第二讲：热力学基本概念1-状态参数和热力学温标
热工基础第二讲
T2 T1
Q2 Q1
p1V1 T1
p2V2 T2
26
温标
国际温标：各国公认并执行的唯一法定温标 国际温标通常具备以下条件：
① 尽可能接近热力学温标； ② 复现精度高，各国均能以很高的准确度复现 同样的温标，确保温度量值的统一； ③ 用于复现温标的标准温度计，使用方便，性 能稳定。
27
国际温标（ITS-90）
1-5 工质的状态变化过程（热力过程）
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
3
物质三态中 气态最适宜。
名词定义
热源（高温热源） ： 工质从中吸取热能的物系。可恒温可变温 例如：锅炉、燃烧室、汽缸、工艺余热等
冷源（低温热源） ： 接受工质排出热能的物系。可恒温可变温 例如：环境、工艺余冷、土壤等
温度T(K) 933.473 1234.93 1337.33 1357.77
物质 Al Ag Au Cu
状态 凝固点 凝固点 凝固点 凝固点
ITS-90 定义的固定点总共17个，这些固定点的准 确度为mK级；低温下限延伸了，按3He蒸汽压方程， 下限定到0.65K。
31
2. 标准仪器 将ITS-90的整个温标分为4个温区，其相应标
( K、℃、℉)
℉在我国不常用，而在欧美比较常用。国家相关标准 中规定，符号t表示摄氏度(℃)，符号T表示开尔文(K)。
C
=
5 9
(F
- 32)
F = 9 C + 32 5
33
温度单位
温度单位
1-3 工质的热力学状态及基本状态参数 2. 压力：
定义： 单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强)
1-2 状态与状态参数
8
状态和状态参数
比体积v:
单位质量物质所占有的体积，密度的倒数。 反映工质疏密程度。 单位：m3/kg
vV 1
m
9
状态和状态参数
温度T:
传统：表示物体的冷热程度。 平动
微观：衡量分子平均动能的量度。 热力学：
比体积：v V m
3
m V T p ρ
0.5m 0.5m 0.5V 0.5V
TT pp ρρ
广延量 强度量
状态Hale Waihona Puke 状态参数 状态参数的特征：
1(x1,y1) a
数值仅取决于给定状态，与到达状态的路径无关。 状态确定，状态参数就确定，反之亦然。
b 2(x2,y2)
点函数
其微元变量为 全微分
国际单位制 (SI)： 1 Pa (帕) = 1 N/m2
单位名称 巴
标准大气压 工程大气压 (千克力每平方厘米) 毫米汞柱(0℃) 毫米水柱(4℃)
单位符号
bar atm
at(kgf/cm2)
mmHg mmH2O
换算关系
1 bar = 105 Pa 1 atm = 101325 Pa
1 at = 1 kgf/cm2 = 98066.5 Pa
2
状态和状态参数
状态参数的分类：
强度量(Intensive properties)：
• 数值与物质的量无关
• 如：T、p
广延量(Extensive properties)：
• 数值正比于物质的量 • 如：V
比参数(Specific properties)：
02热力学基本知识 PPT
汽化和冷凝
一、物质的状态变化
物质的三态在一定的条件 下可以互相转化， 这种集态的变化称为相变
气态→液态→固态 固态→液态→气态
二、. 形式：蒸发和沸腾
三、冷凝
当蒸气受到冷却时，放出热量，由气体变成液 体的过程冷凝包括两个过程：冷却和凝结
液化气体的性质
02热力学基本知识
一、温度
1. 定义：表示物体冷热程度的量度 2. 温标：摄氏温标 tc ℃
华氏温标 tF ℉ 绝对温标 T K
3. 相互关系：
tc = 5/9(tF - 32) tF = 9/5×tc + 32 T = tc + 273.15
二、压力
1. 定义：单位面积上所受的垂直作用力
2. 常用单位：kgf/cm2 Pa kPa MPa bar Psi
atm
3. 相互关系： 1 kgf/cm2 = 9.80665×104 Pa
1KPa=1 ×103 Pa 1bar= 1 ×105 Pa
Pa 1atm= 1.01325 ×105 Pa
1MPa=1×106 Pa 1 Psi=6.895× 103
4. 压力的测量：表压力（Pg）真空（Pv）
绝对压力（P） 当P > B时：P = Pg + B 当P < B时：P = B － Pv
一、饱和
1.饱和状态：在汽化或冷凝过程中，气液两相处 于平衡共存的状态
