第一章基本概念
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系统与外界无热量交换但可以有物质交换的系统
孤立系统（Isolated system） 系统与外界既无能量交换又无物质交换的系统
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2015/10/13
1-1 热机、工质、热源与热力系统 简单系统
只交换热量和一种形式的功
简单可压缩系统
只交换热量和一种体积变化功 体积变化功：膨胀功
压缩功
1-1 热机、工质、热源与热力系统
p 1
1）系统任何平衡状态可 表示在坐标图上
2）过程线中任意一点
为平衡状态
2
3）不平衡状态因为没有确
定的状态参数，无法在状
v
态参数坐标图中表示
第1章：基本概念
1-1 热力系统 1-2 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图 1-4 准平衡过程与可逆过程 1-5 过程功和热量
用来描述工质所处平衡状态的宏观物理量称为状 态参数。
如温度、压力、体积等。 状态参数特点：状态确定，状态参数的数值也确 定，反之亦然。
1-2 热力学状态与状态参数
基本状态参数： 工程热力学中常用的状态参数有压力、温度、比体积、比
热力学能、比焓、比熵等，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。 （1）压力：
当两个温度不同的物体相互接触时，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 的温度将逐渐趋于一致，最终将达到热平衡（即温 度相等）。所以温度是热平衡的判据 。
温度相等
热平衡
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1-2 热力学状态与状态参数
热力学第零定律 如果两个物体同时与第三个物体处于热平衡，
它们彼此也处于热平衡。 －引出了温度的概念
1-1 热机、工质、热源与热力系统
热动力装置的分类： （1）蒸汽动力装置——利用水蒸气作 热功转换的工质。 多用于热电厂（火 电厂）， 要有单独的大锅炉。
（2）内燃动力装置—— 利用燃气作为 能量转换的工质。 用途广泛： 汽车、机车、摩托车、 轮船、飞机、小型发电厂等。 结构紧凑、无需锅炉。
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热机： 能将热能转换为机械能的机器。如蒸汽机，蒸
汽轮机， 燃气轮机，内燃机等。 热能往往来自于燃料燃烧释放出来的化学能，
从燃料投入到机械能或电能产出需要一整套设 备； 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），统称热能动 力装置。 热机是热动力装置中的主要设备。
如图所示，绝热活塞把一个刚性绝热容器分成A和B两部分 ，分别有某种气体，B侧设有电加热丝。活塞在容器内可以 自由移动，但两部分气体不能互相渗透。合上电闸，B侧气 体缓慢膨胀，问： （1）取A侧气体为系统，是什么系统？ （2）取A侧和B侧全部气体为系统（不包括电热丝），是什 么系统？ （3）取A侧和B侧全部气体和电热丝为系统，是什么系统？ （4）取图中虚线内为系统，是什么系统？
v 1
比体积和密度二者相关，通常以比体积作为状态 参数 。
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1-2 热力学状态与状态参数
例题二：
如图所示，某容器被分隔成A、B两室，已知环境大气压为 0.1013MPa ,压力表2的读数为0.04MPa,压力表1的读数为 0.294MPa,求压力表3的读数（用MPa表示）
本身热容量很大，且在放出或吸收有限量热量 时自身温度及其它热力学参数没有明显变化的物 体。
工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。 提供热量的热源称为高温热源 吸收热量的热源称为低温热源
1-1 热机、工质、热源与热力系统
1
过热器 6
锅炉
汽轮机
冷
给水泵
凝 器
4
3
发 电 机 2
冷却水
热源，冷源 工质 膨胀做功 循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热)
系统参数不随时间而变化，则认为系统处于稳 定状态，无需考虑参数保持不变是如何实现的
平衡状态必须是在没有外界作用下实现参数保 持不变。
工程热力学通常只研究平衡状态
1-3 平衡状态和状态方程式 状态公理
对于和外界只有热量和体积变化功（膨胀 功或压缩功）的简单可压缩系统，只需两个
独立的参数（如p、v，p、T 或v、T）便可确
定它的平衡状态。 系统的独立状态参数的数目N，等于系统对
外所作的广义功的数目n再加1。
N n1
简单可压缩系n=1, N=2
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状态方程式 表示状态参数之间关系的方程式称为状
态方程式 。如：
p f (v,T )
T f ( p,v)
F p,v,T 0
pv RT
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 ～100 ℃温度下的体积差 均分成100份，每份对应1 ℃。
1-2 热力学状态与状态参数
（3）比体积 单位质量的工质所占有的体积，用符号 v表示，单位为 m3/kg 。
vV m
密度： 单 位 体 积 工 质 的 质 量 ， 用 符 号 表示，单位为 kg/ m3 。
1-3 平衡状态和状态方程式
状态参数坐标图：
由热力系的状态参数所组成的坐标图
