哈工大工程热力学教案-第1章 基本概念
工程热力学01第一章
第1章（第一章）基本知识本章将介绍推导热力学第一定律能量方程式所需要的概念。
在这部分里，将概念按照工质、系统、状态、过程和循环五部分归类，突出“工程热力学”课程的整体性，明确指出“工程热力学”最关心的量是那些，最终要解决什么问题。
1.1.工质热能与物质是不可分割的，物质是热能的载体。
热能是物质内部以分子运动、振动、旋转和位能形式具有的内部微观能量，它可以随物质的转移而转移，也可以通过温差传热传给其它物质。
在温差的作用下两个物体之间传递中的热能叫做热量，热量是一个过程量。
热能与机械能之间的互换转化以及热能的转移都要借助一种工作物质，这种工作物质简称为工质(Working fluid)。
工质的种类很多，有气体、有液体。
例如水泵中的工质是水；制冷机中的工质是HCFC;汽油机中的工质是燃气。
Working fluid is the matter contained within boundaries of a system. Matter can be in solid, liquid, vapor or gaseous phase. The working fluid in applied thermodynamic problems is either approximated by a perfect gas or a substance that exists as liquid and vapor. The state of the working fluid is defined by certain characteristics known as properties.1.1.1.实际气体实际气体（actual gas）是比较复杂的，其分子有质量、有体积而且分子与分子之间有作用力。
实际气体的计算是比较复杂的【详见后面】。
如果模型复杂，有的问题就不可能用数学的方法解决。
在工程热力学中，为了解决一个复杂问题，经常将问题理想化、简单化，然后解决问题，再修正。
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。
工程热力学第一章
（3）好处：用系统的参数来计算；可以作 好处：用系统的参数来计算； 为实际过程中能量转换效果比较的标准和极 限；可把实际过程当作可逆过程进行分析计 然后再用经验系数加以修正。 算，然后再用经验系数加以修正。 （4）热量和功量 热量和功量都是过程量， 热量和功量都是过程量，它们的大小不仅与 过程的初终状态有关， 过程的初终状态有关，而且与过程的性质有 关。 可逆过程的功量： 可逆过程的功量： w = ∫ pdv 可逆过程的热量： 可逆过程的热量： q = ∫ Tds
C B A
课后题1 课后题1-5；1-6；1-9
（c）系统内部状态参数不随时间而变化 （d）系统内部状态不发生改变 2.均质等截面杆的两端的温度由分别维持 2.均质等截面杆的两端的温度由分别维持 t1 t2的两热源保持 t1 t2 不变，取此杆为系统， 不变，取此杆为系统， 则系统处于（ 则系统处于（B）。 平衡状态， （a）平衡状态，因其各截面温度不随时间改 变 非平衡状态， （b）非平衡状态，因其各截面温度不等 平衡状态， （c）平衡状态，因其各截面温度不随时间改 变，且流入系统的热量等于流出系统的热量 非平衡状态， （d）非平衡状态，因其处于重力场
4.基本状态参数：温度、压力、 4.基本状态参数：温度、压力、比体积 基本状态参数 温度： （1）温度：是热平衡的惟一判据
t = T − 273.15
（2）压力Βιβλιοθήκη p = B + pg
p = B−H
（3）比体积 二、平衡状态、状态公理及状态方程 平衡状态、 1.定义 是指在没有外界作用的情况下， 定义： 1.定义：是指在没有外界作用的情况下， 系统的宏观性质不随时间变化的状态。 系统的宏观性质不随时间变化的状态。 2.实现平衡的条件： 2.实现平衡的条件：系统内部及系统与外界 实现平衡的条件 之间各种不平衡势差消失
工程热力学 课件 第一章 基本概念
1-1 热能在热机中转变成机械能的过程
➢ 热能动力装置
▪ 从燃料燃烧中得到热能，以及利用热能得到动力的 整套设备（包括辅助设备）统称为热能动力装置
▪ 燃气动力装置—内燃机，由气缸和活塞组成 ▪ 蒸气动力装置，由锅炉、汽轮机、冷凝器、泵等组
成 ▪ 共性：用某种媒介物质（工质）从某个能源（高温
2.取全部气体为热力系，利用理想气体状态方程
m p1,minV1 p2 V1 VB
RgT1
RgT2
3.气球排斥大气作功，界面上反力为恒值，可用如下公式
计算
W p0V2 V1
➢ 过程热量
▪ 热力学中把热量定义为热力系和外界之间仅仅由 于温度不同而通过边界传递的能量
▪ 热量的单位是J（焦尔），工程上常用kJ（千焦）
➢ 可逆过程和不可逆过程
▪ 当完成了某一过程之后，如果有可能使工质沿相 同的路径逆行而回复到原来状态，并使相互作用 中所涉及到的外界亦回复到原来状态而不留下任 何改变，这一过程就叫做可逆过程
▪ 不满足上述条件的过程为不可逆过程
▪ 可逆过程的基本特征：是准平衡过程，满足热的 和力的平衡条件，同时过程中没有任何耗散效应
m
2
w12 1 pdv
▪ 工程热力学中约定：气体膨胀所作的功为正值， 外力压缩气体所消耗的功为负值
▪ 功不是状态参数而是过程量，功的数值不仅决定 于工质的初态和终态，还和过程的中间途径有关
▪ 闭口系工质在膨胀过程中所作的功一部分因摩擦 而耗散，一部分反抗大气压力作功，余下部分才 是可被利用的功
w=W/m 单位时间内完成的功称为功率，单位为W（瓦）
1W=1J/s
1kW=1kJ/s
➢ 可逆过程的功
工程热力学 第一章 基本概念及定义
1-2 热力系统
1、基本概念
■热力系统(thermodynamic system)
被人为地从周围物体中分割出来，作为热力学
分析对象的有限物质系统。
■外界(surrounding)
与系统发生质能交换的物体。
■边界(boundary)
系统与外界的分界面。
8（a）汽轮机
（a）开口系统
●表压力
(gauge pressure)和真空度(vacuum)
e p v p 压力计处于环境压力下测得的工质压力。
●各压力之间的关系
24
b e
p
p p =+b v
p p p =-当绝对压力高于大气压力时：当绝对压力低于大气压力时：
均匀>平衡>稳定。
pdV
图上，可以用过程
体积变化功的正负与体积的变化相同，
工质膨胀时对外界作功，工质压缩时外界对工质V。
试分别求两过程的
1
初、终状态相同，但中间途径不同，因此膨胀功不同。
41。
工程热力学 01(哈工大)
CHAPTER1INTRODUCTION1.1What is thermodynamics?Thermodynamics is the science which has evolved from the original investiga-tions in the19th century into the nature of“heat.”At the time,the leading theory of heat was that it was a type offluid,which couldflow from a hot body to a colder one when they were brought into contact.We now know that what was then called“heat”is not afluid,but is actually a form of energy–it is the energy associated with the continual,random motion of the atoms which compose macroscopic matter,which we can’t see directly.This type of energy,which we will call thermal energy,can be converted (at least in part)to other forms which we can perceive directly(for example, kinetic,gravitational,or electrical energy),and which can be used to do useful things such as propel an automobile or a747.The principles of thermodynamics govern the conversion of thermal energy to other,more useful forms.For example,an automobile engine can be though of as a device whichfirst converts chemical energy stored in fuel and oxygen molecules into thermal en-ergy by combustion,and then extracts part of that thermal energy to perform the work necessary to propel the car forward,overcoming