1、第一章基 本 概 念 主编第一节工质与热力系统一、工质 在工程热力学中，为实现热能与机械能之间的相互转换，必须借助于某种物质作为它的工作介质，称为工质。如制冷与空调系统中工作在各种热力设备中的液体和气体，它们在能量转换中起着媒介的作用。二、系统与外界 热力学中，为了简化分析讨论问题，在相互作用的各物体中，人为地选取某一范围内的物体作为热力研究对象，这个范围内物质的总和称为热力系统或热力系，简称系统或体系。将与系统相互作用的周围物质称为外界或环境。系统与外界之间的分界面称为界面或边界，所以说热力系统是由界面包围着的作为研究对象的物质的总和。系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的转移。这个
2、界面可以是真实的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是变化的或者运动着的。作为系统的边界，可以是这几种边界面的组合。三、闭口系统与开口系统图1-1开口系统和闭口系统a)开口系统b)闭口系统 根据系统与外界之间是否进行物质交换，可将系统分为开口和闭口两种。系统与外界之间有物质交换的系统称为开口系统(开口系或开系)。通常，开口系统总是取某一相对固定的空间，故又称为控制容积系统，如图1-1a所示。四、简单系统、绝热系统与孤立系统 根据系统与外界之间所进行的能量交换情况不同，可将系统分为简单系统、绝热系统与孤立系统三种。系统与外界之间只存在热量及一种形式准静态功交换的系统称为简单系统。系统与外界之间
3、完全没有热量交换的系统称为绝热系统。系统与外界之间既无物质交换又无能量交换的系统称为孤立系统。第二节状态及基本状态参数 主编一、热力系统的状态 分析热力系统能量转换的前提是研究热力系统的热力状态变化。热力系统在某一瞬间所体现的宏观物理状况称为热力状态或状态。热力系统可以呈现出各种不同的状态，其中具有重要意义的是平衡状态。系统在不受外界影响(重力场除外)的条件下，宏观物理性质不随时间变化的状态称为平衡状态。实现平衡状态的充分必要条件是系统内部及系统内外之间的一切不平衡势差的消失。二、系统的状态参数(一)状态参数及其数学特征 热力状态是系统各种宏观物理特性的表现，描述这种宏观特性的物理量称为系统的
4、热力状态参数或状态参数。系统的状态是通过状态参数来表征的，热力状态的单值性决定了热力状态参数有如下特征：1)任意热力过程中，系统从初态变化至末态时，任意状态参数的变化量(增量)仅是初、末状态下的状态参数的差值，与变化路径无关。2)热力系统进行一个封闭的状态变化过程而回复到初态时，其状态参数不改变，即变化量(增量)为零。(二)状态参数的分类1.基本状态参数与导出状态参数，所以称为导出状态参数。2.广延量与强度量(二)状态参数的分类1.基本状态参数与导出状态参数 在热力学中主要的状态参数有：温度（T）、压力（p）、比体积（v）或密度（）、内能（U）、焓（H）和熵（S）等。其中，温度（T）、压力（p
5、）、比体积（v）或密度（）是可以直接用仪器仪表测量的，被称为基本状态参数。而其余的状态参数都不能直接测量，必须由基本状态参数导出，所以称为导出状态参数。2.广延量与强度量状态参数按其数值是否与系统内物质质量有关，可分为两类：(三)基本状态参数1.压力 热力学中的压力是指垂直作用于单位作用面上的力，即物理学中的压强，用符号p表示。对于气体，压力的实质是系统中大量分子不断地作无规则热运动而撞击容器壁面，在单位面积的容器壁面上所呈现的平均作用力。图1-2弹簧管式压力计(三)基本状态参数图1-3U型管压力计 弹性弯管在管内外压差的作用下产生变形，从而带动指针转动，指示出被测工质与大气之间的压力差。U型
6、管压力计如图1-3所示。U型管内盛有水或水银，一端接被测的工质，而另一端与大气环境相通。当被测的压力与大气压力不等时，U型管两边液柱高度不等。此高度差即被测工质与大气之间的压力差。(三)基本状态参数图1-4绝对压力、表压力、真空度和大气压力之间的关系 若以绝对压力为零时作为基线，则可将绝对压力、表压力、真空度和大气压力之间的关系用图1-4表示。(2)压力单位在国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕斯卡，简称“帕”，符号是Pa，它的定义式为即1m面积上作用1N的力称为1帕斯卡。工程上由于Pa这个单位太小，常用千帕(kPa)或兆帕(MPa)作为压力单位，它们之间的关系是(三)基本状态参数表1-1压
7、力单位换算表2.温度3.比体积与密度 容积是指工质所占有的系统空间，包括物质微粒本身占有的体积和微观粒子运动的空间。系统的比体积就是单位质量物质所占有的容积，以符号v表示，单位为m3/kg，即2.温度(1)热力学第零定律与温度若将冷热程度不同的两个系统相接触，它们之间会发生热量传递。在不受外界影响下，一段时间后，它们将达到相同的冷热程度，而不再进行热量传递，这种情况称为热平衡。试验表明：与第三个系统处于热平衡的两个系统，彼此也处于热平衡。按照1931年福勒(R.H.Fowler)的提议，这个结论称为热力学第零定律。(2)温标为了进行温度测量，需要有温度的数值表示方法，即需要建立温度的标尺或温标
