工 程 热 力 学 是一门研究热能有效利用及 热能和其它形式能量转换规律 的科学

例：燃气轮机装置 1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热) 燃烧室 燃气轮机 压气机 空气 废气

工程热力学的研究内容 1、能量转换的基本定律 2、工质的基本性质与热力过程 3、热功转换设备、工作原理

针对压气机，问题的提出： 1.获得mkg的压缩空气需耗功多少？ 2.怎样减少耗功？ 3.压力为P2的压缩空气温度为多少？ 储气罐

第一章 基本概念

§1-1 热力系统 系统与外界的作用都通过边界 1、系统与边界 热力系统(热力系、系统)：人为地 研究对象 外界：系统以外的所有物质 §1-1 热力系统 1、系统与边界 热力系统(热力系、系统)：人为地 研究对象 外界：系统以外的所有物质 边界(界面)：系统与外界的分界面 系统与外界的作用都通过边界

热力系统选取的人为性 过热器 汽轮机 只交换功 锅 炉 既交换功 也交换热 发电机 凝汽器 只交换热 给水泵

边界特性 固定、活动 真实、虚构

热力系统分类 以系统与外界关系划分： 是否传质 开口系 闭口系 是否传热 非绝热系 绝热系 是否传功 非绝功系 绝功系 有 无 是否传质 开口系 闭口系 是否传热 非绝热系 绝热系 是否传功 非绝功系 绝功系 是否传热、功、质 非孤立系 孤立系

热力系统的选取 1 2 3 4 m Q W 1  开口系 1+2  闭口系 1+2+3  绝热闭口系 1+2+3+4  孤立系 非孤立系＋相关外界 ＝孤立系

热力系统其它分类方式 物理化学性质 均匀系 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 简单可压缩系统 最重要的系统  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 状态和状态参数 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 状态参数的特征： §1-2 状态和状态参数 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 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、状态参数的微分特征：全微分

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。 点函数、态函数 数学上： a 1 2 b 例：1.温度变化 2.山的高度变化

状态参数的微分特征 设 z =z (x , y) dz是全微分 充要条件： 可判断是否是状态参数

状态参数分类： 强度参数与广延参数 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 状态参数分类： 强度参数与广延参数 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 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S 比参数： 比熵 比容 比内能 比焓 单位：/kg /kmol 具有强度量的性质

强度量与广延量 速度 （强） 动能 （广） 高度 位能 （强） （广） 温度 内能 （强） （广） 应力 摩尔数 （强） （广）

§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 常用单位： 1 MPa = 106 Pa 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 = 1.013105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa

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 示意图

绝对压力与相对压力 当 p > pb 表压力 pe 当 p < pb 真空度 pv 示意图 pe pv p pb p

环境压力与大气压力 环境压力指压力表所处环境 注意：环境压力一般为大气压，但不一定。 见习题1－9 大气压随时间、地点变化。 物理大气压 1atm = 760mmHg 当h变化不大，ρ常数 1mmHg= ρgh=133.322Pa 当h变化大，ρ ρ(h)

其它压力测量方法 高精度测量：活塞式压力计 工业或一般科研测量：压力传感器

温度T 的一般定义 传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量 微观：衡量分子平均动能的量度 T  0.5 m w 2 T=0  0.5mw 2=0  分子一切运动停止， 零点能

热力学第零定律 温度测量的理论基础 B 温度计 温度的热力学定义 热力学第零定律（R.W. Fowler） 　　　如果两个系统分别与第三个系统处于 热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。 温度测量的理论基础 B 温度计

热力学第零定律 热力学第零定律 1931年 T 热力学第一定律 18401850年 E 热力学第二定律 18541855年 S

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。 　　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。 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

温度的测量 物质 （水银，铂电阻） 特性 （体积膨胀，阻值） 温度计 基准点 温标 刻度

常用温标 绝对K 摄氏℃ 华氏F 朗肯R 373.15 100 水沸点 212 671.67 37.8 发烧 100 559.67 水三相点 273.16 0.01 273.15 冰熔点 32 491.67 -17.8 盐水熔点 459.67 -273.15 -459.67