常用坐标图： 压容图（p-v图）温熵图（T-s图） 压焓图（p-h图）
p 1
p1 2
p2
T 1
T1
p 1
p1
0
v1 v2 v
0
s1
p-v图
T-s图
s0
h1
h
p-h图
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1-3 平衡状态和状态方程式
简单可压缩系统 N=2，平面坐标图
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1-1 热机、工质、热源与热力系统
其工作过程为：
1.燃料和空气的混合物 在气缸中燃烧，生成的燃气 具有比周围介质高的多的温 度和压力，具有做功的能力
2.高温高压气体在气缸 中膨胀推动活塞作功；
燃气膨胀后温度、压力 降低，表明其内能减少
燃气的部分热能转化为 活塞的机械能，再传递到飞 轮
1
A
2B
3
第1章Fra Baidu bibliotek基本概念
1-1 热力系统 1-2 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图 1-4 准平衡过程与可逆过程 1-5 过程功和热量
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1-3 平衡状态和状态方程式 平衡状态：
在不受外界影响的条件下，工质（或系统）的状 态参数不随时间而变化的状态称为平衡状态。 非平衡状态：
1-1 热机、工质、热源与热力系统
电厂汽轮机车间
汽轮机转子
1-1 热机、工质、热源与热力系统
工质： 实现热能和机械能之间转换的媒介物质。 例如空气、燃气、水蒸气等。 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
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1-1 热机、工质、热源与热力系统 热源：
（2）力平衡： 组成热力系统的各部分之间没有相对位移， 是否存在压力差是判断系统处于力平衡的条件。
（3）化学平衡： 化学反应宏观上停止，反应物和生成物的化学位 相等是实现化学平衡的充要条件。
（4）相平衡： 系统内化学势处处相等(组元的偏化学势在各相相等)
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1-3 平衡状态和状态方程式 稳定状态和平衡状态的差别
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工程热力学与传热学
工程热力学与传热学
第一章 基本概念
第一章 基本概念
第1章：基本概念
1-1 热力系统 1-2 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图 1-4 准平衡过程与可逆过程 1-5 过程功和热量
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1-1 热机、工质、热源与热力系统
思考 题
1.闭口系统具有恒定的质量,那么系统内质量保持 恒定的热力系一定是闭口系统吗？ 2.绝热系统与外界可以有温差吗？ 3.孤立系统一定是闭口的,反过来闭口系统一定是 孤立的吗？ 4.孤立系统一定是绝热系统，但绝热系统不一定都
是孤立的。
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1-1 热机、工质、热源与热力系统
例题一：
1-2 热力学状态与状态参数
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1-2 热力学状态与状态参数
绝对压力与相对压力
当 p > pb 当 p < pb
表压力 pe 真空度 pv
p pe pb p pb pv
只有绝对压力 p 才
是状态参数。
1-2 热力学状态与状态参数
（2）温度： 温度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。
单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）
p F A
单位 : Pa （帕），1 Pa =1 N/ m2 ， 1 MPa = 103 kPa =106 Pa
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1-2 热力学状态与状态参数
常用非SI压力单位：
1 bar（巴） = 105 Pa 1 atm（标准大气压） = 1.013105 Pa 1 at （工程大气压） = 0.981105 Pa 1 mmH2O（毫米水柱） = 9.81 Pa 1 mmHg （毫米汞柱） = 133.3 Pa
外界：
系统以外的物体称为外界或环境。
边界：
系统与外界之间的分界面称为边界。
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1-1 热机、工质、热源与热力系统
系统及边界示例
气缸-活塞装置 以一定质量的气体为研
究对象则气体就是热力 系统
1-1 热机、工质、热源与热力系统 热力系分类
(1) 按系统与外界是否进行质量交换 闭口系统（closed system） 系统与外界之间没有物质交换，只有能量交换，
经过一定时间的间隔，空气和 燃料即被送入气缸中，并在其中 燃烧、膨胀、推动活塞作功。
周而复始地进行能量的转化。
热变功时有何特点呢？ 燃气膨胀实现热变功！
1-1 热机、工质、热源与热力系统
热力系统：
在工程热力学中，通常选取一定的工质或空间作 为研究对象，称之为热力系统，简称系统。
人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质 系统。