2.饱和温度：在某一给定压力下，气液两相达到 平衡共存时所对应的温度
二、过冷与过热
1.过冷液体：温度低于其所处压力下对应饱和温 度的液体
2.过热蒸气：温度高于其所处压力下对应饱和温 度的蒸气
3.过热度：过热蒸气温度与其同一压力下饱和温 度之差
工程热力学和传热学课后答案(前五章)
第一篇工程热力学第一章基本概念一．基本概念系统：状态参数：热力学平衡态：温度：热平衡定律：温标：准平衡过程：可逆过程：循环：可逆循环：不可逆循环：二、习题1．有人说，不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程，这种说法对吗？错2．牛顿温标,用符号°Ｎ表示其温度单位,并规定水的冰点和沸点分别为100°Ｎ和200°Ｎ，且线性分布。
（1）试求牛顿温标与国际单位制中的热力学绝对温标(开尔文温标)的换算关系式；（2）绝对零度为牛顿温标上的多少度?3．某远洋货轮的真空造水设备的真空度为0.0917ＭＰａ，而当地大气压力为0.1013MPa，当航行至另一海域，其真空度变化为0.0874MPa，而当地大气压力变化为0.097MPa。
试问该真空造水设备的绝对压力有无变化?4．如图1-1所示，一刚性绝热容器内盛有水，电流通过容器底部的电阻丝加热水。
试述按下列三种方式取系统时，系统与外界交换的能量形式是什么。
（1）取水为系统；（2）取电阻丝、容器和水为系统；（3）取虚线内空间为系统。
（1）不考虑水的蒸发，闭口系统。
（2）绝热系统。
注：不是封闭系统，有电荷的交换（3）绝热系统。
图1-15．判断下列过程中那些是不可逆的，并扼要说明不可逆原因。
（1）在大气压力为0.1013MPa时，将两块0℃的冰互相缓慢摩擦，使之化为0℃的水。
耗散效应（2）在大气压力为0.1013MPa时，用(0＋dt)℃的热源(dt→0)给0℃的冰加热使之变为0℃的水。
可逆（3）一定质量的空气在不导热的气缸中被活塞缓慢地压缩（不计摩擦）。
可逆（4）100℃的水和15℃的水混合。
有限温差热传递6．如图1-2所示的一圆筒容器，表A的读数为360kPa；表B的读数为170kPa，表示室I压力高于室II的压力。
大气压力为760mmHg。
试求:（1） 真空室以及I 室和II 室的绝对压力； （2） 表C 的读数；（3） 圆筒顶面所受的作用力。
热力学温标
2、状态参量 ： 描述物质系统状态的 宏观物理量叫做状态参量． 物理学中，需要研究系统 的各种性质，包括几何性质、 力学性质、热学性质、电磁性 质等等． 为了描述系统的状态。需 要用到一些物理量，例如： 用体积描述它的几何性质， 用压强描述力学性质．用温度 描述热学性质等等
3、平衡态：系统所有宏观性质不随 时间变化时状态称之为平衡态． 一个物理学系统，在没有外 界影响的情况下，只要经过足够 长的时间，系统内各部分的状态 参量会达到稳定． 热学系统所处的平衡态往 往是一种动态的平衡，这种动 态平衡性质充分说明热运动是 物质运动的一种特殊形式。
(5)说明 ①摄氏温标的单位“℃”是温度 的常用单位，但不是国际制单位， 温度的国际制单位是开尔文，符号 为K．在今后各种相关热力学计算 中，一定要牢记将温度单位转换为 热力学温度即开尔文； ②由T＝t+273.15 K可知，物 体温度变化l℃与变化l K的变化 量是等同的，但物体所处状态为 l℃与l K是相隔甚远的； ③一般情况下， T＝t+273 K
热力学温标
一、平衡态与状态参量
一、平衡态与状态参量
1、系统： 物理学中，把所研究的对象称为系统． 系统以外的周围物体称 之为外界或环境，系统与外 界之间往往存在相互的作 用． 在物理学研究中，对系 统内部问题，往往采取“隔 离”分析方法，对系统与外 界的相互作用问题，往往采 取“整体”分析的方法．
例．在热学中，要描述一定气 体的宏观状态，需要确定下列哪些 物理量( BCD ) A．每个气体分子的运动速率 B．压强 C．体积 D．温度
解析：描述系统的宏观状态， 其参量是宏观量，每个气体分子的 运动速率是微观量，不是气体的宏 观状态参量．气体的压强、体积、 温度分别是从力学、几何、热学三 个角度对气体的性质进行的宏观描 述，是确定气体宏观状态的三个状 态参量．显然B、C、D选项正确．
工程热力学(基本概念)
国际实用温标的固定点
平衡状态
平衡氢三相点 平衡氢沸点 氖沸点 氧三相点 氧冷凝点
国际实用温标指定
值
T，K
t，℃
13.81 -259.34
20.28 -252.87
20.102 -246.048
54.361 -218.789
90.183 -182.962
平衡状态
水三相点 水沸点
