极投 入 交流、协作好。
，
做对 ８％以上 Ｏ
做对 ８ ％以上 Ｏ 做对 ８ ％以上 ０
能够说明原理 ， 分析给 出热 力系统的 工作情况部分正确 做对 ８ ％以上 Ｏ 小 组 分 工 比较 明 确 ， 调 动 成 员积 极 能 性 ， 流 、协 作 比较 好 。 交
（） ３．
【】 振 宽 ． 代教 育技 术 ［ ． ３ 潘 现 Ｍ］ 山东 大 学 出 版 社 ， ０ ８ ２０ ． 【］ 秦 生 ． 工 基础 与 应 用（ ２ ） ． ４ 社 ， ０ ７． ２０
释 为 什 么 第 ： 永 动 机 无法 制 成 。 二类
一
一
参 考 文 献
［】陈梅 倩 ， ．工 程热 力学 ） １ 等 （ 课程 教 学方 法 的 研 究 与实 践［ 】 中 国 电 力 教 育 ， ０ ８ Ｊ． ２ ０ （） １． ［］何 雅 玲 ， ２ 陶文 铨 ． 我 国热 工 基础 课 程 对 发展 的一 些思 考［］ 中国大学 教 学 ， ０ ７ Ｊ． ２ ０
３结 语
本 文 针 对 车 辆 工程 专业 “ 工基 础 ” 热 课 程 的特 点 ， “ 量转 换 的 基 本 概 念和 基 本 以 能 定律” 节为例 ， 行了信息化教学设计 ， 章 进 希望能够借助先 进的信息化 教学工具 ， 提 高 学 生 的 学 习 主 动性 ， 发 学 习兴 趣 ， 激 以便 更 好的学习该课程 。
热工基础课程教学大纲
《热工基础》课程教学大纲英文名称：Basis of Heat Energy Engineering一、课程说明1．课程性质《热工基础》是机械类专业的主干技术基础课程，是机械设计制造及其自动化专业、农业机械化及其自动化专业的必修专业基础课。
2．课程的目的和任务：学习本课程可使学生认识到在能源危机日趋严重的情况下节能工作的重要性，了解并掌握有关能量转换和热量传递规律方面的知识，探索提高各种热工设备热效率的技术措施，使学生能在各自以后的工作岗位上有效地开展节能技术改造工作，这是培养复合型工程技术人才科学素质的一个不可缺少的环节。
3．适应专业：本大纲适用于机械设计制造及其自动化专业、农业机械化及其自动化专业。
4．学时与学分：总学时为40学时，2学分。
5．先修课程：学习本课程，首先应学好基础课程，如《大学物理》、《流体力学》、《高等数学》等课程，这样才能很好地理解和掌握本课程的内容。
另外，学好本课程，也可为学习后续的《汽车拖拉机》、《食品工程原理》、《农产品加工机械与设备》、《农产品干燥技术》等专业课程打好基础。
6．推荐教材或参考书目：（含教材名，主编，出版社，出版年份）傅秦生，何雅玲，赵小明编著《热工基础与应用》，机械工业出版社，2003主要参考书目：蒋汉文主编（同济大学），《热工学》，高等教育出版社（第二版），1999王补宣主编，《热工基础》，高等教育出版社，1998张壁光，乔启宇编，《热工学》，中国林业出版社，1997陶文铨，李永堂主编，《工程热力学》，武汉理工大学出版社，2001朱明善等，《工程热力学》，清华大学出版社，1998曾丹苓等，《工程热力学》，高等教育出版社，19877．主要教学方法与手段：本课程主要采取课堂讲授的方法，部分章节辅以多媒体教学，加强直观感受和对实际热工设备工作过程、工作原理的理解。
8．考核方式：（说明，成绩评定办法）实行结构分，采取平时考核与考试相结合的方式，平时考核包括上课考勤、作业、实验等，占30%，考试成绩占70%。
热工基础(2.3.1)--热力学第二定律(第2版)
热工基础
第三节 热力学第二定律
三、 卡诺循环 (Carnot Cycle) 和卡诺定律
1. 卡诺循环
单热源的热机不可能实现，双热源热机可由卡诺循环实现。 卡诺循环是由两个定温过程和两个定熵过程组成，且假定均是可逆过程。HR1 Nhomakorabeap
Q1
E
W
Q2 HR2
a
q T1
1
ws2 2
b w1
d
s1
q T2 2
威廉 · 汤姆逊（ William Thomson ， Lord Kelvin ， 1824 ~1907 ），英国数学物理学家、发明 家，热力学的主要奠基人之一。 1848 年创立了热 力学温标； 1851 年提出热力学第二定律； 1852 年发现了焦耳－汤姆逊效应。
普朗克（ Max Planck ， 1858~1947 ），德国物 理学家，量子力学的创始人，博士论文《论 热力学的第二定律》，在 1918 年获得 Nobel 物 理 学 奖 。 热热流流科科学学与与工工程程教教育育部部重重点点实实验验室室 KKeyeyLLababoorartaotoryryoof fTThheremrmoo-F-FluluididSSciceinenceceananddEEnngginineeereirninggoof fMMOOEE
二、热力学第二定律的表述
热力学第二定律的描述有许多种，主要介绍克劳修斯说法和开尔文说法
。1. 克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化
。
至高温物体。
或 ： 热不可能自发的、不付代价的从低温物体传
It is impossible to construct a device that operates in a cycle and produces no effect other than the transfer of heat from a lowertemperature body to a higher-temperature body.
