第1章基本概念

Q2 (t 2 , t 3 ) Q3
Q1 (t1 , t 3 ) Q3
Q1 Q1 Q2 Q3 Q2 Q3
因此有：
(t1 , t 3 ) (t1 , t 2 ) (t 2 , t 3 )
f (t 2 ) f (t 3 )
f (t1 ) (t1 , t 2 ) f (t 2 )
p T Ttr p tr
p T ( p) 273 .16 lim (K ) p 0 ptr
tr
理想气体温标
气体的维里方程为：
T
2 3 PV RT (1 B p C p D p
)
气体A
气体B
如左图所示，所有气体 压力当p→0时，其PV性质 都趋于一相同的特性。 特别是定容式温度计内 装的气体量趋于零时，所 有气体的温度指示趋于同 一数值，这说明理想气体 定容式温度计与气体性质 无关。
由此可以断定：
(t 2 , t 3 )
三个恒温热源间的卡诺循环
QL f (t L ) QH f (t H )
QL TL QH TH
直接用函数f(t)=T作为温标
理想气体温标
气体压力p→0时，气体呈现出理想气体特性，利 用理想气体定压下体积随温度变化的特性或定容 下压力随温度变化的特性，作为度量温度变化的 标准，这种温标称为理想气体温标。 理想气体温标是一种经验温标； 气体温度计有定容式和定压式，定容式温度计的 测量原理：
气体C
ptr
理想气体温标
将气体温度计的盛气小泡浸没在大 气压下的饱和水与饱和蒸汽的混合物 中，当温度改变时通过改变水银柱内 水银量 ( 增加或减少 ) ，控制盛气小泡 的气体体积保持不变，记录下该固定 点温度ts与此时的压力ps； 再把盛气小泡浸没在大气压下冰水 混合物中，保持气体容积不变，记录 下该固定点温度ti和小泡内压力pi； 然后再用温度计测量某一目标的温 度，将温度计盛气小泡与目标接触， 记录下温度t与小泡内的压力p。
3到5K 13.8033K ≈17K ≈20.3K 24.5561K 54.3584K 83.8058K 234.3156K 273.16K 302.9146K 429.7485K 505.078K 692.677K 933.473K 1234.93K 1337.33K 1357.77K
第一章 基础概念
什么是工质？
定义：实现能量转化的媒介物质 制冷工程中又称为制冷剂
对工质的要求:
1）膨胀性 3）热容量 5）对环境友善
2）流动性 4）稳定性，安全性 6）价廉，易大量获取
物质三态中气态最适宜作为工质
wk.baidu.com么是热力系统？
被人为地分割出来，作为热力学研究对象的有限 物质系统 外界：系统以外的所有物质 边界(界面)：系统与外界的分界面
关于热力系统
重点掌握开口系、闭口系、绝热系、孤立系 热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意 性，选取不当将不便于分析。 一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。 系统与外界的作用都通过边界，看是否有质量交 换、热量传递、功的传递及其他形式能量传递。
简单可压缩系统
工程热力学中最常见、最重要的热力系统
3kBT mv
2
式中：T是热力学温度，K； kB=1.38054×10-23 J/K，波尔兹曼常 数； v为分子移动的均方根速度。
事实上确定分子的平均速度是非常困难的； 温度还需一个更严谨的定义，这就有赖于热力 学第零定律。
热力学第零定律
热力学第零定律：当两个系统各自与第三个系统 处于热平衡时，则这两个系统彼此也处于热平衡。
当p→0，而p/pi→const，t→tc，此时pi＜p＜ps。 当p→0且p/pi →0时，表示p＜pi ，此时测量的是低于冰点的 温度范围(实际p→0与p/pi →0意味着测量绝对零度的温度 )， t→t0 =-273.15 ℃。上式变换有