锌凝固点 银凝固点 金凝固点
一、热力过程
定义：热力系从一个状态向另一个状态变化时所经 历的全部状态的总和。
二、准平衡(准静态)过程
准平衡过程的实现
工程热力学 Thermodynamics
二、准平衡(准静态)过程
定义：由一系列平衡态组成的热力过程 实现条件：破坏平衡态存在的不平衡势差(温差、
力差、化学势差)应为无限小。 即Δp→0 ΔT→0 (Δμ→0)
工程热力学 Thermodynamics
三、可逆过程
力学例子：
定义： 当系统完成某一热力过程后，如果有可能使系统再
沿相同的路径逆行而恢复到原来状态，并使相互中所涉 及到的外界亦恢复到原来状态，而不留下任何变化，则 这一过程称为可逆过程。
实现条件：准平衡过程加无耗散效应的热力过程 才是可逆过程。
工程热力学 Thermodynamics
用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。
理想气体
工 质
实际气体
蒸气
工程热力学 Thermodynamics
二、平衡状态
（一）热力状态：热力系在某一瞬间所呈现的宏观
物理状况。(简称状态)
（二）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。
第二讲：热力学基本概念1-状态参数和热力学温标
常用温标之间的关系
绝对K 373.15 摄氏℃ 100 水沸点 37.8 273.16 273.15 华氏F 212 发烧 100 32 朗肯R 671.67 559.67 491.67 459.67
0.01水三相点 0 冰熔点 -17.8 -273.15
盐水熔点 0 -459.67
工程热力学
容积变化功
简单可压缩系统
C Compression i W Work k
压缩功 膨胀功
Expansion Work
工程热力学
State and state properties
状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 状态参数 描述热力系状态的物 量 状态参数：描述热力系状态的物理量 状态参数的特征： 状态参数的特征
充要条件： Total diff differentials ti l
z z xy yx
2 2
可判断是否 是状态参数
工程热力学
Intensive properties
强度参数与广延参数
如压力 p、温度T
Extensive properties
强度参数 与物质的量无关的参数 强度参数：与物质的量无关的参数 广延参数：与物质的量有关的参数可加性
If t two b bodies di are i in th thermal l equilibrium with a third body, they are also in thermal equilibrium with each other.
工程热力学
为什么叫做热力学第零定律
热力学第零定律 热力学第一定律 热力学第二定律 热力学第三定律 1931年 18401850年 18541855年 1906年 T E S
工程热力学和传热学课后答案(前五章)
页眉内容
对于可逆过程，都正确。
3．某封闭系统经历了一不可逆过程，系统向外界放热为10kJ，同时外界对系统作功为20kJ。
1）按热力学第一定律计算系统热力学能的变化量；
2）按热力学第二定律判断系统熵的变化（为正、为负、可正可负亦可为零）。
4．判断是非（对画，错画×）
1）在任何情况下，对工质加热，其熵必增加。（）
2．下列说法是否正确，为什么？
1）熵增大的过程为不可逆过程；
只适用于孤立系统
2）工质经不可逆循环，S0；
S =0
3）可逆绝热过程为定熵过程，定熵过程就是可逆绝热过程；
定熵过程就是工质状态沿可逆绝热线变化的过程
4）加热过程，熵一定增大；放热过程，熵一定减小。
根据ds≥△q/T，前半句绝对正确，后半句未必，比如摩擦导致工质温度升高的放热过程。
w123>w143
14
谁大谁小？又如2和3在同一条等温线上呢？
所以
P
v
图4-2
2
2->3为绝热膨胀过程，内能下降。所以
u2>u3。
4．讨论1<n<k的多变膨胀过程中绝气热体线温度的变化以及气体与外界热传递的方向，并用热力学第一
（3）绝热系统。
图
1-1
5．判断下列过程中那些是不可逆的，并扼要说明不可逆原因。
（1）在大气压力为0.1013MPa时，将两块0℃的冰互相缓慢摩擦，使之化为0℃的水。
耗散效应
（2）在大气压力为0.1013MPa时，用(0＋dt)℃的热源(dt→0)给0℃的冰加热使之变为0℃的水。