热工基础课件
热与流体研究中心
24
热工基础
常用状态参数
压力P、温度T、体积V、热力学能U、 焓H和熵S，其中压力、温度和体积可直 接用仪器测量，称为基本状态参数。其余 状态参数可根据基本状态参数间接算得。
热与流体研究中心
27
热工基础
强度量与广延量
强度量：与系统质量无关，如P、T。强度 量不具有可加性。
广延量：与系统质量成正比，如V、U、H、 S。广延量具有可加性。广延量的比参数 （单位质量工质的体积、热力学能等）具有 强度量的性质，不具有可加性。
排入大气
热与流体研究中心
5
热工基础
燃气轮机装置示意图
热与流体研究中心
6
小型燃气轮机
热工基础
热与流体研究中心
7
热工基础
热与流体研究中心
8
热工基础
热与流体研究中心
9
热工基础
蒸汽动力装置（流程图）
热与流体研究中心
10
热工基础
比较上述两种热机
不同点：构造和工作特性不同。 相同点： 存在某一种媒介物质以获得能量；
（如内燃机中混合气，蒸汽机中的水） 存在能提供热能的能量源； 余下的热能排向环境介质。
结论：
各种形式的热机都存在以下几个相同的热力过 程：吸热、膨胀作功和排热。
热与流体研究中心
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热工基础
名词定义：
工质（working substance; working medium ）:
实现热能和机械能相互转化的媒介物质。 ① 膨胀性；② 流动性；③ 热容量；④ 稳定性、安全性； ⑤ 环保性能；⑥价格。因此，物质三态中气体最合适。
热源（heat source; heat reservoir）:
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
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(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。
热是一种能量，机械能可以转变为热能，热能也可以转 变为机械能，在转变过程中保持量的守恒。
二 热力学能和系统的总能量
1、热力学能
热力系所储存的能量可分为外部能量和内部能量： (1)、外部储存的能量: 系统由于宏观运动所具有的能量。 动能 Ek 势能 Ep 。
2、开口系统的能量方程式
(1)、稳定流动系统的能量方程 稳定流动： 流动过程中开口系内部的状态参数（热力学参数和动 力学参数）不随时间变化的流动称为稳定流动。
稳定流动时必有
m1 m2 m
ECV 0
稳定系统的能量分析： 进入系统的能量：
1 2 Q E1 p1V1 Q m1 (u1 c1 gz1 ) m1 p1v1 2 离开系统的能量： 1 2 E2 p2V2 Wsh m2 (u2 c2 gz2 ) m2 p2v2 Wsh 2
• 压力的测量（1）
• 当 p > pb 时 ，p = pb + pg
当 p < pb 时， p = pb - pv
p g 称为表压（压力表） p v 称为真空度（真空表）
• 压力的测量（2）
p = pb + ppb – ρgh
pg: 表压
pv：真空度
单位：Pa
• 其它非国际制压力单位： 标准大气压 atm： 1 atm = 101325 Pa 工程大气压 at (kgf/cm2);： 1 at = 9.8067×104Pa 巴 bar，毫巴mbar 1 bar ＝1000 mbar＝105 Pa 毫米汞柱 mmHg： 1mmHg＝133.32 Pa 毫米水柱 mmH2O： 1mmH2O＝9.8067 Pa
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
由于m1=m2=m, 整理上式得
1 2 Q m(u2 p2 v2 c2 gz2 ) 2 1 2 m(u1 p1v1 c1 gz1 ) Wsh 2 令 H U pV 代入上式得 1 Q H mc 2 mg z Wsh 2 1 Q dH mdc 2 mgdz Wsh 2 (2 31) (2 31a )
(2)、推动功和流动功 推动功： 由于工质移动而传递的功称为推动功： pV 流动功： 用于维持流动所需要的功：Δ(pV)=p2V2－p1V1 (3)、焓的定义及物理意义
(2)、内部储存能量: 系统内部分子运动的内动能、相互作用的内 位能及维持分子结构的化学能和原子核内部的原子能等。 这些能量总称为热力学能。
内势能(T、v) 热力学能 U 化学能 原子核能 内动能(T )