热力学第零定律是温度测量的理论依据 温标：温度的数值表示法
建立温标的三个要素： a . 选择温度的固定点，规定其数值；b. 确定温度标 尺的分度方法和单位；c. 选择某随温度变化的物性作为温度 测量的 依据。
1-2 热力学状态与状态参数
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
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1-2 热力学状态与状态参数
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℃ 。
当系统内部各部分的温度或压力不一致时，各部 分间将发生热量的传递或相对位移，其状态随时间 而变化，这种状态称为非平衡状态 非平衡状态不能用状态参数来描写
1-3 平衡状态和状态方程式
系统达到平衡状态的充要条件：
（1）热平衡： 组成热力系统的各部分之间没有热量传递， 是否存在温度差是判断系统处于热平衡的条件。
第1章：基本概念
1-1 热力系统 1-2 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图 1-4 准平衡过程与可逆过程 1-5 过程功和热量
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1-2 热力学状态与状态参数 热力学状态：
把工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏 观物理状况称为工质的热力学状态，简称状态。 状态参数：
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。
热力学温标与摄氏温标的关系：
温差:1 K = 1 ℃
t = T – 273.15 K
系统的质量始终保持恒定，也称为控制质量系统
边界 外界
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1-1 热机、工质、热源与热力系统
开口系统（open system） 系统与外界之间既有物质交换，又有能量交换，
系统是一个划定的空间范围，也称为控制容积系统 进 口
出 口
1-1 热机、工质、热源与热力系统
（2）按系统与外界能量交换情况划分 绝热系统（ Adiabatic system ）
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（1）热力过程
1-4 准平衡过程与可逆过程
系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。
（2）准平衡过程（准静态过程）
假设过程中系统所经历的每一个状态都无 限地接近平衡状态的过程。
1-4 准平衡过程与可逆过程
一般过程
1、若p1 = p0+重物 2、突然去掉重物
孤立系统（Isolated system） 系统与外界既无能量交换又无物质交换的系统
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1-1 热机、工质、热源与热力系统 简单系统
只交换热量和一种形式的功
简单可压缩系统
只交换热量和一种体积变化功 体积变化功：膨胀功
压缩功
1-1 热机、工质、热源与热力系统
p 1
1）系统任何平衡状态可 表示在坐标图上
2）过程线中任意一点
为平衡状态
2
3）不平衡状态因为没有确
定的状态参数，无法在状
v
态参数坐标图中表示
第1章：基本概念
1-1 热力系统 1-2 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图 1-4 准平衡过程与可逆过程 1-5 过程功和热量
用来描述工质所处平衡状态的宏观物理量称为状 态参数。
如温度、压力、体积等。 状态参数特点：状态确定，状态参数的数值也确 定，反之亦然。
1-2 热力学状态与状态参数
基本状态参数： 工程热力学中常用的状态参数有压力、温度、比体积、比
热力学能、比焓、比熵等，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。 （1）压力：
当两个温度不同的物体相互接触时，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 的温度将逐渐趋于一致，最终将达到热平衡（即温 度相等）。所以温度是热平衡的判据 。
温度相等
热平衡
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1-2 热力学状态与状态参数
热力学第零定律 如果两个物体同时与第三个物体处于热平衡，
它们彼此也处于热平衡。 －引出了温度的概念
1-1 热机、工质、热源与热力系统
热动力装置的分类： （1）蒸汽动力装置——利用水蒸气作 热功转换的工质。 多用于热电厂（火 电厂）， 要有单独的大锅炉。
（2）内燃动力装置—— 利用燃气作为 能量转换的工质。 用途广泛： 汽车、机车、摩托车、 轮船、飞机、小型发电厂等。 结构紧凑、无需锅炉。
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热机： 能将热能转换为机械能的机器。如蒸汽机，蒸
汽轮机， 燃气轮机，内燃机等。 热能往往来自于燃料燃烧释放出来的化学能，
从燃料投入到机械能或电能产出需要一整套设 备； 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），统称热能动 力装置。 热机是热动力装置中的主要设备。
