工程热力学1.基本概念和定义
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1-5 工质的状态变化过程
1-6 功和热量 1-7 热力循环
11
1-1 热能和机械能相互转换的过程
一、热能动力装置(Thermal power plant)
内燃机(internal combustion gas engine)
燃气轮机 (gas turbine power plant)
分 类 喷气发动机(jet power plant)
热 用 户
电
能
8
0-2 热力学发展简史
1. 热力学第一定律
能量守恒定律（焦耳、汤姆逊）- 第一类永动机
2. 热力学第二定律
热过程的方向性（开尔文、克劳修斯）- 第二类永动机
3. 热力学第三定律
绝对零度不能达到
9
0-3 工程热力学研究方法
1. 宏观方法：
连续体（continum） ，用宏观物理量描述其状 态，其基本规律是无数经验的总结。
微观：衡量分子平均动能的量度 T 0.5 m c 2 1）c ——分子移动均方根速度 2）0.5mc 2总0, T 0 3）T=0 0.5mc 2=0 分子一切运动停止，零点能
34
1-3 基本状态参数（Basic state properties）
一、温度 T（ Temperature ）
实验1 气体定压比热容的测定 2学时
实验2 二氧化碳p-v-T关系的测定 2学时
课程考核
1. 期中成绩
以10％计入总分；
2. 教学实验
根据实验课出勤率和实验报告的撰写，以10%计入总分；
3. 期末闭卷考试
作为专业基础课，采用闭卷考试形式；
考试内容覆盖全部课程内容。期末考试成绩以80%计入总分。
上述三项成绩若其中一项成绩为0分，则本门课程成绩为0分
2
课程的主要目的
通过本课程的学习，使学生着重从工程的角度掌握热力
学的基本规律；
正确运用热力学基本规律，理论联系实际地进行热力过 程、热力循环的分析和热力计算；
培养学生正确逻辑思维的能力，为学生学习后继有关专 业课程，提供必要的工程热力学的基础理论知识和热力 计算的基本方法；
为学生从事能源动力工程的设计、管理和科学研究提供 重要的热力学理论基础。
30
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
状态参数的积分特征： 状态参数变化量与路径
无关，只与初终态有关。 数学上：
2 2
point function
点函数、态函数
2
1 a 2
dz dz dz z2 z1
1 1, a 1,b
b
dz 0
例：温度变化 登山高度变化
V v m
比容
U u m
比内能
H h m
比焓
S s m
比熵
单位： /kg /kmol
32
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
速度 （强） （强） （强） （强） 动能 位能 内能 摩尔数 （广） （广） （广） （广）
33
Velocity
高度
Kinetic Energy
Height
温度 应力
一、温度 T（ Temperature ）
温标的换算 Temperature Measurement Devices
温度计 thermometer 热电偶 thermocouple 电阻温度计 resistance temperature detector 辐射温度计 radiation thermometer 铂电阻温度计 platinum resistance thermometer 激光全息干涉仪 CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法
二、状态参数的特性和分类
1． 状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效应，只 有平衡态才有状态参数，系统有多个状态参数，如:
p,V , T ,U , H , S
28
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
2．状态单值函数
物理—与过程无关；
数学—其微量是全微分，全微分沿闭合曲线的积分为零
1）状态参数的微分特征：全微分 2）状态参数的积分特征：循环积分为零
1）闭口系与系统内质量不变的区别； 注意： 2）开口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系。
24
1-2 热力系统（Thermodynamic system）
简单可压缩系统
Simple compressible system 最重要的系统 只交换热量和一种准静态的容积变化功
Moving Boundary Work
工程热力学
主讲：闫妍
电话：18208125255 办公室：5D211
课程的研究对象及主要内容
与热现象有关的能量利用与转换规律的科学； 研究内容：
1. 研究能量转换的客观规律，即热力学第一与第二定律；
2. 研究工质的基本热力性质；
3. 研究各种热工设备中的工作过程； 4. 研究热工设备工作过程的化学和物理问题。
（Swedish, A. Celsius, 1701-1744）
华氏温标Fahrenheit scale
（German, G. Fahrenheit, 1686-1736）
朗肯温标Rankine scale