friction.Thermody-namics is critical to all steps in this process(including determining the level of pollutants emitted),and a careful thermodynamic analysis is required for the design of fuel-efficient,low-polluting automobile engines.In general,thermody-namics plays a vital role in the design of any engine or power-generating plant, and therefore a good grounding in thermodynamics is required for much work in engineering.If thermodynamics only governed the behavior of engines,it would probably be the most economically important of all sciences,but it is much more than that.Since the chemical and physical state of matter depends strongly on how much thermal energy it contains,thermodynamic principles play a central role in any description of the properties of matter.For example,thermodynamics allows us to understand why matter appears in different phases(solid,liquid, or gaseous),and under what conditions one phase will transform to another.1CHAPTER1.INTRODUCTION2The composition of a chemically-reacting mixture which is given enough time to come to“equilibrium”is also fully determined by thermodynamic principles (even though thermodynamics alone can’t tell us how fast it will get there).For these reasons,thermodynamics lies at the heart of materials science,chemistry, and biology.Thermodynamics in its original form(now known as classical thermodynam-ics)is a theory which is based on a set of postulates about how macroscopic matter behaves.This theory was developed in the19th century,before the atomic nature of matter was accepted,and it makes no reference to atoms.The postulates(the most important of which are energy conservation and the impos-sibility of complete conversion of heat to useful work)can’t be derived within the context of classical,macroscopic physics,but if one accepts them,a very powerful theory results,with predictions fully in agreement with experiment.When at the end of the19th century itfinally became clear that matter was composed of atoms,the physicist Ludwig Boltzmann showed that the postu-lates of classical thermodynamics emerged naturally from consideration of the microscopic atomic motion.The key was to give up trying to track the atoms in-dividually and instead take a statistical,probabilistic approach,averaging over the behavior of a large number of atoms.Thus,the very successful postulates of classical thermodynamics were given afirm physical foundation.The science of statistical mechanics begun by Boltzmann encompasses everything in classical thermodynamics,but can do more also.When combined with quantum me-chanics in the20th century,it became possible to explain essentially all observed properties of macroscopic matter in terms of atomic-level physics,including es-oteric states of matter found in neutron stars,superfluids,superconductors,etc. Statistical physics is also currently making important contributions in biology, for example helping to unravel some of the complexities of how proteins fold.Even though statistical mechanics(or statistical thermodynamics)is in a sense“more fundamental”than classical thermodynamics,to analyze practical problems we usually take the macroscopic approach.For example,to carry out a thermodynamic analysis of an aircraft engine,its more convenient to think of the gas passing through the engine as a continuumfluid with some specified properties rather than to consider it to be a collection of molecules.But we do use statistical thermodynamics even here to calculate what the appropriate property values(such as the heat capacity)of the gas should be.CHAPTER1.INTRODUCTION3 1.2Energy and EntropyThe two central concepts of thermodynamics are energy and entropy.Most other concepts we use in thermodynamics,for example temperature and pres-sure,may actually be defined in terms of energy and entropy.Both energy and entropy are properties of physical systems,but they have very different characteristics.Energy is conserved:it can neither be produced nor destroyed, although it is possible to change its form or move it around.Entropy has a different