工程热力学 第一章 基本概念

1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数
热能动力装置工质对外做功需要经过压缩、 吸热、膨胀、排热等状态变化过程
热力状态： 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。
平衡状态： 在没有外界作用的情况下，系统内部各处的
宏观性质均匀一致、不随时间而变化的状态称为 平衡状态。
状态参数：
冷凝器：向环 境放热，冷凝 为液体
膨胀机：通过节 流膨胀，压力降 低，温度降低
冷室吸热
上述各种燃气和蒸汽动力装置中，要实现能量 的转换和传递，需要的条件：
1）媒介介质 2）工作介质状态的变化：压缩、吸热、膨胀、 排热等过程
工质：实现热能和机械能之间转换的媒介物质。
对工质的要求:
1）膨胀性
2）流动性 3）热容量 4）稳定性，安全性 5）对环境友善 6）价廉，易大量获取
它们之间将发生热量传递，如果没有其它物 体影响，这两个物体的冷热程度将逐渐趋于一致， 最终将达到热平衡。
a) 热平衡定律（热力学第零定律）(1931年)
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。
AB C
既然两个独立的系统各自处于一定状态时是热 平衡的，那么，这两个系统具有一个共同的宏观性 质。可以用一个物理量－温度来描述。
热力学第零定律是温度测量的理论依据 。
b) 温度的物理意义
温度宏观上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。
对于气体：
mc2源自BT2B 3k
2
k为波尔兹曼常数 c 为分子移动的均方根速度
c) 温标：温度的数值表示法。 建立温标的三个要素： ① 选择温度的固定点，规定其数值； ② 确定温度标尺的分度方法和单位； ③ 选择某随温度变化的物性作为温度测量的 依据。
第一章 基本概念及定义
1-1 热能和机械能相互转换的过程
热能动力装置：
将燃料燃烧得到热能，以及利用热能得到 动力的整套设备（包括辅助设备）。
化学能
热能
机械能
热能动力装置分为两大类： 燃气动力装置（内燃机、燃气轮机） 蒸汽动力装置（蒸汽轮机）
5）压缩蒸汽制冷装置（机械能转换为热能）
压缩机：制冷 剂压力升高
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。
强度参数与广延参数
强度参数：与物质的量无关的参数
如压力P、温度T
广延参数：与物质的量有关的参数可加性
如质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S
比参数：
vV m
比容
uU m
比内能
h H m
比焓
s S m
比熵
（1）温度 例如：当两个冷热程度不同的物体相互接触时
边界：假想， 固定的
容积恒定 质量发生改变
系统与外界的作用（质量和能量）都是通过边界
热力系统的分类：
热力系统
物质流进和流 出热力系统
物能质量交交外换换界
传热和作功两 种形式
闭口
（1）闭口系统：
系统
与外界无物质交换、
仅有能量交换的系统。系 统的质量始终保持恒定，
边界 外界
也称为控制质量系统。
进口
只交换热
刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝 红线内 ——闭口绝热系 黄线内不包含电热丝 ——闭口系
黄线内包含电热丝 ——闭口绝热系
兰线内 ——孤立系
由可压缩流体（如水蒸气、空气、燃气等） 构成，这类热力系若与外界可逆功交换只有体积 变化功（膨胀功或压缩功）一种形式，则该系统 称为简单可压缩系统。
如：大气环境，是恒温热源
1-2 热力系统
热力系统： 被人为分割出来的作为热力学分析对象的有限
物质系统（工质或空间），简称系统、体系。 与系统发生物质、能量交换的物体称为外界
（或环境）。 系统与外界之间的分界面称为边界。
边界的性质： 可以是真实的，也可以假想； 可以是固定的，也可以移动。
容积发生变化； 质量恒定
物质三态中 气态最适宜。
例如：空气、燃气、水蒸气、氨蒸气等。
与工质进行热交换的物质系统称为热源。 工质从中吸收热量的热源称为高温热源，接 收工质排放热量的热源称为低温热源。
例如：锅炉、循环水池、大气等。
热源可以是恒温的，也可以是变温的。
如：利用燃气轮机高温排气作为热源在余热 锅炉中加热水，自身温度不断下降，是变温热源
注意：
1）绝对的绝热系统和孤立系统在实际中是不存 在的，是两种理想模型。
如果某段时间内与外界传热量很少，对于系 统的能量传递和能量转换所起的作用可忽略，就 可看成绝热系统。
如汽轮机，可以 看成绝热系统。
2）热力系统选取的人为性
过热器
锅 炉
汽轮机
发电机 凝 汽 器
给水泵
火力发电装置
只交换功 既交换功 也交换热
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 ℃ 和100 ℃温度下的体积 差均分100份，每份对应1 ℃。
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.。
（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。
出口
判断闭口系统和开口系统：是否有质量越过边界。
（3）绝热系统： 与外界没有热量交换的系统。
判断标准：是否有热量越过边界。 如保温瓶里的热水。
（4）孤立系统： 与外界既无能量（功、热量）交换又无物
质交换的系统。
思考：孤立系统是否是绝热系统？是否是闭口 系统？为什么？
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℃ 。
用于描述工质所处平衡状态的宏观物理量称 为状态参数。
状态参数的特征：
a) 状态确定，状态参数也确定，反之亦然。
b) 状态参数的积分特征：状态参数的变化量 与路径无关，只与初、终态有关
2
1 dx x 2 x 1
dx 0
Y
1
b
a 2
X
工程热力学中常用的状态参数有压力P、温度T、 体积V、热力学能U、焓H、熵S等。