（W. Rankine, 1820-1872）
36
1-3 基本状态参数（Basic state properties）
31
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
3．状态参数分类
广延量（extensive property）
强度量（intensive property ）
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 容积 V、内能 U、焓 H、熵S
比参数：广延量的比性质具有强度量特性
压 气 机 空 气
燃 气 轮 机 14
1-1 热能和机械能相互转换的过程
一、热能动力装置（蒸汽动力装置）
15
1-1 热能和机械能相互转换的过程
一、热能动力装置（核电站蒸汽动力装置）
载热质(重水、碱性金属蒸汽)
反 应 堆 浓 缩 铀
汽轮机
换 热 器
发电机
泵
( )
冷凝器 泵
冷却水
16
1-1 热能和机械能相互转换的过程
3
课时安排
•第0章 绪论
1课时
•第8章 压气机的热力过程
2课时
•第1章 基本概念及定义 2课时 •第2章 热力学第一定律 4课时 √ •第3章 理想气体性质
4课时
•第9章 气体动力循环
•第12章 理想气体混合物
4课时 √
2课时
•第4章 气体的热力过程 4课时 •第5章 热力学第二定律 5课时 √
5
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，用于描述此宏观特征的物理量。 温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。
Temperature measurement
物质 （水银，铂电阻） 特性 （体积膨胀，阻值）
基准点 Reference state 刻度 Scale 温标
以热力学第一和第二定律为基础。
2. 微观方法：
从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象 及规律。
揭示本质，模型近似。
10
第一章 基本概念及定义
Basic Concepts and Definition
1-1 热能和机械能相互转换过程 1-2 热力系统
1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数
1-4 平衡状态和状态方程式
四、热力系示例
刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝
1）红线内 ——闭口绝热系 2）黄线内不包含电热丝 ——闭口系 3）黄线内包含电热丝
——闭口绝热系
4）蓝线内
——孤立系
27
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
一、热力学状态和状态参数
热力学状态（state of thermodynamic system）状态确定，则 状态参数也确 —系统宏观物理状况的综合 定，反之亦然 状态参数（state properties） —描述物系所处状态的宏观物理量
Potential Energy
Internal Energy Mol
Temperature Stress
1-3 基本状态参数（Basic state properties）
温度 T、压力 p、比容 v （容易测量）
一、温度 T（ Temperature ）
传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量
37
1-3 基本状态参数（Basic state properties）
二、压力 p（Pressure）
6
绪 论
1．什么是工程热力学
从工程技术观点出发，研究物质的热力学性质，热能转换为
机械能的规律和方法，以及有效、合理地利用热能的途径。
Thermodynamics can be defined as the science of energy Therme heat dynamis 热能 Thermal Energy
29
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
状态参数的微分特征：
设 z=z(x,y), dz是全微分
（Total differentials）
z z dz dx dy x y y x
充要条件：
z z xy yx
2 2
可判断是否 是状态参数
大 气 大 气 冷库
功 对外输出功
对外输出功 对外输出功 消耗功
共同基本特点：
1、工质 3、功的传输
2、冷源、热源 4、循环
18
1-2 热力系统（Thermodynamic system）
一、定义
• 系统(thermodynamic system, system) 人为分割出来，作为热力学 研究对象的有限物质系统。
建立节能 理论基础
7
power
0-1 能量的转换及其利用
一 次 能 源
风 能
燃 料 电 池 风车
水 力 能
水 水 力 车 机 械
化 学 能
燃 烧
核
能
裂 聚 变 变
地 热 能
传 热 传 热
太 阳 能
热
热 机
能
温 差 发 电
二 次 能 源
机 械 能
发 电 机 电 动 机
磁 流 体 发 电
光 电 反 应
21
1-2 热力系统（Thermodynamic system）