character:it can’t be destroyed,but it’s easy to produce more entropy (and almost everything that happens actually does).Like energy,entropy too can appear in different forms and be moved around.A clear understanding of these two properties and the transformations they undergo in physical processes is the key to mastering thermodynamics and learn-ing to use it confidently to solve practical problems.Much of this book is focused on developing a clear picture of energy and entropy,explaining their origins in the microscopic behavior of matter,and developing effective methods to analyze complicated practical processes1by carefully tracking what happens to energy and entropy.1.3Some TerminologyMostfields have their own specialized terminology,and thermodynamics is cer-tainly no exception.A few important terms are introduced here,so we can begin using them in the next chapter.1.3.1System and EnvironmentIn thermodynamics,like in most other areas of physics,we focus attention on only a small part of the world at a time.We call whatever object(s)or region(s) of space we are studying the system.Everything else surrounding the system (in principle including the entire universe)is the environment.The boundary between the system and the environment is,logically,the system boundary. The starting point of any thermodynamic analysis is a careful definition of the system.EnvironmentSystemBoundarySystem1Rocket motors,chemical plants,heat pumps,power plants,fuel cells,aircraft engines,...CHAPTER1.INTRODUCTION4Figure1.1:Control masses and control volumes.1.3.2Open,closed,and isolated systemsAny system can be classified as one of three types:open,closed,or isolated. They are defined as follows:open system:Both energy and matter can be exchanged with the environ-ment.Example:an open cup of coffee.closed system:energy,but not matter,can be exchanged with the environ-ment.Examples:a tightly capped cup of coffee.isolated system:Neither energy nor matter can be exchanged with the envi-ronment–in fact,no interactions with the environment are possible at all.Example(approximate):coffee in a closed,well-insulated thermos bottle.Note that no system can truly be isolated from the environment,since no thermal insulation is perfect and there are always physical phenomena which can’t be perfectly excluded(gravitationalfields,cosmic rays,neutrinos,etc.). But good approximations of isolated systems can be constructed.In any case, isolated systems are a useful conceptual device,since the energy and mass con-tained inside them stay constant.1.3.3Control masses and control volumesAnother way to classify systems is as either a control mass or a control volume. This terminology is particularly common in engineering thermodynamics.A control mass is a system which is defined to consist of a specified piece or pieces of matter.By definition,no matter can enter or leave a control mass. If the matter of the control mass is moving,then the system boundary moves with it to keep it inside(and matter in the environment outside).A control volume is a system which is defined to be a particular region of space.Matter and energy may freely enter or leave a control volume,and thus it is an open system.CHAPTER1.INTRODUCTION5 1.4A Note on UnitsIn this book,the SI system of units will be used exclusively.If you grew up anywhere but the United States,you are undoubtedly very familiar with this system.Even if you grew up in the US,you have undoubtedly used the SI system in your courses in physics and chemistry,and probably in many of your courses in engineering.One reason the SI system is convenient is its simplicity.Energy,no matter what its form,is measured in Joules(1J=1kg-m2/s2).In some other systems, different units are used for thermal and mechanical energy:in the English sys-tem a BTU(“British Thermal Unit”)is the unit of thermal energy and a ft-lbf is the unit of mechanical energy.In the cgs system,thermal energy is measured in calories,all other energy in ergs.The reason for this is that these units were chosen before it was understood that thermal energy was like mechanical energy, only on a much smaller scale.2Another advantage of SI is that the unit of force is indentical to the unit of(mass x acceleration).This is only an obvious choice if one knows about Newton’s second law,and allows it to be written asF=m a.