1 第一章 基本概念

例如：锅炉、循环水池、大气等。 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。
Fundamentals of thermal engineering 热 工 基 础
1-1 热力系统 系统、边界与外界 系统：热设备中分离出来作为热力学研究对象的物体。 外界：系统之外与系统有关的物体。 边界：系统与外界的分界面。 边界可以是假想的，也可以是实际存在的，可以 是固定的，也可以是移动的。通常用虚线标出。
p1 p真空室 pA 2 360 362kPa
d =450mm
真空室
A
1
2
C
B
745mm Hg
p2 p1 pB 362 170 192kPa
pC p2 p真空室 192 2 190kPa
F

( pb

p真空室 ) A

745 133.3
第一篇 工程热力学
第一章 基本概念
1-1 热力系统
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 燃机和喷气发动机等。
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热机工作过程示意图
过热蒸汽
发电机
锅
汽轮机
炉
乏汽 循环水
冷凝器
水泵
冷却水
高温热源
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、状态参数的微分特征：全微分。
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1-2 平衡状态和状态参数
1、平衡状态： 在没有外界作用的情况下，系统的宏观性质
1-5 功量与热量
根据熵的变化判断一个可逆过程中系统 与外界之间热量交换的方向：
ds 0 ， q 0 ， 系统吸热； ds 0 ， q 0 ， 系统放热。 ds 0 ， q 0 ，系统绝热，定熵过程。
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1-2 平衡状态和状态参数
压力测量：
pe 大气压力
p pv
pb
p
绝对压力 p、大气压力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。
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温度相等
热平衡
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1-2 平衡状态和状态参数
② 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
律基础上建立，也称开尔文温标。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.。
1-2 平衡状态和状态参数
思考题： 说法“倘若容器内的绝对压力没有变化且大于 大气压力，则安装在该容器上的压力表读数不 变”对否？为什么？
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例题
P18：1-4
已知：d 450 mm , pA 360 kPa ,
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1-1 热力系统
边界 W
系统
Q
边界 系统
系统的类型 按系统与外界交换的形式分类 系统与外界有三种相互作用形式：质、功、热
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1-1 热力系统
系统放热为“ - ” 。
热量和功量都是系统与外界在相互作用的过程中所 传递的能量，都是过程量而不是状态量
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1-5 功量与热量
思考：热量是否可以用类似于功的式子表示？
引入“熵（S）”
，定义：dS


Q
T
re
2）过程线中任意一点 为平衡态
3）不平衡态无法在图 上表示
常见 p-v 图和 T-s 图
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1-4 准平衡过程和可逆过程 1 热力过程 系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。
平衡状态
状态不变化
能量不能转换
非平衡状态
以系统与外界关系划分：
是否传质 是否传热 是否传功
是否传热、功、 质
有
开口系 非绝热系 非绝功系 非孤立系
无
闭口系 绝热系 绝功系 孤立系
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1-2 平衡状态和状态参数
热力状态（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理量，如温度、压力等。 状态参数的特征：
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1-2 平衡状态和状态参数
热力学温标与摄氏温标的关系： 温差:1 K = 1 ℃ t = T – 273.15 K
温度的测量 日常：水银温度计，酒精温度计， 工业：热电偶
热电阻 辐射温度计 计量：铂电阻温度计 Platinum
功是过程量而不 是状态量。
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1-5 功量与热量
2 热量与示热图
（1）热量 系统与外界之间依靠温差传递的能量。符号：
Q ；单位：J 或kJ。 单位质量工质所传递的热量用 q 表示，单位为
J/kg 或 kJ/kg。 热量正负的规定： 系统吸热为“ + ”
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1-2 平衡状态和状态参数
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：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 。
m
V
v 1
比体积和密度二者相关，通常以比体积作为状态参数 。
1 4
π 0.452
15.8kN
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1-2 平衡状态和状态参数
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。
① 热平衡定律(热力学第零定律)
两个系统分别与第三个系统处于热平衡,这两个系 统彼此之间必定处于热平衡。
J /K
对于可逆过程：Q TdS
或
2
Q 1 TdS
J 或kJ
对于单位质量工质可逆过程
ds q J /(K kg) 或 kJ /(K kg)
T
s 称为比熵。比熵同比体积 v 一样是工质的状 态参数。
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无法简单描述
热力学引入准静态（准平衡）过程
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1-4 准平衡过程和可逆过程
2 准平衡过程（准静态过程） 由一系列平衡状态所组成的过程。 所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态的过 程。由无限小势差推动无限缓慢的理想过程。
不随时间而变化的状态称为平衡状态。 系统内部不存在热量传递，即各处的温度均
匀一致的状态称为热平衡状态。
系统实现平衡态的条件 在不发生化学反应的系统内,如同时满足力学
平衡条件和热平衡条件,则系统处于热力学平衡态。
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1-2 平衡状态和状态参数
3 可逆过程
p 1
2 v
如果系统完成了某一过程之后，再沿着原路 逆行而回复到原来的状态，外界也随之恢复到原 来的状态，而不留下任何变化，则这一过程称为 可逆过程。否则就是不可逆过程。
可逆过程的条件：准平衡过程＋无耗散效应。
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稳定不一定平衡，但平衡一定稳定。 稳定但存在不平衡势差 去掉外界影响， 则状态变化
平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
平衡：时间上 均匀：空间上
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1-2 平衡状态和状态参数
2、基本状态参数
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 量的状态参数如压力、温度、比体积，称为基本状 态参数。
思考：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？
实现条件： 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），即有足够时间恢复新平 衡 准静态过程
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v
1-4 准平衡过程和可逆过程
在状态参数坐标 图上，准平衡过程可 以近似地用连续的实 线表示。
J 或 kJ
W Fdx
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1-5 功量与热量
对于微元可逆过程，如1~2
W pAdx pdV
W pdV
单位质量工质所作的膨 胀功用符号w 表示，单位
为J/kg 或 kJ/kg。 w pdv
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1-3 状态方程与状态参数坐标图
1 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。
2 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
规定：系统对外界作功“＋”，外界Байду номын сангаас系统作功“－”
膨胀：dv > 0 , w > 0 压缩：dv < 0 , w < 0
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1-5 功量与热量
（2） 示功图（p-v图） w 的 大 小 可 以 p-v 图
上的过程曲线下面的面 积来表示 。
（1）压力
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 平衡状态和状态参数
常用压力单位： 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
pB 1.75 bar ,
d =450mm
真空室
A
1
2
C
B
pb 760 mmHg
求：（1）真空室及1、2两室的绝对压力； （2）pc；（3）圆筒顶面所受的作用力。
745mm Hg
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解：
p真空室＝pb p汞柱 ＝760－745 ＝15mmHg＝2kPa
式 。如：
p f (v,T ) T f ( p,v) p f T,v
F p,v,T 0
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1-3 状态方程与状态参数坐标图 3 状态参数坐标图 以独立状态参数为坐标的坐标图。
1）系统任何平衡态可 表示在坐标图上
1-4 准平衡过程和可逆过程
可逆过程必定是准静态过程，准静态过程不一定可逆。 无任何不可逆因素的准静态过程为可逆过程。
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1-5 功量与热量
1 功量与示功图 (1) 膨胀功
工质在体积膨胀时 所作的功。
W Fdx
吸热Q1
作功W
热机
机械能
放热Q2 低温热源
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1-1 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。
热源：
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。