热力系统选 取的人为性 过热器
汽轮机
锅 炉
只交换功
发电机
凝 汽 器
既交换功 也交换热 只交换热
22
给水泵
1-2 热力系统（Thermodynamic system）
三、热力系统分类
1、按系统与外界质量交换
闭口系（closed system）（控制质量CM）
温度计
Temperature scale
35
1-3 基本状态参数（Basic state properties）
一、温度 T（ Temperature ）
热力学温标（绝对温标） Kelvin scale
（Britisher, L. Kelvin, 1824-1907）
常用温标之间的关系
摄氏温标Celsius scale
一、热能动力装置（压缩制冷装置）
冷Fra Baidu bibliotek水
3 膨胀 冷却器（放热） 2 压缩
膨胀机
冷库（吸热）
压缩机 1
17
4
1-1 热能和机械能相互转换的过程
装置名称 蒸汽动力装置
燃气轮机装置 内燃机装置 压缩制冷装置
工作物质 水蒸汽
燃 气 燃 气 制冷剂
热 源 高温物体
燃烧产物(自身) 燃烧产物(自身) 大 气
冷源 冷却水
• 外界(surrounding )：
与体系发生质、能交换的物系。 • 边界(boundary)： 系统与外界的分界面（线）。
20
1-2 热力系统（Thermodynamic system）
二、边界示例 a）固定的或可移动的 b）实际的或虚拟的 c）刚性的或可变形的
真实、 虚构
real 、 imaginary
—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
23
1-2 热力系统（Thermodynamic system）
三、热力系分类
2、按热量交换
绝热系（adiabatic system）— 与外界无热量交换;
3、按能量交换
孤立系（isolated system）— 与外界无任何形式的质能交换。
蒸气动力装置 (steam power plant)
制冷制热装置（refrigeration and heat pump systems）
12
1-1 热能和机械能相互转换的过程
一、热能动力装置（内燃机装置）
13
1-1 热能和机械能相互转换的过程
一、热能动力装置（燃气轮机装置）
燃烧室 废 气
燃 料
容积变化功
Compression Work
压缩功 膨胀功
Expansion Work
25
1-2 热力系统（Thermodynamic system）
1 开口系
1 W 4
m Q
2
1+2 闭口系 1+2+3 绝热闭口系 1+2+3+4 孤立系
3
非孤立系＋相关外界 ＝孤立系
26
1-2 热力系统（Thermodynamic system）
1-6 功和热量 1-7 热力循环
11
1-1 热能和机械能相互转换的过程
一、热能动力装置(Thermal power plant)
内燃机(internal combustion gas engine)
燃气轮机 (gas turbine power plant)
分 类 喷气发动机(jet power plant)
热 用 户
电
能
8
0-2 热力学发展简史
1. 热力学第一定律
能量守恒定律（焦耳、汤姆逊）- 第一类永动机
2. 热力学第二定律
热过程的方向性（开尔文、克劳修斯）- 第二类永动机
3. 热力学第三定律
绝对零度不能达到
9
0-3 工程热力学研究方法
1. 宏观方法：
连续体（continum） ，用宏观物理量描述其状 态，其基本规律是无数经验的总结。
微观：衡量分子平均动能的量度 T 0.5 m c 2 1）c ——分子移动均方根速度 2）0.5mc 2总0, T 0 3）T=0 0.5mc 2=0 分子一切运动停止，零点能
34
1-3 基本状态参数（Basic state properties）
一、温度 T（ Temperature ）
实验1 气体定压比热容的测定 2学时
实验2 二氧化碳p-v-T关系的测定 2学时
课程考核
1. 期中成绩
以10％计入总分；
2. 教学实验
根据实验课出勤率和实验报告的撰写，以10%计入总分；
3. 期末闭卷考试
作为专业基础课，采用闭卷考试形式；
考试内容覆盖全部课程内容。期末考试成绩以80%计入总分。
上述三项成绩若其中一项成绩为0分，则本门课程成绩为0分
2
课程的主要目的
通过本课程的学习，使学生着重从工程的角度掌握热力
学的基本规律；
正确运用热力学基本规律，理论联系实际地进行热力过 程、热力循环的分析和热力计算；
培养学生正确逻辑思维的能力，为学生学习后继有关专 业课程，提供必要的工程热力学的基础理论知识和热力 计算的基本方法；
为学生从事能源动力工程的设计、管理和科学研究提供 重要的热力学理论基础。
30
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
状态参数的积分特征： 状态参数变化量与路径
无关，只与初终态有关。 数学上：
2 2
point function
点函数、态函数
2
1 a 2
dz dz dz z2 z1
1 1, a 1,b
b
dz 0
例：温度变化 登山高度变化
V v m
比容
U u m
比内能
H h m
比焓
S s m
比熵
单位： /kg /kmol
32