(1.1)In the SI system,force is measured in kg-m/s2,a unit derived from the3primary SI quantities for mass,length,and time(kg,m,s),but given the shorthand name of a“Newton.”The name itself reveals the basis for this choice of force units.The units of the English system werefixed long before Newton appeared on the scene(and indeed were the units Newton himself would have used).The unit of force is the“pound force”(lbf),the unit of mass is the“pound mass”(lbm)and of course acceleration is measured in ft/s2.So Newton’s second law must include a dimensional constant which converts from Ma units(lbm ft/s2) to force units(lbf).It is usually writtenF=1g cm a,(1.2)whereg c=32.1739ft-lbm/lbf-s2.(1.3) Of course,in SI g c=1.2Mixed unit systems are sometimes used too.American power plant engineers speak of the “heat rate”of a power plant,which is defined as the thermal energy which must be absorbed from the furnace to produce a unit of electrical energy.The heat rate is usually expressed in BTU/kw-hr.CHAPTER1.INTRODUCTION6In practice,the units in the English system are now defined in terms of their SI equivalents(e.g.one foot is defined as a certain fraction of a meter,and one lbf is defined in terms of a Newton.)If given data in Engineering units,it is often easiest to simply convert to SI,solve the problem,and then if necessary convert the answer back at the end.For this reason,we will implicitly assume SI units in this book,and will not include the g c factor in Newton’s2nd law.。
工程热力学课件-基本概念
大氣壓（at），毫米汞柱（mmHg），毫米水柱（mmH2O）
1 kPa = 103 Pa
1bar = 105 Pa
換 1 MPa = 106 Pa
算 關
1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa
係 1 mmHg = 133.3 Pa
1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa
溫度的一般解釋：冷熱程度的度量。 溫度的微觀概念：大量分子熱運動的強烈程度。
m 2
平均平動動能
BT
溫度
2
溫度的熱力學定義：
比例常數
處於同一熱平衡狀態的各個熱力系，必定有某一宏觀特 徵彼此相同，用於描述此宏觀特徵的物理量即為溫度。
是確定一個系統是否與其它系統處於熱平衡的物理量。
熱力學第零定律
熱平衡（Thermal equilibrium） 在沒有外來影響的情況下， 兩物體相互作用最終達到相 同的冷熱狀況。
開口系統（Open system）：有物質流穿過 邊界的系統，又稱為控制體積或控制體 (Control volume)。 開口系統的介面稱為控制介面。 開口系統和閉口系統都可能與外界發生能量 （功和熱）傳遞。
絕熱系統與孤立系統
絕熱系統（Adiabatic system）：系統 與外界之間沒有熱量傳遞的系統。
平衡的本質
溫差 — 熱不平衡勢 壓差 — 力不平衡勢 相變 — 相不平衡勢 化學反應 — 化學不平衡勢
平衡的本質：不存在不平衡勢 In an equilibrium state there are no unbalanced potentials
平衡與穩定
穩定（steady）：參數不隨時間變化
銅棒各點溫度不再隨時間 變化，達到穩定，但不是 平衡狀態。 原因在於系統受外界影響。 若以（銅棒+熱源+冷源） 為系統，則系統平衡嗎？
工程热力学第一章基本概念PPT课件
详细描述
等压过程在各种工业生产过程中发挥着重要作用，如蒸汽机、汽轮机、燃气轮机等热力机械中的工作过程。此外， 在制冷技术、气体压缩、气体分离等领域也广泛应用等压过程。在生活中，等压过程也随处可见，如气瓶的压力 保持、气瓶压力的调节等。
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THANKS
06
热力学第三定律
绝对零度不能达到原理
绝对零度是热力学的最低温度，理论 上不可能通过任何有限过程达到。
这一定律对于理解热力学的基本概念 和原理非常重要，因为它揭示了热力 学过程不可逆性。
这是由于热力学第三定律指出，熵在 绝对零度时为零，而熵是系统无序度 的量度，因此系统必须经历无限的过 程才能达到绝对零度。
04
热力学第一定律
能量守恒
1 2
能量守恒定律
能量不能凭空产生，也不能消失，只能从一种形 式转化为另一种形式。
热力学能
系统内部能量的总和，包括分子动能、分子位能 和内部势能等。
3
热力学第一定律表达式
ΔU = Q + W，其中ΔU表示系统能量的变化，Q 表示系统吸收的热量，W表示系统对外做的功。
热量与功的转换
是与系统相互作用的其它物质或 能量的总和。
状态与状态参数
状态
描述系统在某一时刻的物理状态，包括宏观和微观状态。
状态参数
描述系统状态的物理量，如压力、温度、体积、内能等。
热力学平衡
热力学平衡
系统内部各部分之间以及系统与外界 之间达到相对静止的一种状态。
热力学平衡的条件
系统内部不存在宏观的净力、净热和 净功。
热力学的应用领域
能源转换
热能转换为机械能： 如内燃机、蒸汽机和 燃气轮机等。
工程热力学第一章
理想气体的状态方程
pv RT pV mRT
实际工质的状态方程？？？
热能工程教研室
坐
标
图
简单可压缩系 N=2，可用平面坐标图表示
p
说明： 1）系统任何平衡态可表示 在坐标图上
2）过程线中任意一点为平 衡态
v
常见p-v图和T-s图
热能工程教研室
3）不平衡态无法在图上用 实线表示
§1-5
准静态过程、可逆过程
温差 — 热不平衡势 压差 — 力不平衡势 化学反应 — 化学不平衡势
平衡的本质：不存在不平衡势
热能工程教研室
为什么引入平衡概念？ 如果系统平衡，可用一组确切的参 数（压力、温度）描述 但平衡状态是“死态”，没有能量交换
能量交换 状态变化
如何描述
热能工程教研室
破坏平衡
状态方程的具体形式
状态方程的具体形式取决于工质的性质
热能工程教研室
工
质
在火电厂中，由于工质连续不断地流过热力设备 而膨胀作功，因此，要求工质应有良好的膨胀性 和流动性，此外，还要求工质热力性能稳定、无 毒、无腐蚀性、价廉、易得等。鉴于此，目前火 电厂中采用水蒸气作为工质。水在锅炉中吸热生 成蒸汽，然后在汽轮机中膨胀推动叶片旋转对外 作功，作功后的乏汽在凝汽器中向冷却水放热又 凝结成水。
A p
f p外
dl
1kg工质
w =pdv
热能工程教研室
准静态过程的容积变化功
mkg工质： W =pdV
1kg工质： w =pdv
W pdV
1
2
w pdv
1
2
p
p外 1 2
注意：上式仅适
用于准静态过程
工程热力学第1章基本概念[1]
![工程热力学第1章基本概念[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/4638838b6529647d27285231.png)
p0
p
1.