在无化学反应和核反应的简单可压缩系统中
热力学能 U 内势能(T、v) 内动能(T )
第二章 能量转换的基本概念 和基本定律
第一节
一 热力系和工质
基本概念
1、热力系 热力学中所研究的对象称 为热力学系统，简称热力系。
常见的热力系 (1)、闭口系：热力系与外界没有物质交换。（C.M)
(2)、开口系：热力系与外界有物质交换。 (C.V) (3)、绝热系：热力系与外界无热量交换。 (4)、孤立系：热力系与外界既无能量交换又无物质交换。 (5)、简单可压缩系：热力系与外界只有一种体积变化功的交换。 (6)、热源：无限大的热库，吸入热量和放出热量后，温度不变。
对上式两边同除以 m 得
1 2 2 q (h2 h1 ) (c2 c1 ) g ( z2 z1 ) wsh 2 1 2 q h c g z wsh 2 1 2 q dh dc gdz wsh 2
(2 32) (2 32a)
热力学能 U 比热力学能 u =U/m 单位 : J 或 kJ 单位 : J /kg 或 kJ/kg
•
由热力学能所包含的能量形式可知，热力学能是状态参数。 比热力学能可表示为：
u f (T , v) 或 u f (T , p); u f ( p, v)
根据状态参数的特点可有：
(2-23)
四 准平衡态过程和可逆过程
1、准平衡态（准静态）过程 ● 定义：由一系列偏高平衡态不远 的状态组成的热力过程称为准平衡 态过程。 ● 准平衡态过程的实现过程 过程进行得非常缓慢，平衡破 坏后能自动恢复平衡，且恢复需时 间（弛豫时间）很短，过程中随时 都不致远离平衡状态。 准平衡态过程就可在p - v图上 用连续曲线表示。
du 0
dU 0
2、系统的总能量
E U Ek E p
1 2 Ek mc f ; E p mgz 2
1 2 e u ek u p u cf gz 2
三 热力学第一定律的能量方程式
根据热力第一定律，对于一个任意热力系统，能量方程可写成 进入系统的能量－离开系统的能量＝系统能量的增加 （2－9）
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。
五 功和热量
功和热量是热力过程中系统与外界交换的不同形式的能量。 1、功（膨胀功或体积功） W ：表示系统与外界交换的膨胀功(外界得到的膨胀功量）。 根据功的定义，功可表示为 Fdx或∫Fdx 对于热力系 F · = pA · = pdV dx dx
•问题: 对于一个准平衡态过程，过程中有确定的p、V，所以可 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 δw = pdv W = ∫12 pdV w = ∫12 pdv
●
实现准平衡态过程的条件是： 热平衡 Δ T→ 0 力平衡 Δ p→ 0
2、可逆过程（理想过程） • 定义 如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向返回 原来的状态，并使相互作用中所涉及到的外界也回复到原 来的状态，而不留下任何变化，则这一过程为可逆过程。 • 可逆过程＝准平衡态过程＋无耗散效应 （耗散效应：通过摩阻、电阻、磁阻等使功变为热的效应） 可逆过程不仅要求工质内部是平衡的，而且要求工质与 外界的作用可以无条件地逆复。
可逆过程时Wl=0
Wu,re pdV p0 (V2 V1 )
1
2
(1 13)
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 Q = ∫12 TdS δq = Tds q = ∫12 Tds • w和q都是过程量而不是状态量
•
实现热力平衡态的条件（无化学反应等其它不平衡势）： 温度平衡（热平衡）。 压力平衡（力平衡）。 • 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。
2、状态参数及其特点 • 状态参数； 描述热力系统所外状态的宏观物理量。 • 状态参数的特征： 只取决于状态，与过程（路径）无关。 • 数学特征
六 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) 放热q1，吸热q2 ，外界输入功wnet ， 且wnet = q1 - q2，制冷系数为ε
1、闭口系统的能量方程式
Q W E
当宏观的动能的势能的变 化可以忽略不计或系统静止 时ΔE＝ ΔU，则第一定律的 方程式可写成