如图所示，绝热活塞把一个刚性绝热容器分成A和B两部分 ，分别有某种气体，B侧设有电加热丝。活塞在容器内可以 自由移动，但两部分气体不能互相渗透。合上电闸，B侧气 体缓慢膨胀，问： （1）取A侧气体为系统，是什么系统？ （2）取A侧和B侧全部气体为系统（不包括电热丝），是什 么系统？ （3）取A侧和B侧全部气体和电热丝为系统，是什么系统？ （4）取图中虚线内为系统，是什么系统？
v 1
比体积和密度二者相关，通常以比体积作为状态 参数 。
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1-2 热力学状态与状态参数
例题二：
如图所示，某容器被分隔成A、B两室，已知环境大气压为 0.1013MPa ,压力表2的读数为0.04MPa,压力表1的读数为 0.294MPa,求压力表3的读数（用MPa表示）
本身热容量很大，且在放出或吸收有限量热量 时自身温度及其它热力学参数没有明显变化的物 体。
工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。 提供热量的热源称为高温热源 吸收热量的热源称为低温热源
1-1 热机、工质、热源与热力系统
1
过热器 6
锅炉
汽轮机
冷
给水泵
凝 器
4
3
发 电 机 2
冷却水
热源，冷源 工质 膨胀做功 循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热)
系统参数不随时间而变化，则认为系统处于稳 定状态，无需考虑参数保持不变是如何实现的
平衡状态必须是在没有外界作用下实现参数保 持不变。
工程热力学通常只研究平衡状态
1-3 平衡状态和状态方程式 状态公理
对于和外界只有热量和体积变化功（膨胀 功或压缩功）的简单可压缩系统，只需两个
独立的参数（如p、v，p、T 或v、T）便可确
定它的平衡状态。 系统的独立状态参数的数目N，等于系统对
外所作的广义功的数目n再加1。
N n1
简单可压缩系n=1, N=2
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状态方程式 表示状态参数之间关系的方程式称为状
态方程式 。如：
p f (v,T )
T f ( p,v)
F p,v,T 0
pv RT
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 ～100 ℃温度下的体积差 均分成100份，每份对应1 ℃。
1-2 热力学状态与状态参数
（3）比体积 单位质量的工质所占有的体积，用符号 v表示，单位为 m3/kg 。
vV m
密度： 单 位 体 积 工 质 的 质 量 ， 用 符 号 表示，单位为 kg/ m3 。
1-3 平衡状态和状态方程式
状态参数坐标图：
由热力系的状态参数所组成的坐标图
常用坐标图： 压容图（p-v图）温熵图（T-s图） 压焓图（p-h图）
p 1
p1 2
p2
T 1
T1
p 1
p1
0
v1 v2 v
0
s1
p-v图
T-s图
s0
h1
h
p-h图
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1-3 平衡状态和状态方程式
简单可压缩系统 N=2，平面坐标图
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1-1 热机、工质、热源与热力系统
其工作过程为：
1.燃料和空气的混合物 在气缸中燃烧，生成的燃气 具有比周围介质高的多的温 度和压力，具有做功的能力
2.高温高压气体在气缸 中膨胀推动活塞作功；
燃气膨胀后温度、压力 降低，表明其内能减少
燃气的部分热能转化为 活塞的机械能，再传递到飞 轮
1
A
2B
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第1章Fra Baidu bibliotek基本概念
1-1 热力系统 1-2 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图 1-4 准平衡过程与可逆过程 1-5 过程功和热量
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1-3 平衡状态和状态方程式 平衡状态：
在不受外界影响的条件下，工质（或系统）的状 态参数不随时间而变化的状态称为平衡状态。 非平衡状态：
1-1 热机、工质、热源与热力系统
电厂汽轮机车间
汽轮机转子
1-1 热机、工质、热源与热力系统
工质： 实现热能和机械能之间转换的媒介物质。 例如空气、燃气、水蒸气等。 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
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1-1 热机、工质、热源与热力系统 热源：
（2）力平衡： 组成热力系统的各部分之间没有相对位移， 是否存在压力差是判断系统处于力平衡的条件。
（3）化学平衡： 化学反应宏观上停止，反应物和生成物的化学位 相等是实现化学平衡的充要条件。
（4）相平衡： 系统内化学势处处相等(组元的偏化学势在各相相等)
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1-3 平衡状态和状态方程式 稳定状态和平衡状态的差别
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工程热力学与传热学
工程热力学与传热学
第一章 基本概念
第一章 基本概念
第1章：基本概念
1-1 热力系统 1-2 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图 1-4 准平衡过程与可逆过程 1-5 过程功和热量