温标的换算

温度测量方法 日常：水银温度计，酒精温度计， 水温度计 工业：热电偶，热敏电阻 计量：铂电阻温度计

比容v ［m3/kg] 工质聚集的疏密程度 物理上常用密度  ［kg/m3]

§1-4 平衡状态 状态方程式 坐标图 平衡的本质：不存在不平衡势 1、定义： §1-4 平衡状态 状态方程式 坐标图 1、定义： 　　在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。 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

平衡与稳定 稳定：参数不随时间变化 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 若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？ 稳定不一定平衡，但平衡一定稳定

平衡与均匀 平衡：时间上 均匀：空间上 平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的

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 破坏平衡

状态公理 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

n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等 状态公理 闭口系： 不平衡势差 状态变化 能量传递 消除一种 达到某一 消除一种能量 不平衡势差 方面平衡 传递方式 而不平衡势差彼此独立  独立参数数目N=不平衡势差数 =能量转换方式的数目 =各种功的方式+热量= n+1 n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等

状态方程 2 简单可压缩系统：N = n + 1 = 绝热简单可压缩系统  N = ? 状态方程  基本状态参数（p,v,T)之间 的关系

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 理想气体的状态方程 实际工质的状态方程？？？

例：R134a的维里型状态方程

座标图 简单可压缩系 N=2，平面坐标图 说明： p 1 2 v 常见p-v图和T-s图 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 2 3）不平衡态无法在图 上用实线表示 v 常见p-v图和T-s图

上次课程内容介绍 基本概念： 热力系统;平衡、稳定、均匀 状态和状态参数; 状态参数特征、基本状态参数 状态方程式 坐标图 p-V图、T-S图  引出准静态过程的概念

§1-5 准静态过程、可逆过程 平衡状态 状态不变化 能量不能转换 非平衡状态 无法简单描述 热力学引入准静态（准平衡）过程

一般过程 突然去掉重物 p1 = p0+重物 最终 p2 = p0 T1 = T0 T2 = T0 p0 p . 1 . 2 p，T v

准静态过程 . . . p0 p 1 2 p，T v 假如重物有无限多层 p1 = p0+重物 每次只去掉无限薄一层 T1 = T0 系统随时接近于平衡态 p0 p . 1 . . 2 p，T v

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 >> 有足够时间恢复新平衡  准静态过程 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

准静态过程的工程应用 >> 例：活塞式内燃机 2000转/分 曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程 活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s 压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s 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） >> 一般的工程过程都可认为是准静态过程 具体工程问题具体分析。

准静态过程的容积变化功 A f p p外 dl 以汽缸中mkg工质为系统 初始：pA = p外A +f 如果 p外微小 dl 很小，近似认为 p 不变 可视为准静态过程 mkg工质发生容积变化对外界作的功 A f W = pA dl =pdV p p外 1kg工质 w =pdv dl

准静态过程的容积变化功 W =pdV mkg工质： 1kg工质： w =pdv 注意： 上式仅适用于准静态过程 p p外 1 2

p 示功图 1 . mkg工质： W W =pdV . 2 V 1kg工质： w =pdv p p外 1 2

4）统一规定：dV>0，膨胀 对外作功（正） dV<0，压缩 外内作功（负） 6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数 p 准静态容积变化功的说明 1 . 1）单位为 [kJ] 或 [kJ/kg] W w 2） p-V 图上用面积表示 . 2 3）功的大小与路径有关， 功是过程量 V 4）统一规定：dV>0，膨胀 对外作功（正） dV<0，压缩 外内作功（负） 5）适于准静态下的任何工质（一般为流体） 6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数 7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别

摩擦损失的影响 若有f 存在，就存在损失 系统对外作功W，外界得到的功W ’<W 则外界、活塞、系统不能同时恢复原态。 p p外 1 2

摩擦损失的影响 若 f ＝ 0 系统对外作功W，外界得到的功W ’＝W 若外界将得到的功W ’再返还给系统 则外界、活塞、系统同时恢复原态。 p p外 1 2

可逆过程的定义 系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。 注意：可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。