可逆
（3）一定质量的空气在不导热的气缸中被活塞缓慢地压缩（不计摩擦）。
800kJ。从状态2到状态3是一个定压的压缩过程，压力为p=400kPa，气体向外散热450kJ。并且已
工程热力学和传热学课后答案前五章
第一篇工程热力学第一章基本概念一．基本概念系统：状态参数：热力学平衡态：温度：热平衡定律：温标：准平衡过程：可逆过程：循环：可逆循环：不可逆循环：二、习题1．有人说，不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程，这种说法对吗？错2．牛顿温标,用符号°Ｎ表示其温度单位,并规定水的冰点和沸点分别为100°Ｎ和200°Ｎ，且线性分布。
（1）试求牛顿温标与国际单位制中的热力学绝对温标(开尔文温标)的换算关系式；（2）绝对零度为牛顿温标上的多少度?3．某远洋货轮的真空造水设备的真空度为0.0917ＭＰａ，而当地大气压力为0.1013MPa，当航行至另一海域，其真空度变化为0.0874MPa，而当地大气压力变化为0.097MPa。
试问该真空造水设备的绝对压力有无变化?4．如图1-1所示，一刚性绝热容器内盛有水，电流通过容器底部的电阻丝加热水。
试述按下列三种方式取系统时，系统与外界交换的能量形式是什么。
（1）取水为系统；（2）取电阻丝、容器和水为系统；（3）取虚线内空间为系统。
（1）不考虑水的蒸发，闭口系统。
（2）绝热系统。
注：不是封闭系统，有电荷的交换（3）绝热系统。
图1-15．判断下列过程中那些是不可逆的，并扼要说明不可逆原因。
（1）在大气压力为0.1013MPa时，将两块0℃的冰互相缓慢摩擦，使之化为0℃的水。
耗散效应（2）在大气压力为0.1013MPa时，用(0＋dt)℃的热源(dt→0)给0℃的冰加热使之变为0℃的水。
可逆（3）一定质量的空气在不导热的气缸中被活塞缓慢地压缩（不计摩擦）。
可逆（4）100℃的水和15℃的水混合。
有限温差热传递6．如图1-2所示的一圆筒容器，表A的读数为360kPa；表B的读数为170kPa，表示室I压力高于室II的压力。
大气压力为760mmHg。
试求:（1）真空室以及I室和II室的绝对压力；（2）表C的读数；（3）圆筒顶面所受的作用力。
图1-2第二章热力学第一定律一．基本概念功：热量：体积功：节流：二．习题1．膨胀功、流动功、轴功和技术功四者之间有何联系与区别？2．下面所写的热力学第一定律表达是否正确？若不正确，请更正。
工程热力学基本概念
= 收获/代价
炉
热效率： t
w net q1
顺 时 针
汽轮机
发电机 凝 汽 器
逆向循环 又称制冷循环或热泵循环
高温热源
或 制 Q1
逆 时
热冷 泵机
W
针
Q2
低温热源
制冷循环的经济性用制冷系数衡量：
2
1
1,a,2
1,b,2
b
2
状态参数的变化只与初终态相关，
1 dxx2 x1 与路径无关。
状态参数都有以上特性。
状态参数的循环 dx 0 积分等于零。
反之，有以上特性之一， 即为状态参数。
1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图
一、平衡状态
热力系在没有外界作用的情况下〔重力场除 外〕，宏观性质不随时间变化的状态。
热力过程：工质由一个状态变化到另一状态所经历 的全部状态的总和。
实际过程由一系列非 平衡状态组成
例：
非平衡状态
无法简单描述
平衡状态
宏观静止
能量不能转换
“平衡〞意味着宏观静止， 引入 理想模型：
“过程〞意味着变化，意味着
准平衡过程
平衡被破坏。二者如何统一？
一、准平衡过程 热力系从一个平衡态连续经历一系列
系统与外界 通过边界进 展相互作用
热力系的选取主要决定于研究任务 。
选取热力系时注意：
❖热力系可以很大，但不能大到无限。
❖热力系可以很小，但不能小到只包含少量分子， 以致不能遵守统计平均规律。
❖ 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， 也可以是变动的。
系统与外界通过边界进展相互作用。
平衡的中间态过渡到另一个平衡态
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
热力学方面获诺贝尔奖的科学家（5）
I.普里戈金 Ilya Prigogine (1917-2003) 比利时 热力学的耗散结构理论 1977年诺贝尔化学奖
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
热力学方面获诺贝尔奖的科学家（6）