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
速度 （强） （强） （强） （强） 动能 位能 内能 摩尔数 （广） （广） （广） （广）
33
Velocity
高度
Kinetic Energy
Height
温度 应力
一、温度 T（ Temperature ）
温标的换算 Temperature Measurement Devices
温度计 thermometer 热电偶 thermocouple 电阻温度计 resistance temperature detector 辐射温度计 radiation thermometer 铂电阻温度计 platinum resistance thermometer 激光全息干涉仪 CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法
二、状态参数的特性和分类
1． 状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效应，只 有平衡态才有状态参数，系统有多个状态参数，如:
p,V , T ,U , H , S
28
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
2．状态单值函数
物理—与过程无关；
数学—其微量是全微分，全微分沿闭合曲线的积分为零
1）状态参数的微分特征：全微分 2）状态参数的积分特征：循环积分为零
1）闭口系与系统内质量不变的区别； 注意： 2）开口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系。
24
1-2 热力系统（Thermodynamic system）
简单可压缩系统
Simple compressible system 最重要的系统 只交换热量和一种准静态的容积变化功
Moving Boundary Work
工程热力学
主讲：闫妍
电话：18208125255 办公室：5D211
课程的研究对象及主要内容
与热现象有关的能量利用与转换规律的科学； 研究内容：
1. 研究能量转换的客观规律，即热力学第一与第二定律；
2. 研究工质的基本热力性质；
3. 研究各种热工设备中的工作过程； 4. 研究热工设备工作过程的化学和物理问题。
（Swedish, A. Celsius, 1701-1744）
华氏温标Fahrenheit scale
（German, G. Fahrenheit, 1686-1736）
朗肯温标Rankine scale
（W. Rankine, 1820-1872）
36
1-3 基本状态参数（Basic state properties）
31
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
3．状态参数分类
广延量（extensive property）
强度量（intensive property ）
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 容积 V、内能 U、焓 H、熵S
比参数：广延量的比性质具有强度量特性
压 气 机 空 气
燃 气 轮 机 14
1-1 热能和机械能相互转换的过程
一、热能动力装置（蒸汽动力装置）
15
1-1 热能和机械能相互转换的过程
一、热能动力装置（核电站蒸汽动力装置）
载热质(重水、碱性金属蒸汽)
反 应 堆 浓 缩 铀
汽轮机
换 热 器
发电机
泵
( )
冷凝器 泵
冷却水
16
1-1 热能和机械能相互转换的过程
3
课时安排
•第0章 绪论
1课时
•第8章 压气机的热力过程
2课时
•第1章 基本概念及定义 2课时 •第2章 热力学第一定律 4课时 √ •第3章 理想气体性质
4课时
•第9章 气体动力循环
•第12章 理想气体混合物
4课时 √
2课时
•第4章 气体的热力过程 4课时 •第5章 热力学第二定律 5课时 √
5
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，用于描述此宏观特征的物理量。 温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。
Temperature measurement
物质 （水银，铂电阻） 特性 （体积膨胀，阻值）
基准点 Reference state 刻度 Scale 温标
以热力学第一和第二定律为基础。
2. 微观方法：
从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象 及规律。
揭示本质，模型近似。
10
第一章 基本概念及定义
Basic Concepts and Definition
1-1 热能和机械能相互转换过程 1-2 热力系统
1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数
1-4 平衡状态和状态方程式
四、热力系示例
刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝
1）红线内 ——闭口绝热系 2）黄线内不包含电热丝 ——闭口系 3）黄线内包含电热丝
——闭口绝热系
4）蓝线内
——孤立系
27