可逆过程的实现 准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程 通过摩擦使功 变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等） 无不平衡势差 耗散效应 准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程 通过摩擦使功 变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等） 无不平衡势差 耗散效应 不平衡势差 不可逆根源 耗散效应

典型的不可逆过程 不等温传热 节流过程 (阀门） T1 Q T1>T2 p1 p2 T2 p1>p2

典型的不可逆过程 自由膨胀 混合过程 真空 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • ★ • • • • ★ ★ • ★ • • • ★ • • • ★ 真空 ★ • • • • ★ ★ • • • • • ★ • ★ • • • • ★ • • ★ ★

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  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。

§1-6 过程功 和热 量 1、力学定义: 力  在力方向上的位移 2、热力学定义(外文参考书） §1-6 过程功 和热 量 1、力学定义: 力  在力方向上的位移 2、热力学定义(外文参考书） a、当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。 b、功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。

例：火力发电装置 过热器 汽轮机 锅 炉 发电机 凝汽器 给水泵

其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等 功的表达式 功的一般表达式 热力学最常见的功  容积变化功 其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等

准静态过程的容积变化功 A f p p外 dl 以汽缸中mkg工质为系统 初始：pA = p外A +f 如果 p外微小 dl 很小，近似认为 p 不变 可视为准静态过程 mkg工质发生容积变化对外界作的功 A f W = pA dl =pdV p p外 1kg工质 w =pdv dl

准静态过程的容积变化功 W =pdV mkg工质： 1kg工质： w =pdv 注意： 上式仅适用于准静态过程 p p外 1 2

p 示功图 1 . mkg工质： W W =pdV . 2 V 1kg工质： w =pdv p p外 1 2

4）统一规定：dV>0，膨胀 对外作功（正） dV<0，压缩 外内作功（负） 6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数 p 准静态容积变化功的说明 1 . 1）单位为 [kJ] 或 [kJ/kg] W w 2） p-V 图上用面积表示 . 2 3）功的大小与路径有关， 功是过程量 V 4）统一规定：dV>0，膨胀 对外作功（正） dV<0，压缩 外内作功（负） 5）适于准静态下的任何工质（一般为流体） 6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数 7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别

热 量 与 熵 1、热量定义： 热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分（不确切）。 另一定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。

热 量 如 何 表 达 ？ 热量是否可以用类似于功的式子表示？ ？ 引入“熵”

热量与容积变化功 能量传递方式 容积变化功 传热量 性质 过程量 过程量 推动力 压力 p 温度 T 标志 dV , dv dS , ds 能量传递方式 容积变化功 传热量 性质 过程量 过程量 推动力 压力 p 温度 T 标志 dV , dv dS , ds 公式 条件 准静态或可逆 可逆

熵（ Entropy）的定义 reversible 熵的简单引入 广延量 [kJ/K] 比参数 [kJ/kg.K] ds: 可逆过程 qrev除以传热时的T所得的商

熵的说明 1、熵是状态参数 2、符号规定 系统吸热时为正 Q > 0 dS > 0 3、熵的物理意义：熵体现了可逆过程 传热的大小与方向 4、用途：判断热量方向 计算可逆过程的传热量

示功图与示热图 p T Q W V S 示功图 温熵(示热)图

§1-7 热力循环 要实现连续作功，必须构成循环 定义： 分类： 热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。 可逆 §1-7 热力循环 要实现连续作功，必须构成循环 定义： 热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。 分类： 可逆 可逆循环 过程 循环 不可逆 不可逆循环

正循环 正循环：顺时针方向 p T 1 2 1 2 V S 净效应：对外作功 净效应：吸热

逆循环 逆循环：逆时针方向 p T 1 2 1 2 V S 净效应：对内作功 净效应：放热

正向热力循环的评价指标 正循环：净效应（对外作功，吸热） T1 动力循环：热效率 Q1 W Q2 T2

逆向热力循环的评价指标 逆循环：净效应（对内作功，放热） 制冷循环：制冷系数 T0 Q1 W 制热循环：制热系数 Q2 T2

第一章 小 结 基本概念：  热力系  平衡、稳定、均匀  准静态、可逆  过程量、状态量、状态参数  功、热量、熵 第一章 小 结 基本概念：  热力系  平衡、稳定、均匀  准静态、可逆  过程量、状态量、状态参数  功、热量、熵  p-V图、T-S图  循环、平均指标