K.G.威尔逊 Kenneth G. Wilson (1936-) 美国 临界重整化群理论 1982年诺贝尔物理奖
是一门研究热能有效利用及 热能和其它形式能量转换规律 的科学
建立节能的理论基础
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
(1) 中国能源资源缺乏 (2) 中国能源利用效率低下 (3) 能源环境问题突出
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
热力学的分类
工程热力学：热能与机械能 热 物理热力学 力 化学热力学 学
汽车发动机与传ห้องสมุดไป่ตู้（内燃机）
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
内燃机装置基本特点
1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环
(加压、加热、 膨胀做功、放热)
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
涡轮风扇发动机（航空发动机）
燃烧室 高压透平
压气机
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
热力系统
Thermodynamic system
1、系统的定义
热力系统(热力系、系统)：人为地
system
研究对象
A quantity of matter or a region in space chosen for study
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
热力系统
2、系统、外界与边界 外界：系统以外的所有物质 surroundings 边界(界面)：系统与外界的分界面 boundary
工程热力学和传热学课后参考答案(前五章)
第一篇工程热力学第一章基本概念一．基本概念系统：状态参数：热力学平衡态：温度：热平衡定律：温标：准平衡过程：可逆过程：循环：可逆循环：不可逆循环：二、习题1．有人说，不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程，这种说法对吗？错2．牛顿温标,用符号°Ｎ表示其温度单位,并规定水的冰点和沸点分别为100°Ｎ和200°Ｎ，且线性分布。
（1）试求牛顿温标与国际单位制中的热力学绝对温标(开尔文温标)的换算关系式；（2）绝对零度为牛顿温标上的多少度3．某远洋货轮的真空造水设备的真空度为0.0917ＭＰａ，而当地大气压力为0.1013MPa，当航行至另一海域，其真空度变化为0.0874MPa，而当地大气压力变化为0.097MPa。
试问该真空造水设备的绝对压力有无变化4．如图1-1所示，一刚性绝热容器内盛有水，电流通过容器底部的电阻丝加热水。
试述按下列三种方式取系统时，系统与外界交换的能量形式是什么。
（1）取水为系统；（2）取电阻丝、容器和水为系统；（3）取虚线内空间为系统。
（1）不考虑水的蒸发，闭口系统。
（2）绝热系统。
注：不是封闭系统，有电荷的交换（3）绝热系统。
图1-15．判断下列过程中那些是不可逆的，并扼要说明不可逆原因。
（1）在大气压力为0.1013MPa时，将两块0℃的冰互相缓慢摩擦，使之化为0℃的水。
耗散效应（2）在大气压力为0.1013MPa时，用(0＋dt)℃的热源(dt→0)给0℃的冰加热使之变为0℃的水。
可逆（3）一定质量的空气在不导热的气缸中被活塞缓慢地压缩（不计摩擦）。
可逆（4）100℃的水和15℃的水混合。
有限温差热传递6．如图1-2所示的一圆筒容器，表A的读数为360kPa；表B的读数为170kPa，表示室I压力高于室II的压力。
大气压力为760mmHg。
试求:（1）真空室以及I室和II室的绝对压力；（2）表C的读数；（3）圆筒顶面所受的作用力。
图1-2第二章热力学第一定律一．基本概念功：热量：体积功：节流：二．习题1．膨胀功、流动功、轴功和技术功四者之间有何联系与区别？2．下面所写的热力学第一定律表达是否正确？若不正确，请更正。
工程热力学与传热学：1-2 平衡状态及状态参数
则它们彼此也处于热平衡。 （3）温标 （temperature scale）
温度的数值表示法。
➢ 热力学温标 （thermodynamic scale of temperature）
1—2 平衡状态及状态参数
1-2-1 工质的热力学状态
பைடு நூலகம்
