工程热力学课件 华北电力大学（北京） 动力工程系 工程热物理教研室制作 2005年5月

Basic Concepts and Definition 第一章 基本概念 Basic Concepts and Definition

§1-1 热力系统thermodynamic system 1、系统(system)与边界(boundary) 热力系统(热力系、系统):人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。 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

系统、边界和外界（ surrounding ）

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

热力系统其他分类方式 物理化学性质 均匀系 非均匀系 单元系 其他类方式 工质种类 多元系 单相 相态 多相

简单可压缩系统 simple compressible system 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

2.工质working substance; working medium 定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质 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 物质三态中 气态最适宜。

3.热源(heat source; heat reservoir) 定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。 高温热源（热源-- heat source ）  低温热源（冷源—heat sink） 恒温热源(constant heat reservoir) 变温热源

§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：温度变化 山高度变化

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

强度参数与广延参数intensive property extensive 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 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S

比参数具有强度量的性质 比熵 比容 比焓 比内能 单位：/kg /kmol

§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 绝对压力 p—absolute pressure 物理中压强，单位: Pa , N/m2 绝对压力 p—absolute pressure  表压力 pe（pg）-- gauge pressure;  真空度 pv—vacuum; vacuum pressure 当地大气压pb—local atmospheric pressure

绝对压力与相对压力 当 p > pb 表压力 pe 当 p < pb 真空度 pv 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。 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=133.3Pa 当h变化大，ρ ρ(h)

常用单位： 1kPa=103Pa 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1mmH2O=9.81Pa 1 at=1kgf/cm2 = 9.80665104 Pa

例题： 如图，已知大气压pb=101325Pa，U型管内 汞柱高度差H=300mm，气体表B读数为0 例题： 如图，已知大气压pb=101325Pa，U型管内 汞柱高度差H=300mm，气体表B读数为0.2543MPa，求：A室压力pA及气压表A的读数pgA

解：

传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量 2.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

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

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（temperature scale） 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 盐水沸点 459.67 -273.15 -459.67

温标的换算

3.比体积v (specific volume) 定义：单位质量工质的体积。又称为比容。 ［m3/kg] 工质聚集的疏密程度

比体积与密度(density) 密度：单位体积工质的质量

§1-4 平衡状态thermodynamic equilibrium state 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

2.平衡与稳定 稳定：参数不随时间变化 稳定但存在不平衡势差 去掉外界影响，则状态变化

稳定未必平衡 稳定不一定平衡，但平衡一定稳定 若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？

3.平衡与均匀 平衡：时间上 均匀：空间上

平衡可不均匀 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 状态变化 能量交换 如何描述 破坏平衡

n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等 4.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 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

5.状态方程 简单可压缩系统：N = n + 1 = 2 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？？？

范德瓦尔方程 （a,b为物性常数）

BWR方程

维里型方程 可见，实际工质的状态方程是很复杂的

6.坐标图 简单可压缩系 N=2，平面坐标图 说明： p 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 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

§1-5 工质的状态变化过程 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

1.准静态过程（quasi-static process） 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。“突然”“缓慢”

准静态过程的容积变化功 A f p p外 dl 以汽缸中工质为系统 初始：pA = p外A +f 如果 p外微小 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

准静态容积变化功的说明 . . p 1 2 V 1）单位为 [kJ] 或 [kJ/kg] 2） p-V 图上用面积表示 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

例题： 1kg某种气态工质，在可逆膨胀过程中分别遵循： （1） （2） 从初态1到达终态2 求：两过程中各作功多少？ （a，b为常数）

解： （1） （2）

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

2.可逆过程（reversible process） 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 自由膨胀 T1 Q T1>T2 真空 T2 • • • • • • • • • • • • • • •

典型的不可逆过程 节流过程 (阀门） 混合过程 p1 p2 p1>p2 • • • • • • • • • • • • • • • • ★ • • ★ ★ • ★ • • ★ • ★ ★ p1 p2 • • • ★ ★ • • • ★ • ★ • • ★ • ★ ★ p1>p2

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。  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） 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。

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

热量--heat 定义：仅仅由于温差而 通过边界传递的能量。 符号约定：系统吸热“+”；  放热“-”  单位： 

热量与T-s图

热量与功的异同： 1.通过边界传递的能量； 2.都是过程量； 3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志;热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志； 4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的 能量； 热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。 5。功转变为热是无条件的；热转化为功是有条件、限度的。

§1-7 热力循环thermodynamic cycle 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（direct cycle ） 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(reverse cycle) 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

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

制冷系数coefficient of performance for the refrigeration cycle 逆循环：净效应（对内作功，放热） T0 1）制冷循环：制冷系数 Q1 W Q2 T2

2）制热循环（热泵循环）：制热系数、热泵系数、供暖系数 T1 Q1 W Q2 T0

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、工作系数

第一章 讨论课 闭口系、开口系、绝热系、绝功系、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、绝功系、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)以气缸为系统 Q W Q’’ W’’ 开口系 功量： W + W’’ 热量： Q + Q’’

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） 摩尔数 （广）

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） 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

再见