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
一、热力学状态和状态参数
热力学状态（state of thermodynamic system）状态确定，则 状态参数也确 —系统宏观物理状况的综合 定，反之亦然 状态参数（state properties） —描述物系所处状态的宏观物理量
Potential Energy
Internal Energy Mol
Temperature Stress
1-3 基本状态参数（Basic state properties）
温度 T、压力 p、比容 v （容易测量）
一、温度 T（ Temperature ）
传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量
37
1-3 基本状态参数（Basic state properties）
二、压力 p（Pressure）
6
绪 论
1．什么是工程热力学
从工程技术观点出发，研究物质的热力学性质，热能转换为
机械能的规律和方法，以及有效、合理地利用热能的途径。
Thermodynamics can be defined as the science of energy Therme heat dynamis 热能 Thermal Energy
29
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
状态参数的微分特征：
设 z=z(x,y), dz是全微分
（Total differentials）
z z dz dx dy x y y x
充要条件：
z z xy yx
2 2
可判断是否 是状态参数
大 气 大 气 冷库
功 对外输出功
对外输出功 对外输出功 消耗功
共同基本特点：
1、工质 3、功的传输
2、冷源、热源 4、循环
18
1-2 热力系统（Thermodynamic system）
一、定义
• 系统(thermodynamic system, system) 人为分割出来，作为热力学 研究对象的有限物质系统。
建立节能 理论基础
7
power
0-1 能量的转换及其利用
一 次 能 源
风 能
燃 料 电 池 风车
水 力 能
水 水 力 车 机 械
化 学 能
燃 烧
核
能
裂 聚 变 变
地 热 能
传 热 传 热
太 阳 能
热
热 机
能
温 差 发 电
二 次 能 源
机 械 能
发 电 机 电 动 机
磁 流 体 发 电
光 电 反 应
21
1-2 热力系统（Thermodynamic system）
热力系统选 取的人为性 过热器
汽轮机
锅 炉
只交换功
发电机
凝 汽 器
既交换功 也交换热 只交换热
22
给水泵
1-2 热力系统（Thermodynamic system）
三、热力系统分类
1、按系统与外界质量交换
闭口系（closed system）（控制质量CM）
温度计
Temperature scale
35
1-3 基本状态参数（Basic state properties）
一、温度 T（ Temperature ）
热力学温标（绝对温标） Kelvin scale
（Britisher, L. Kelvin, 1824-1907）
常用温标之间的关系
摄氏温标Celsius scale
一、热能动力装置（压缩制冷装置）
冷Fra Baidu bibliotek水
3 膨胀 冷却器（放热） 2 压缩
膨胀机
冷库（吸热）
压缩机 1
17
4
1-1 热能和机械能相互转换的过程
装置名称 蒸汽动力装置
燃气轮机装置 内燃机装置 压缩制冷装置
工作物质 水蒸汽
燃 气 燃 气 制冷剂
热 源 高温物体
燃烧产物(自身) 燃烧产物(自身) 大 气
冷源 冷却水
• 外界(surrounding )：
与体系发生质、能交换的物系。 • 边界(boundary)： 系统与外界的分界面（线）。
20
1-2 热力系统（Thermodynamic system）
二、边界示例 a）固定的或可移动的 b）实际的或虚拟的 c）刚性的或可变形的
真实、 虚构
real 、 imaginary
—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
23
1-2 热力系统（Thermodynamic system）
三、热力系分类
2、按热量交换
绝热系（adiabatic system）— 与外界无热量交换;
3、按能量交换
孤立系（isolated system）— 与外界无任何形式的质能交换。
蒸气动力装置 (steam power plant)
制冷制热装置（refrigeration and heat pump systems）
12
1-1 热能和机械能相互转换的过程
一、热能动力装置（内燃机装置）
13
1-1 热能和机械能相互转换的过程
一、热能动力装置（燃气轮机装置）
燃烧室 废 气
燃 料
容积变化功
Compression Work
压缩功 膨胀功
Expansion Work
25
1-2 热力系统（Thermodynamic system）
1 开口系
1 W 4
m Q
2
1+2 闭口系 1+2+3 绝热闭口系 1+2+3+4 孤立系
3
非孤立系＋相关外界 ＝孤立系
26
1-2 热力系统（Thermodynamic system）