1. 工质的热力学状态（thermodynamic state）
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。
2. 状态参数（state parameter）
系统的 热力学状
描述工质所处状态的宏观物理量。 态
说明
➢状态参数是热力系统状态的单值函数
10m H2O
HH g
p
Hg
1.013 105 pa 13.6 103 9.81
760m
m
Hg
（3）绝对压力，表压力和真空度 ➢ 绝对压力（absolute pressure） 是以绝对真空为基准计量得到的压力，
是工质的真实压力。
➢ 表压力（gage pressure）
是以大气压为基准测量得到的压力 用 Pe 表示
热力学温标基准点：
取水的三相点（triple point）（纯水固、液、气三相
平衡共存的状态点）为基准点，
定义其温度为273.16 K。
１Ｋ= 水的三相点？
➢ 热力学摄氏温标（Celsius）
定义： t = T – 273.15 ℃
✓ 摄氏温度0 ℃ = 热力学温度273.15K ✓ 水的三相点温度 t = 0.01 ℃
2. 压力 （pressure）
01基本概念及定义热力学2013-文档资料
第一章 基本概念及定义
12
2. 准静态过程 quasi-static state process
过程中系统经历的是一系列平衡状态，并在 每次状态变化时仅是无限小地偏离平衡状态。 实现准静态过程的条件： 系统和外界△→0 大部分实际过程可以近似地当作准静态过程。
在状态参数坐标图上，可用一条过 程曲线定性地表示该准静态过程。
第一章 基本概念及定义
6
3. 温度 Temperature , T ( t )
温度是标志系统冷、热程度的参数。 温度的建立以及测量是以热力学第零定律为基础的。
热力学第零定律（热平衡定律）The Zeroth Law of Thermodynamics ： 两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则这两个系统彼此也
是衡量可逆过程中工质与外 界是否发生热交换的标志。
在p-v图上： 一点：一个平衡状态 一实线：一个准静态过程
在T-s图上：一点：一个平衡状态 一实线：一个准静态过程
曲线下面积：
可逆过程中系统所 做的容积变化功。
功是过程量
第一章 基本概念及定义
曲线下面积：
可逆过程中系统与 外界所交换热量。
热量是过程量
状态参数坐标图：
应用两个独立状态参数，可组成状态参数坐标图。
ex: P-V, T-s, h-s, p-h
注意：①图上任意一点代表一个平衡状态；
②若系统处于不平衡状态, 则无法在状态参数坐标图上描述。
第一章 基本概念及定义
10
1-4 状态方程式
1. 状态方程式
三个基本状态参数(p、v、T)之间的函数关系。即：
• 功量是过程量，仅存在于过程中，过程 一旦结束，功量这种能量形式就不复存在。
工程热力学和传热学课后答案解析(前五章)
第一篇工程热力学第一章基本概念一．基本概念系统：状态参数：热力学平衡态：温度：热平衡定律：温标：准平衡过程：可逆过程：循环：可逆循环：不可逆循环：二、习题1．有人说，不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程，这种说法对吗？错2．牛顿温标,用符号°Ｎ表示其温度单位,并规定水的冰点和沸点分别为100°Ｎ和200°Ｎ，且线性分布。
（1）试求牛顿温标与国际单位制中的热力学绝对温标(开尔文温标)的换算关系式；（2）绝对零度为牛顿温标上的多少度?3．某远洋货轮的真空造水设备的真空度为0.0917ＭＰａ，而当地大气压力为0.1013MPa，当航行至另一海域，其真空度变化为0.0874MPa，而当地大气压力变化为0.097MPa。
试问该真空造水设备的绝对压力有无变化?4．如图1-1所示，一刚性绝热容器内盛有水，电流通过容器底部的电阻丝加热水。
试述按下列三种方式取系统时，系统与外界交换的能量形式是什么。
（1）取水为系统；（2）取电阻丝、容器和水为系统；（3）取虚线内空间为系统。
（1）不考虑水的蒸发，闭口系统。
（2）绝热系统。
注：不是封闭系统，有电荷的交换（3）绝热系统。
图1-15．判断下列过程中那些是不可逆的，并扼要说明不可逆原因。
（1）在大气压力为0.1013MPa时，将两块0℃的冰互相缓慢摩擦，使之化为0℃的水。
耗散效应（2）在大气压力为0.1013MPa时，用(0＋dt)℃的热源(dt→0)给0℃的冰加热使之变为0℃的水。