.
.
p，T
v 2
准静态过程有实际意义吗？
既是平衡，又是变化
既可以用状态参数描述，又可进行热功转换
疑问：理论上准静态应无限 缓慢，工程上怎样处理？
准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间 （外部作用时间）
恢复平衡所需时间 （驰豫时间）
>>
有足够时间恢复新平衡 准静态过程
1
2
3
非孤立系＋相关外界 ＝孤立系
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
单相
相态
多相
简单可压缩系统
最重要的系统
简单可压缩系统
只交换热量和一种准静态的容积变化功
容积变化功
压缩功 膨胀功
§1-2 热力系描述：状态和状态参数
状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况
引入可逆过程的意义
准静态过程是实际过程的理想化过程， 但并非最优过程，可逆过程是最优过程。 可逆过程的功与热完全可用系统内工质 的状态参数表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。
实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按理想情况（可逆过程）处理， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以修正。
状态参数的特征：
1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦 然 2、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 3、当热力系经历一封闭的状态变化过程， 又回复到原始状态时，状态的参数变化为0. 4、状态参数的微分特征：全微分
状态参数的微分特征
设z
=z (x , y)
(完整版)工程热力学教案第一讲
工程热力学工程热力学的作用：主要研究热能与机械能相互转换的规律、方法及提高转化率的途径，比较集中地表现为能量方程。
工程热力学部分的主要内容（1）基本概念与基本定律，如工质、热力系、热力状态、状态参数及热力过程、热力学第一定律、热力学第二定律等等，这些基本概念和基本定律是全部工程热力学的基础。
（2）常用工质的热力性质。
其主要内容是理想气体、水蒸气、湿空气等常用工质的基本热力性质。
工质热力性质的研究是具体分析计算能量传递与转换过程的前提。
（3）各种热工设备的热力过程。
其主要内容有理想气体的热力过程、气体和蒸汽在喷管和扩压管中流动过程及蒸汽动力循环等热力过程的分析计算。
这些典型热工设备热力过程的分析计算，是工程热力学应用基本定律结合工质特性和过程特性分析计算具体能量传递与转换过程完善性的方法示例。
第一章工质及气态方程第一节工质热力系统第二节工质的热力状态基本状态参数第三节平衡状态状态方程第四节理想气体状态方程本章的主要内容1、讨论能量转换过程中所涉及的各种基本概念；2、在以气体为重要工质的能量转换过程中，介绍其状态方程。
本章的学习要求•理解工质、热力系的定义，掌握热力系的分类。
•理解热力状态和状态参数的定义；掌握状态参数的特征、分类，基本状态参数的物理意义和单位；掌握绝对压力、表压力和真空度的关系。
•掌握平衡状态的物理意义及实现条件。
•了解状态方程式及参数坐标图的物理意义及作用。
•理解热力过程、准平衡过程和可逆过程的物理意义与联系，能正确判定准平衡过程和可逆过程。
第一节工质及状态方程本节重点掌握热力系统，在学习这一概念之前先认识一个概念：【工质】1. 什么是工质?实现热能与机械能相互转换或热能转移的媒介物质。
2. 工质特性:可压缩、易膨胀、易流动3. 常用工质:热机循环中: 水蒸气、空气、燃气。
制冷循环、热泵循环中: 氨、氟里昂。
举例（1）从能量转换方面：汽轮中的水蒸气首先要知道汽轮机的工作过程，如图示（蒸汽动力循环示意图）该工作过程实现了热能——>机械能的能量转换，水蒸气作为该能量转换过程中的媒介物质，就是工质。
工程热力学第1章基本概念[1]PPT课件