t 273.15 273.15 p pi
T 273.15 p pi
外推ptr→0时不同气体对目标物体温度的测量的一致性，并 获得温度测量值。下式定义理想气体温标(开氏)：
T ( p ) 273.16 lim
ptr 0
p (V 为常数) ptr
温标
热力学温标、摄氏温标、朗肯温标、和华氏温标的关系
热力学温度
1854 年 ， 开 尔 文 提 议 将 水 三 相 点 (triple point) 的 温 度 ， Ttr=273.16K，作为热力学温度的基准，于 1954年被第十届国 际计量大会采纳。同时用K表示理想气体绝对温标的单位。 受水中氢氧同位素的影响，不同三相点瓶结果差异达50 μK。 目前国际上通过波尔兹曼常数kB来确定热力学温度。
c0 2 M R Tt 0
R kB NA
c0 M kB Tt 0 N A
2
国际温标及其发展
理想气体温度计的主要缺点：
温度特别低的情况下，气体会冷凝，偏离理想气体的 性质； 在高温下发生离解； 容积随温度的升降会张缩，不易准确测定； 不适于实验室或工业过程中的实际温度测量。
需要有一种简单、容易再现，便于使用的二级标 准温度计 。
国际温标及其发展
国际计量委员会于1968年开始采用国际实用温标（IPTS68），以取代早期的温度标度。
1990年开始使用1990年国际温标，以取代1968年国际实用 温标（IPTS-68）。
1990年国际温标明确规定了：（1）容易复现的固定点的 气体温标温度和用以检定仪器的二级参考温度；（2）二 级温度标准的仪器仪表的度数用于根据固定点进行内插的 公式。为了完整起见，这是列出了规定的热力学温标固定 温度点。（ITS-90）将适用于温度测量和内插的方法概括 为四个分区。
理想气体温标
国际温标规定，以水的三相点作为绝对温标的基准温度点。 用单固定点作为温标基准的同时，必须要给出温标的单位才 能最终确定温标具体数值。水的三相点的温度Ttr=273.16，水 的三相点 (固、液、汽三相共存 ) 的压力为 ptr，则定容式气体 温度计的读数用下式表示：
T p Ttr ptr p p T Ttr 273.16 ptr ptr
B
毛细管
L
盛气小泡 A
水银柱
定容式气体温计示意图
理想气体温标 理想气体温标
根据理想气体温度计的原理，在1标准大气压下经过冰点(角 标i)和沸点(角标s)标定后，其压力和温度关系如下：
t ti p pi ts ti ps pi
p / pi 1 t ti ts ti p s / p i 1
因为热能动力装置常用工质都是可压缩 流体（水蒸气、空气、燃气等） 系统与外界只交换热量和一种准静态的 体积变化功（膨胀功和压缩功） 体积变化功只与工质的压力和体积的变 化量有关 工程热力学中讨论的大部分系统都是简 单可压缩系统
温度
温度是表征物体冷热程度的物理量。 微观意义：是物质微观热运动的宏观体现，与分 子平均动能成正比
国际温标及其发展 ITS-90温标
3He和4He
e-H2 e-H2(或He) e-H2(或He) Ne O2 Ar Hg H2O Ga In Sn Zn Al Ag Au Cu
VP TP VP(或CVGT) VP(或CVGT) TP TP TP TP TP MP FP FP FP FP FP FP FP
温度的测量
温度计的工作原理：当一个物体的温度改变时， 物体的其它性质也随之改变，可根据这些性质中 的某些参数测量物体的温度，指明温度的数值。
温度计的分类： 气体温度计、膨胀式温度计、电 阻温度计、热电偶和光学温度计等。
温度计分类
温度计
气体温度计
膨胀式温度计
测温参数
压力或体积
体积
测温范围/℃
理想气体温标
摄氏温标表示的各项温度数值ti=0℃与ts =100℃代入 ：
ts ti p t ti 1 ps / pi 1 pi
有：
t 0
p 100 0 p 1 273.15 1 1.3661 1 pi p i