可逆（3）一定质量的空气在不导热的气缸中被活塞缓慢地压缩（不计摩擦）。
可逆（4）100℃的水和15℃的水混合。
有限温差热传递6．如图1-2所示的一圆筒容器，表A的读数为360kPa；表B的读数为170kPa，表示室I压力高于室II的压力。
大气压力为760mmHg。
试求:（1）真空室以及I室和II室的绝对压力；（2）表C的读数；（3） 圆筒顶面所受的作用力。
图1-2第二章 热力学第一定律一．基本概念功： 热量： 体积功： 节流：二．习题1．膨胀功、流动功、轴功和技术功四者之间有何联系与区别？ 2．下面所写的热力学第一定律表达是否正确？若不正确，请更正。
热力学基础
汽液平衡，饱和压力、饱和温度
2、定压加热汽化过程
五种状态；
干度；
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
● 饱和状态 (Saturated state) 当汽化速度 = 液化速度时，宏观上气、液两相保持 一定的相对数量，系统处于动态平衡—饱和状态。
◇ 饱和温度，ts (Ts) —饱和状态的温度
◇ 饱和压力，ps— 饱和状态的压力
t=ts
t>ts
干度（dryness）
定义：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用x表示。
干度x＝
湿蒸汽中含干蒸汽的质量 湿蒸汽的总质量
x m汽 m汽 m液
饱和水
x＝0
湿饱和蒸汽 0<x<1
干饱和蒸汽 x＝1
● 湿度 y=1–x 表示湿蒸汽中饱和水的含量。
第五节 水蒸气
• 预热阶段：未饱和水区
• 气化阶段：饱和水区（湿蒸汽区）
• 准平衡过程 特点：自动恢复；实线示图；
• 可逆过程 特点：准平衡过程+ 无能量耗散； 实际过程均为不可逆过程；
★ 可逆过程熵的变化： 系统吸热 q 0, ds 0 熵增； 系统放热 q 0, ds 0 熵减； 绝热过程 q 0, ds 0 熵不变。
(可逆绝热过程）
可逆绝热过程又称等熵过程。
（表明与实际气体的区别）
（2) 状态方程式：
pv= RgT 2、理想气体的比热
定义：单位物量的工质，温度升高或降低一度所吸收 的热量。
c = (δq/dT)
注意：三种不同单位。
第三节 理想气体
3、定容比热、定压比热：
cv= (∂u/∂T)v = du/dT (理想气体)
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工程热力学
状态和状态参数
状态参数的积分特征
状态参数变化量与路径无关，只与 状态参数变化量与路径无关 只与 初终态有关。 数学上：
工程热力学
热力系统
2、系统、外界与边界 外界：系统以外的所有物质 surroundings 边界(界面)：系统与外界的分界面 boundary
系统与外界的作用都通过边界
工程热力学
系统及边界示例
• 汽车发动机
工程热力学
热力系统选取的人为性
过热器 锅 炉 汽轮机
只交换功 交换功
发电机 凝 汽 器 给水泵
2 2 2
点函数、态函数
1
point function
a b 2
dz d dz d dz z2 z1 d
1
1,a
1,b
d微分特征 dz是全微分 设 z =z (x , y)
z z dz dx dy x y y x
基本要求
掌握热力系统 掌握状态及平衡状态；状态参数及其特性 掌握热力学温标，温标尺度描述 掌握热力学温标 温标尺度描述
工程热力学
热力系统
Thermodynamic system
1、系统的定义 热力系统(热力系、系统)：人为地 system 研究对象 A quantity of matter or a region in space chosen for study
工程热力学
B i state properties Basic i
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量） 2、温度 T
基本状态参数
( Temperature )
工程热力学
温度T 的 的一般定义 般定义
传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量 传统 冷热程度的度量 感觉 导热 热容量 微观：衡量分子平均动能的量度
If t two b bodies di are i in th thermal l equilibrium with a third body, they are also in thermal equilibrium with each other.