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状态参数的微分特征
设 z =z (x , y)
dz是全微分
dzxzy dxyy yx
可判断是否 是状态参数
16
§1-3 基本状态参数
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
1、压力 p 物理中压强，单位: Pa , N/m2 常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa17
3.对于平衡状态，有确定性：非平衡态，则为变化
量。
13
状态参数的特征：
1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦 然 2、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 3、当热力系经历一封闭的状态变化过程， 又回复到原始状态时，状态的参数变化为0. 4、状态参数的微分特征：全微分
但平衡状态是死态，没有能量交换
能量交换
状态变化
如何描述
破坏平衡 31
§1-5 状态方程、坐标图
平衡状态可用一组状态参数描述其状态
想确切描述某个热力系，是 否需要所有状态参数？
状态公理：对组元一定的闭口系，
独立状态参数个数 N=n+1
32
状态公理
闭口系： 不平衡势差 状态变化 能量传递
消除一种不平衡势差 达到某一方面平衡 消除一种能量传递方式
压力p测量
一般是工质绝对压力与环境压力的相对值 ——相对压力
注意：只有绝对压力 p 才是状态参数
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绝对压力与相对压力
当 p > pb 当 p < pb
表压力 pe 真空度 pv
哈工大工程热力学教案-第1章基本概念
哈⼯⼤⼯程热⼒学教案-第1章基本概念第1章基本概念本章基本要求:深刻理解热⼒系统、外界、热⼒平衡状态、准静态过程、可逆过程、热⼒循环的概念，掌握温度、压⼒、⽐容的物理意义，掌握状态参数的特点。
本章重点：取热⼒系统，对⼯质状态的描述，状态与状态参数的关系，状态参数，平衡状态，状态⽅程，可逆过程。
1. 1 热⼒系统⼀、热⼒系统系统：⽤界⾯从周围的环境中分割出来的研究对象，或空间内物体的总和。
外界：与系统相互作⽤的环境。
界⾯：假想的、实际的、固定的、运动的、变形的。
依据：系统与外界的关系，系统与外界的作⽤：热交换、功交换、质交换。
⼆、闭⼝系统和开⼝系统(按系统与外界有⽆物质交换)闭⼝系统：系统内外⽆物质交换,称控制质量。
开⼝系统：系统内外有物质交换,称控制体积。
三、绝热系统与孤⽴系统绝热系统：系统内外⽆热量交换(系统传递的热量可忽略不计时，可认为绝热)孤⽴系统：系统与外界既⽆能量传递也⽆物质交换=系统+相关外界=各相互作⽤的⼦系统之和= ⼀切热⼒系统连同相互作⽤的外界四、根据系统内部状况划分可压缩系统：由可压缩流体组成的系统。
简单可压缩系统：与外界只有热量及准静态容积变化均匀系统：内部各部分化学成分和物理'性质都均匀⼀致的系统，是由单相组成的。
⾮均匀系统：由两个或两个以上的相所组成的系统。
单元系统：⼀种均匀的和化学成分不变的物质组成的系统。
多元系统：由两种或两种以上物质组成的系统。
单相系：系统中⼯质的物理、化学性质都均匀⼀致的系统称为单相系。
复相系：由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、⽓组成的三相系统。
注意:系统的选取⽅法仅影响解决问题的繁复程度，与研究问题的结果⽆关。
思考题：孤⽴系统⼀定是闭⼝系统吗。
反之怎样。
孤⽴系统⼀定不是开⼝的吗。
孤⽴系统是否⼀定绝热。
1．2 ⼯质的热⼒状态与状态参数⼀、状态与状态参数状态：热⼒系统中某瞬间表现的⼯质热⼒性质的总状况。
状态参数：描述⼯质状态特性的各种状态的宏观物理量。
工程热力学课件_第一章 基本概念
过程每一步的不平衡势差都很小。
系统内部随时接近于平衡态——准平衡。
p
1
.
.
.