8、。在现代SI单位制中采用热力学温标为基本温标，由它所确定的温度称为热力学温度，符号为T，单位为开尔文，中文代号“开”，国际代号“K”。热力学温标选取纯水的三相点(固、液、气三相平衡共存状态)为基本点，定义纯水的三相点温度为273.16K。因此，每单位开尔文等于纯水三相点热力学温度的1/273.16。(三)基本状态参数表1-2几种常见物体的密度、重度(1个标准大气压下)第三节理想气体及状态方程第三节理想气体及状态方程表1-3常用气体常数R单位：J/(kgK)凡遵循克拉珀龙状态方程的气体，称为理想气体。对于不同物量的气体，克拉珀龙状态方程有下列几种形式，即气体常数R与摩尔气体常数Rm的关系为第四节
9、热 力 过 程一、热力过程定义 当一个热力系统不具有任何不平衡势差时，必将永远保持其平衡状态，这时系统具有确定的状态参数。若系统界面上发生能量传递或系统内新的不平衡的产生，会使系统偏离平衡状态而发生变化。在变化中随着系统内外不平衡势差的逐渐消失，最终达到新的平衡状态。这种由于系统与外界相互作用而引起的热力系统由一个平衡状态经过连续的中间状态变化到另一个新的平衡状态的全过程，称为热力过程，简称过程。二、准静态过程图1-5气体在活塞气缸装置中的变化过程二、准静态过程 图1-5所示为气体在活塞气缸装置中的变化过程示意图。在初态下，气体的压力与外界力相平衡，系统具有确定的初态参数。若突然图1-5气体在
10、活塞气缸装置中的变化过程 降低外界力，则气体压力大于外界力。三、可逆过程 可逆过程是热力学的又一理想模式，它是指无任何不可逆损失的过程。不可逆损失包括与系统状态有关的非平衡损失和与系统、外界条件有关的耗散损失。非平衡损失是由系统内不平衡势差引起的损失。耗散损失是由机械摩擦阻力、流体粘性阻力等作用而产生的不可逆损失。第五节功量与热量 主编一、功量 在工程热力学中，功定义为广义力与广义位移的乘积。并规定，系统对外界做功取为正值；而外界对系统做功为负值。在SI单位制中，功的单位与热量、能量的单位相同，都用焦耳(J)表示，其定义为：1焦耳1牛顿米，即1J=1Nm。在SM单位制中，功的单位是千克力米(k
11、gfm)。单位换算见表1-4。一、功量表1-4功、热、能量单位换算表 在工程中，也常分析讨论单位时间的做功能力功率。功率的单位是瓦特(W)：1瓦特1焦耳/秒，即1W=1J/s。一、功量图1-6容积变化功的大小(一)准静态过程中的容积变化功膨胀功和压缩功 系统容积变化所完成的膨胀功或压缩功统称容积变化功，是一种基本功量。如图1-6所示，其值大小相当于p-v图中过程曲线与横坐标之间的阴影面积，即(二)其他形式的准静态功 除容积变化功外，系统还可能有其他形式的准静态功。1.拉伸机械功 物体在外力的作用下被拉伸时外界消耗的功，或者系统对外界所做的功。2.表面张力功 液体的表面张力有使表面收缩的趋势。若
12、要扩大其表面积，外界需克服表面张力而做功。(二)其他形式的准静态功1.拉伸机械功 物体在外力的作用下被拉伸时外界消耗的功，或者系统对外界所做的功。2.表面张力功 液体的表面张力有使表面收缩的趋势。若要扩大其表面积，外界需克服表面张力而做功。二、热量图1-7系统与外界间换热关系 在热力分析时，常用温熵(T-s)图上过程曲线下的面积12s2s11来描述系统与外界间换热关系(见图1-7)，所以也称T-s图为示热图。三、储存能 系统储存能包括内部储存能和外部储存能，也是能量的一种表现形式。系统内部储存能即内能，它与系统内部粒子微观运动和粒子的空间位置有关；系统外部储存能包括宏观动能和重力位能，也就是系
13、统本身所储存的机械能。显然，系统总的储存能是内能、动能和位能之和。那么对于没有宏观运动和相对位置高度为零的系统，其总的储存能就等于其内能。第六节热 力 循 环一、正向循环图1-8正向循环 使热能转换为机械能的循环称为热机循环或热动力循环，如蒸气动力循环、气体动力循环等。由于热机循环在状态图中以顺时针方向描述，所以也称为正向循环，如图1-8所示。在正向循环中，系统从高温热源T1吸热Q1，对外做功W。同时为实现循环，系统还必须向低温热源T2放热Q2。根据能量守恒定律 在工程中，将循环净功W与高温热源供热Q1之比称为热效率，以t表示，用以衡量热机循环的经济性，即二、逆向循环图1-9逆向循环 逆向循环
14、是消耗机械能使热从低温热源传向高温热源的循环，在状态图中以逆时针方向描述，所以也叫逆向循环，如图1-9所示。逆向循环包括以获得制冷量为目的的制冷循环和以获得供热量为目的的热泵循环。在循环中，系统消耗功W从低温热源T2吸收热量Q2并向高温热源T1放热Q1。同样，由能量守恒定律得 说明逆向循环中传向高温热源T1的热量Q1来自于从低温热源T2吸收的热量Q2和循环净耗能W。逆向循环的经济性指标以制冷系数1和供热系数2表示，即三、可逆循环与不可逆循环 全部由可逆过程组成的循环是可逆循环，在状态图中用实线表示。一切可逆循环都是理想循环。可逆正向循环就是理想热动力循环，而可逆逆向循环就是理想制冷循环和理想热泵循环。在循环中，如果有部分过程或全部过程是不可逆的，这样的热力循环就是不可逆循环，在状态图中不可逆循环的可逆过程可用实线描述，而不可逆过程只能用虚线近似地描述。