第一章 讨论课 闭口系、开口系、绝热系、孤立系 种类： 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。 第一章 讨论课  热力系 种类： 闭口系、开口系、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。

例1：绝热刚性容器向气缸充气 试分别选取闭口系和开口系，画出充气前后边界，标明功和热的方向。

(1)以容器内原有气体为系统 Q W 闭口系 功量： 气体对活塞作功W 热量： 气体通过活塞从外界吸热Q

(2)以容器内残留的气体为系统 Q’ W’ 闭口系 功量： 残留气体对放逸气体作功W’ 热量： 残留气体从放逸气体吸热Q’

(3)以放逸气体为系统 Q W W’ Q’ 闭口系 功量： W + W’ 热量： Q + Q’

(4)以容器为系统 Q’ W’ 开口系 功量： W’ 热量： Q’

(5)以气缸活塞为系统 Q W Q’’ W’’ 开口系 功量： W + W’’ 热量： Q + Q’’

思考题7 有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？ 不对。关键看是否引起外界变化。 可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到初态。 可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。

可逆过程与准静态过程的区别和联系 可逆过程＝准静态过程＋无耗散 可逆过程一定是准静态过程 准静态过程不一定是可逆过程 可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。

判断是否准静态与可逆（1） 以冰水混合物为热力系 缓慢加热 准静态过程 系统内部等温传热，无耗散 内可逆 外部温差传热 外不可逆 0 ℃ 90 ℃

判断是否准静态与可逆（2） 蒸汽流经减压阀进入汽轮机 典型的不可逆过程，因有漩涡，产生耗散 是不是准静态，取决于开度

判断是否准静态与可逆（3） 带活塞的气缸中，水被缓慢加热 准静态加热 火与水有温差 外不可逆 以水为系统 内可逆 以水＋活塞为系统 缓慢加热，每一时刻水有确定的温度 准静态加热 火与水有温差 外不可逆 以水为系统 内可逆 以水＋活塞为系统 活塞与壁面无摩擦 内可逆 活塞与壁面有摩擦 内不可逆

判断是否准静态与可逆（4） 电或重物带动搅拌器加热容器中气体 电功 热 耗散 机械功 热 是否准静态，看加热快慢 但不可逆 电或重物

有用功 气缸中气体膨胀对外作功，准静态过程 pb 气体对外作功 若不考虑摩擦，外界得到功 p 但外界得到的有用功

可逆过程与准静态过程的功 加热A腔中气体，B被压缩，B中理想气体 1）以B中气体为系统 缓慢压缩 准静态 A B 无摩擦 可逆 绝热，无摩擦 B中气体（理想气体，可逆，绝热） 遵循 B得到的功

可逆过程与准静态过程的功 加热A腔中气体，B被压缩，B中理想气体 2）以A中气体为系统 缓慢加热 准静态 A B 无摩擦 内可逆 绝热，无摩擦 3）以A腔为系统 电功耗散为热 不可逆 4）以A＋B腔为系统 电功耗散为热 不可逆

自由膨胀过程 刚性，绝热 B中没有气体，不能取做系统 以A中原有气体为系统 A中气体非准静态 A中气体没有作功 B 没有作功对象 A 真空 • • • B • • • 没有作功对象 • A 真空 • • • • • • • 后进去的对先进去的气体作功了吗？ • • •

气体混合过程 刚性，绝热， pA>>pB 非准静态过程，非可逆过程 取A或B中气体为系统 相互有功的作用 可逆热力学没法计算 A • • • 可逆热力学没法计算 • • • • A B • • • • • • • 取A＋B气体为系统，无功 • • •

灵活处理功的计算 充气球 若取进入气球的气体为系统 若准静态过程 但pV的关系不知 ？ 若看外部效果，pb不变 外界得到功pbV=气体作功

第一章 完