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1-1 热机、工质、热源与热力系统
思考 题
1.闭口系统具有恒定的质量,那么系统内质量保持 恒定的热力系一定是闭口系统吗？ 2.绝热系统与外界可以有温差吗？ 3.孤立系统一定是闭口的,反过来闭口系统一定是 孤立的吗？ 4.孤立系统一定是绝热系统，但绝热系统不一定都
是孤立的。
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1-1 热机、工质、热源与热力系统
例题一：
1-2 热力学状态与状态参数
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1-2 热力学状态与状态参数
绝对压力与相对压力
当 p > pb 当 p < pb
表压力 pe 真空度 pv
p pe pb p pb pv
只有绝对压力 p 才
是状态参数。
1-2 热力学状态与状态参数
（2）温度： 温度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。
单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）
p F A
单位 : Pa （帕），1 Pa =1 N/ m2 ， 1 MPa = 103 kPa =106 Pa
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1-2 热力学状态与状态参数
常用非SI压力单位：
1 bar（巴） = 105 Pa 1 atm（标准大气压） = 1.013105 Pa 1 at （工程大气压） = 0.981105 Pa 1 mmH2O（毫米水柱） = 9.81 Pa 1 mmHg （毫米汞柱） = 133.3 Pa
外界：
系统以外的物体称为外界或环境。
边界：
系统与外界之间的分界面称为边界。
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1-1 热机、工质、热源与热力系统
系统及边界示例
气缸-活塞装置 以一定质量的气体为研
究对象则气体就是热力 系统
1-1 热机、工质、热源与热力系统 热力系分类
(1) 按系统与外界是否进行质量交换 闭口系统（closed system） 系统与外界之间没有物质交换，只有能量交换，
经过一定时间的间隔，空气和 燃料即被送入气缸中，并在其中 燃烧、膨胀、推动活塞作功。
周而复始地进行能量的转化。
热变功时有何特点呢？ 燃气膨胀实现热变功！
1-1 热机、工质、热源与热力系统
热力系统：
在工程热力学中，通常选取一定的工质或空间作 为研究对象，称之为热力系统，简称系统。
人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质 系统。
热力学第零定律是温度测量的理论依据 温标：温度的数值表示法
建立温标的三个要素： a . 选择温度的固定点，规定其数值；b. 确定温度标 尺的分度方法和单位；c. 选择某随温度变化的物性作为温度 测量的 依据。
1-2 热力学状态与状态参数
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
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1-2 热力学状态与状态参数
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℃ 。
当系统内部各部分的温度或压力不一致时，各部 分间将发生热量的传递或相对位移，其状态随时间 而变化，这种状态称为非平衡状态 非平衡状态不能用状态参数来描写
1-3 平衡状态和状态方程式
系统达到平衡状态的充要条件：
（1）热平衡： 组成热力系统的各部分之间没有热量传递， 是否存在温度差是判断系统处于热平衡的条件。
第1章：基本概念
1-1 热力系统 1-2 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图 1-4 准平衡过程与可逆过程 1-5 过程功和热量
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1-2 热力学状态与状态参数 热力学状态：
把工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏 观物理状况称为工质的热力学状态，简称状态。 状态参数：
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。
热力学温标与摄氏温标的关系：
温差:1 K = 1 ℃
t = T – 273.15 K
系统的质量始终保持恒定，也称为控制质量系统
边界 外界
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1-1 热机、工质、热源与热力系统
开口系统（open system） 系统与外界之间既有物质交换，又有能量交换，
系统是一个划定的空间范围，也称为控制容积系统 进 口
出 口
1-1 热机、工质、热源与热力系统
（2）按系统与外界能量交换情况划分 绝热系统（ Adiabatic system ）
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（1）热力过程
1-4 准平衡过程与可逆过程
系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。
（2）准平衡过程（准静态过程）
假设过程中系统所经历的每一个状态都无 限地接近平衡状态的过程。
1-4 准平衡过程与可逆过程
一般过程
1、若p1 = p0+重物 2、突然去掉重物