摄氏温标：将标准大气压下水的冰点和沸点之间 的温度等分为100份，并以冰点作为零点。
华氏温标：水的冰点与沸点分别定义为 32 ℉ 和 212℉。 ts ti
t
t 100 80 60 A 40 20 0 测温参数x C A-任意的 B-线性的 C-抛物线的
B
x xi t ( x)(C) 100 xs xi
系统、外界和边界
划分热力系统举例
1-锅炉；2-汽轮机；3-凝汽器；4-水泵 a）以锅炉为热力系统； b）以汽轮机为热力系统； c）以整个蒸汽动力装置为热力系统
热力系统分类
以系统与外界关系划分：
有 开口系 非绝热系 非孤立系 无 闭口系 绝热系 孤立系
有无质量传递 有无热量传递 有无能量、物质传递
C物体
衡 平 热 平 热
衡
一定是热平 衡的
A物体
B物体
热力学第零定律 温度的热力学定义：处于同一热平衡状态的各个 热力系统，必定有某一宏观特征彼此相同，用于 描述此宏观特征的物理量为温度。 热力学第零定律为温度测量提供了科学基础：即 被测物体与温度计处于热平衡时，就可以从温度 计的读数确定被测物体的温度值。
国际温标及其发展 ITS-90温标
从0.65到5.0K根据 3He和 4He的蒸气压测量，后者又进一步 分为两段。每一段用 12 项多项式 (polynomial) 表示蒸气压与 温度的关系。 从 3.0 到 24.5561K 用氦气定容气体温度计测量，该温度计 3 到 5K 用氦气的蒸气压测定一个温度点、一个氢气的三相点 温度和一个氖气的三相点温度，共三个固定点标定。 从 13.8033 到 1234.93 Ｋ按照技术规范用在表中的固定点标 定的标准铂电阻温度计测量，并在四个子分区内用状态方程 作进一步校正，也可更加细分这些分区。 高于 1234.93K 通过测量可见光谱的辐射强度，与 Ag ， Au 或 Cu 凝固点同波长辐射强度比较，并且根据普朗克黑体辐 射方程确定的温度值。
因此：
t ti
ts ti p 1 ps / pi 1 pi
重复上面的温度测量过程，不同的是需从盛气小泡中取出 一部分气体，使小泡内的压力进一步降低，更加接近理想气 体的性质，分别得出更低压力下的p、t、ti、 pi、 ts、ps。
理想气体温标
t、ti、ts不变，ps /pi和p/pi同步变化，t=f(p/pi)。 随着小泡内的气体不断被取走当p→0时，pi→0与ps→0。 根据前述理想气体一致性特性，此时虽然pi→0与ps→0，但 冰点和沸点的温度对所有气体都趋于ti与ts ，而任意测量的温 度特性对应的温度应该有 p→0、 t→tc的特性，并且不论使用 任何气体，在p→0、 pi →0、ps →0都有t→tc ，这就是A、B、 C三种气体当小泡内测量压力 p→0时趋于一致性的结果，即 理想气体温度计与气体性质无关。 存在一个普遍情况，经多次改变定容式气体温度计内的气 体量，使得冰点和沸点时气体温度计的读数pi与ps不断减小， 达到pi→0与ps →0的目的。结果发现即使pi →0与ps →0时，其 比值ps / pi总是为一固定数值不变： ps / pi =1.3661
-270-1100
-200~750(液) -30~600(固)
接触式测温
电阻温度计 热电偶 光学温度计
电阻 热电动势 辐射强度
-200~800
-200~1300 -50-2000
非接触式测温
一等标准铂电阻温度计其精度可达0.001℃ 电厂过热器气温等一般采用热电偶测温
温标
温标：为量度物体温度而赋予温度的数值。
xs xi
( x xi ) ti
x xi t ( x)(F) 32 180 xs xi
依赖于实际测温物质，测温工质不 同结果会不同，这是经验温标
热力学温标
根据卡诺定理有：
T1 WA Q1 A Q2 T2 Q2 WB B Q3 T3 Q3 C Q1 WC
Q1 (t1 , t 2 ) Q2