2
v
空天工程系
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工程热力学 Engineering Thermodynamics
准静态过程有实际意义：
解决了平衡和变化的矛盾；
既可实现热功转换，又可以用状态参数的变化来描述。
准静态过程的条件：
破坏平衡所需时间
7.热力系统、外界、边界定义？（董天力回答）
8.闭口系统、开口系统、绝热系统、孤立系统？
（李致远回答前两个，陈若雨回答后两个）
9.简单可压缩系统
10.热力状态、状态参数定义？（张希回答）
11.基本状态参数、导得状态参数定义、举例？（任羿霏回答）
空天工程系
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工程热力学 Engineering Thermodynamics
换算关系： t
= T − 273.15
摄氏温标的每1℃和开尔文温标的每1K是相等的。
空天工程系
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工程热力学 Engineering Thermodynamics
压力
宏观上：工质垂直作用于器壁单位面积上的力——压力。
微观上：大量分子撞击固体壁面的平均效果。
常用单位：
1 bar = 105 Pa
1 MPa = 106 Pa
闭口系统
闭口系统
开口系统
孤立系统
空天工程系
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工程热力学 Engineering Thermodynamics
三、其它分类方式
相态
单相系—工质是单一相态(如气相或液相)的物质，水蒸气
多相系—工质是多种相态（如气-液两相或气-液
-固三相等）物质的混合物
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第1章基本概念本章基本要求:深刻理解热力系统、外界、热力平衡状态、准静态过程、可逆过程、热力循环的概念，掌握温度、压力、比容的物理意义，掌握状态参数的特点。
本章重点：取热力系统，对工质状态的描述，状态与状态参数的关系，状态参数，平衡状态，状态方程，可逆过程。
1. 1 热力系统一、热力系统系统：用界面从周围的环境中分割出来的研究对象，或空间内物体的总和。
外界：与系统相互作用的环境。
界面：假想的、实际的、固定的、运动的、变形的。
依据：系统与外界的关系，系统与外界的作用：热交换、功交换、质交换。
二、闭口系统和开口系统(按系统与外界有无物质交换)闭口系统：系统内外无物质交换,称控制质量。
开口系统：系统内外有物质交换,称控制体积。
三、绝热系统与孤立系统绝热系统：系统内外无热量交换(系统传递的热量可忽略不计时，可认为绝热)孤立系统：系统与外界既无能量传递也无物质交换=系统+相关外界=各相互作用的子系统之和= 一切热力系统连同相互作用的外界四、根据系统内部状况划分可压缩系统：由可压缩流体组成的系统。
简单可压缩系统：与外界只有热量及准静态容积变化均匀系统：内部各部分化学成分和物理'性质都均匀一致的系统，是由单相组成的。
非均匀系统：由两个或两个以上的相所组成的系统。
单元系统：一种均匀的和化学成分不变的物质组成的系统。
多元系统：由两种或两种以上物质组成的系统。
单相系：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相系。
复相系：由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的三相系统。
注意:系统的选取方法仅影响解决问题的繁复程度，与研究问题的结果无关。
思考题：孤立系统一定是闭口系统吗。
反之怎样。
孤立系统一定不是开口的吗。
孤立系统是否一定绝热。
1．2 工质的热力状态与状态参数一、状态与状态参数状态：热力系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况。
状态参数：描述工质状态特性的各种状态的宏观物理量。
如：温度（T ）、压力（P ）、比容（υ）或密度（ρ）、内能（u ）、焓（h ）、熵（s ）、自由能（f ）、自由焓（g ）等。
状态参数的数学特性:1． 1212x x dx -=⎰表明：状态的路径积分仅与初、终状态有关，而与状态变化的途径无关。
2．⎰dx =0表明：状态参数的循环积分为零基本状态参数：可直接或间接地用仪表测量出来的状态参数。
如：温度、压力、比容或密度1． 温度：宏观上，是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量。
微观上,是大量分子热运动强烈程度的量度BT w m =22式中 22w m —分子平移运动的动能，其中m 是一个分子的质量，w 是分子平移运动的均方根速度；B —比例常数；T —气体的热力学温度。
热力学第零定律：如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡。
摄氏度与热力学温度的换算： t T +=2732．压力：垂直作用于器壁单位面积上的力，称为压力，也称压强。
fF p = 式中：F —整个容器壁受到的力，单位为牛顿（N ）；f —容器壁的总面积（m 2）。
微观上：分子热运动产生的垂直作用于容器壁上单位面积的力。
nBT w m n p 322322== 式中：P —单位面积上的绝对压力；n —分子浓度，即单位容积内含有气体的分子数VN n =，其中N 为容积V 包含的气体分子总数。
压力测量依据：力平衡原理 压力单位：MPa相对压力：相对于大气环境所测得的压力。
工程上常用测压仪表测定的压力。
以大气压力为计算起点，也称表压力。