工程热力学
为什么叫做热力学第零定律
热力学第零定律 热力学第一定律 热力学第二定律 热力学第三定律 1931年 18401850年 18541855年 1906年 T E S
建立 能的 论基 建立节能的理论基础
工程热力学
工程热力学的研究内容
1、能量转换的基本定律 2、工质的基本性质与热力过程 质的基本性质与热力 程 3、热功转换设备、工作原理 4、化学热力学基础 化学热力学基础
工程热力学
热力装置共同基本特点
1、热源，冷源 2、工质 3、容积变化功 容积变化功 循环 4、循环
热力系统分类
以系统与外界关系划分： 有 是否传质 是否传热 是否做功 是否传热、功、质
工程热力学
无 闭口系 绝热系 绝功系 孤立系
开口系 非绝热系 非绝功系 非孤立系
热力系示例
1．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 蓝线内 ——孤立系 工程热力学
工程热力学
热力系统分类
按能量交换 绝热系（adiabatic system）— 与外界无热量交换; 孤立系（isolated system）— 与外界无任何形式的质能交换。
注意： 注
1）闭口系与系统内质量不变的区别； 2）开口系与绝热系的关系； ）孤立系与绝热系的关系 3）孤立系与绝热系的关系。
工程热力学
既交换功 也交换热 只交换热
工程热力学
边界特性
固定、活动 固定 活动 Fixed Movable 真实、虚构 真实 虚构 Real Imaginary g y
工程热力学
热力系统分类
按系统与外界质量交换 闭口系（closed system）（控制质量CM） —没有质量越过边界 开口系（open system）控制体积CV） —通过边界与外界有质量交换
容积变化功
简单可压缩系统
C Compression i W Work k
压缩功 膨胀功
Expansion Work
工程热力学
State and state properties
状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 状态参数 描述热力系状态的物 量 状态参数：描述热力系状态的物理量 状态参数的特征： 状态参数的特征
基本概念： 热力系 热力系的分类 状态参数 热力学温标
工程热力学
热力系统其它分类方式
均匀系 物理化学性质 非均匀系 单元系 其它分类方式 工质种类 多元系 相态
工程热力学
单相 多相
Si l compressible Simple ibl system
最重要的系统 只交换热量和 种准静态的容积变化功 只交换热量和一种准静态的容积变化功 Moving Boundary Work
T 0.5 m w 2
1) 同T , 0.5mw 2 不同，如碳固体和碳蒸气 不同 如碳固体和碳蒸气 2) 0 0.5 5mw 2总0, 0 T 0, 0 1951年核磁共振法对 氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度 3) T=0 0.5mw 2=0 分子一切运动停止， 零点能
工程热力学
S基准
工程热力学
温度的热力学定义
处于同一热平衡状态的各个热力系， 必定有某一宏观特征彼此相同 必定有某 宏观特征彼此相同，用于描述 用于描述 此宏观特征的物理量 温度。 温度是确定一个系统是否与其它系 温度是确定 个系统是否与其它系 统处于热平衡的物理量
工程热力学
Temperature measurement
工程热力学
barometer
h
大气压力 At Atmospheric h i pressure
大气压随时间、地点变化 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) p (h)gdh
物质 （水银，铂电阻） 特性 （体积膨胀，阻值） 体积膨胀 值 温度计 基准点 Reference state 刻度 Scale 温标 Temperature T scale l
工程热力学
温标Temperature scale
热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher, Britisher L. L Kelvin, Kelvin 1824-1907） 摄氏温标Celsius scale ( (Swedish, , A. Celsius, 1701-1744） 华氏温标Fahrenheit F h h it scale l (German, (G , 1686-1736) ) G. Fahrenheit, 朗肯温标Rankine scale (W. Rankine, 1820 1872) 1820-1872)
如 质量m、容积 V、热力学能 U、焓 H、熵S
比参数： 数
V v m
比容
U u m
H h m
S s m
比熵
比热力学能 比焓
单位 /kg /kmol 具有强度参数的性质 单位：
工程热力学
强度参数与广延参数
Velocity
高度 温度 速度 （强） （强） （广） 动能 Kinetic Energy 位能 （广） Potential Energy （广） 热力学能 Internal Energy 摩尔数 （广） Mol
relative pressure p pe pb p pb pv
pv p
工程热力学
环境压力与大气压力
环境压力Environmental pressure 指压力表所处环境 大气压力 Atmospheric pressure barometric 注意：
环境压力 般为大 环境压力一般为大 气压，但不一定。
温度的热力学定义
热力学第零定律（R.W. R W Fowler in 1931） 如果两个系统分别与第三个系统处于 热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。
温度测量的 理论基础 B 温度计
工程热力学
The Zeroth Law of Thermodynamics 如果两个系统分别与第三个系统处 于热平衡，则两个系统彼此必然处于热 平衡。
Height
Temperature
应力 （强） Stress
（强）
工程热力学
基本状态参数
Basic state properties
压力 p、温度 温度 T、比容 比容 v （容易测量） 1、压力 p ( p pressure ) 物理中压强，单位: Pa (Pascal), N/m2 常用单位Units： 1bar = 105 Pa 1 kPa = 103 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 9 80665104 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665
工程热力学
heat reservoir medium, working ki substance b moving boundary work cycle
热力学基本概念
第二讲：热力系、状态参数、热力学温标
工程热力学
热力学基本概念
学习目的
了解热力系的定义；掌握基本状态参数的定义、计 量及不同单位间的换算。