g p B p += （P >B ）H B p -=（P <B ） 式中B —当地大气压力P g —高于当地大气压力时的相对压力，称表压力；H —低于当地大气压力时的相对压力，称为真空值。
注意：只有绝对压力才能代表工质的状态参数3．比容:比容：单位质量工质所具有的容积。
密度：单位容积的工质所具有的质量。
m V v =m 3/kg关系：1ρ=v式中：ρ—工质的密度kg/m3，v—工质的比容m3/kg例:表压力或真空度为什么不能当作工质的压力？工质的压力不变化，测量它的压力表或真空表的读数是否会变化？解：作为工质状态参数的压力是绝对压力，测得的表压力或真空度都是工质的绝对压力与大气压力的相对值，因此不能作为工质的压力；因为测得的是工质绝对压力与大气压力的相对值，即使工质的压力不变，当大气压力改变时也会引起压力表或真空表读数的变化。
三、强度性参数与广延性参数强度性参数：系统中单元体的参数值与整个系统的参数值相同，与质量多少无关，没有可加性。
在热力过程中，强度性参数起着推动力作用，称为广义力或势。
如温度、压力等。
广延性参数：系统中各单元体该广延性参数值之和，在热力过程中，广延性参数的变化起着类似力学中位移的作用，称为广义位移。
如系统的容积、内能、焓、熵等。
1．3平衡状态、状态公理及状态方程一、平衡状态系统在不受外界影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，系统内外同时建立了热的和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。
平衡状态的充要条件：热平衡(温度平衡) 力平衡(压力平衡)化学势平衡（包括相平衡和化学平衡）注意：平衡必稳定，反之稳定未必平衡。
平衡与均匀也是不同的概念，均匀是相对于空间，平衡是相对于时间。
平衡不一定均匀。
状态公理：确定纯物质系统平衡状态的独立参数=n+1式中n表示传递可逆功的形式，而加1表示能量传递中的热量传递。
例如：对除热量传递外只有膨胀功(容积功)传递的简单可压缩系统，n=1，于是确定系统平衡状态的独立参数为1十1=2所有状态参数都可表示为任意两个独立参数的函数。
状态方程: 反映工质处于平衡状态时基本状态参数的制约关系。
纯物质简单可压缩系统的状态方程：F(P,V,T)=01．4 准静态过程与可逆过程热力过程：系统状态的连续变化称系统经历了一个热力过程。
一、准静过程：如果造成系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态，这样的过程称为准静态过程。
注意:准静态过程是一种理想化的过程，实际过程只能接近准静态过程。
二、可逆过程：系统经历一个过程后，如令过程逆行而使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程。
实现可逆过程的条件：1．过程无势差 (传热无温差，作功无力差)2．过程无耗散效应。
三、可逆过程的膨胀功 (容积功)系统容积发生变化而通过界面向外传递的机械功。
⎰=21pdv w J/kg规定: 系统对外做功为正，外界对系统作功为负。
问题： 比较不可逆过程的膨胀功与可逆过程膨胀功四、可逆过程的热量:系统与外界之间依靠温差传递的能量称为热量。
可逆过程传热量：⎰=21Tds q q J/kg规定:系统吸热为正，放热为负。
1．5 热力循环:定义：工质从某一初态开始，经历一系列状态变化，最后由回复到初态的过程。
,一、正循环正循环中的热转换功的经济性指标用循环热效率：12121101q q q q q q w t -=-==η 式中q 1—工质从热源吸热；q 2—工质向冷源放热； w 0—循环所作的净功。
二、逆循环 以获取制冷量为目的。
致冷系数： 212021q q q w q -==ε 式中：q 1—工质向热源放出热量；q 2—工质从冷源吸取热量；w 0—循环所作的净功。
供热系数： 211012q q q w q -==ε 式中：q 1—工质向热源放出热量，q 2—工质从冷源吸取热量，w 0—循环所作的净功本章应注意的问题1．热力系统概念，它与环境的相互作用，三种分类方法及其特点，以及它们之间的相互关系。
2．引入准静态过程和可逆过程的必要性，以及它们在实际应用时的条件。
3．系统的选择取决于研究目的与任务，随边界而定，具有随意性。
选取不当将不便于分析。
选定系统后需要精心确定系统与外界之间的各种相互作用以及系统本身能量的变化，否则很难获得正确的结论。
4．稳定状态与平衡状态的区分：稳定状态时状态参数虽然不随时间改变，但是靠外界影响来的。
平衡状态是系统不受外界影响时，参数不随时间变化的状态。
二者既有所区别，又有联系。
平衡必稳定,稳定未必平衡。
5．状态参数的特性及状态参数与过程参数的区别。
思考题：1．温度为100℃的热源，非常缓慢地把热量加给处于平衡状态下的0℃的冰水混合物，试问：1、冰水混合物经历的是准静态过程吗？2、加热过程是否可逆？2．平衡态与稳态（稳态即系统内各点的状态参数均不随时间而变）有何异同？热力学中讨论平衡态有什么意义？3．外界条件变化时系统有无达到平衡的可能？在外界条件不变时，系统是否一定处于平衡态？4．判断下列过程是否为可逆过程：1)对刚性容器内的水加热使其在恒温下蒸发。
2)对刚性容器内的水作功使其在恒温下蒸发。
3)对刚性容器中的空气缓慢加热使其从50℃升温到100℃4)定质量的空气在无摩擦、不导热的气缸和活塞中被慢慢压缩5)100℃的蒸汽流与25℃的水流绝热混合。
6)锅炉中的水蒸汽定压发生过程（温度、压力保持不变）。
7)高压气体突然膨胀至低压。
8)摩托车发动机气缸中的热燃气随活塞迅速移动而膨胀。
9)气缸中充有水，水上面有无摩擦的活塞，缓慢地对水加热使之蒸发。
作业：1-2、1-6、1-8。