1、第一章第一章 基本概念基本概念1-1 热能在热机中转变成机械能的过程热能在热机中转变成机械能的过程热能动力装置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）统称为热能动力装置整套设备（包括辅助设备）统称为热能动力装置燃气动力装置燃气动力装置内燃机，由气缸和活塞组成内燃机，由气缸和活塞组成蒸气动力装置，由锅炉、汽轮机、冷凝器、泵等组蒸气动力装置，由锅炉、汽轮机、冷凝器、泵等组成成共性：用某种媒介物质（工质）从某个能源（高温共性：用某种媒介物质（工质）从某个能源（高温热源）获取热能，从而具备作功能力并对机器作功，热源）获
2、取热能，从而具备作功能力并对机器作功，最后又把余下的热能排向环境介质（低温热源）最后又把余下的热能排向环境介质（低温热源）基本过程：吸热、膨胀作功、排热基本过程：吸热、膨胀作功、排热1-2 热力系统热力系统热力系统热力系统被人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系被人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统叫做热力系统，周围物体统称外界，系统和外界统叫做热力系统，周围物体统称外界，系统和外界之间的分界面叫做边界之间的分界面叫做边界闭口系统：系统和外界只有能量交换而无物质交换闭口系统：系统和外界只有能量交换而无物质交换开口系统：系统和外界不仅有能量交换而且有物质开口系统：系统和外界不仅有能量
3、交换而且有物质交换交换绝热系统：系统和外界间无热量交换绝热系统：系统和外界间无热量交换孤立系统：系统和外界既无能量交换又无物质交换孤立系统：系统和外界既无能量交换又无物质交换简单可压缩系：热力系由可压缩流体（如水蒸气、简单可压缩系：热力系由可压缩流体（如水蒸气、空气、燃气等）构成，且与外界可逆的功交换只有空气、燃气等）构成，且与外界可逆的功交换只有体积变化功（膨胀功或压缩功）一种形式体积变化功（膨胀功或压缩功）一种形式1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数热力学状态热力学状态工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观
4、物理状况称为工质的热力学状态，简称状态理状况称为工质的热力学状态，简称状态状态参数状态参数用来描述工质所处状态的宏观物理量称为状态参数用来描述工质所处状态的宏观物理量称为状态参数状态参数是热力系统状态的单值函数，其值取决于状态参数是热力系统状态的单值函数，其值取决于给定的状态，而与如何达到这一状态的途径无关给定的状态，而与如何达到这一状态的途径无关基本状态参数：压力、温度、体积等，可直接用基本状态参数：压力、温度、体积等，可直接用仪器测量仪器测量强度量：与系统质量无关，如压力、温度强度量：与系统质量无关，如压力、温度广延量：与系统质量成正比，具有可加性，如体广延量：与系统质量成正比，具有可加性
5、，如体积、热力学能、焓和熵积、热力学能、焓和熵广延量的比参数是强度量，不具有可加性，如比广延量的比参数是强度量，不具有可加性，如比体积、比热力学能、比焓和比熵体积、比热力学能、比焓和比熵温度温度温度是描述平衡热力系统冷热状况的物理量温度是描述平衡热力系统冷热状况的物理量温度标志物质分子热运动的激烈程度，对于气体，温度标志物质分子热运动的激烈程度，对于气体，它是大量分子平移动能平均值的量度：它是大量分子平移动能平均值的量度：热力学温度热力学温度BTcm22TkB23k是玻尔兹曼常数是玻尔兹曼常数c分子移动的均方根速度分子移动的均方根速度温标：温度的数值表示法温标：温度的数值表示法摄氏温标：在标准
6、大气压下纯水的冰点是摄氏温标：在标准大气压下纯水的冰点是0，汽点是汽点是100，其它温度的数值由作为温度标志其它温度的数值由作为温度标志的物理量的线性函数来确定的物理量的线性函数来确定热力学温标：将水的三相点温度，即水的固相、热力学温标：将水的三相点温度，即水的固相、液相、气相平衡共存状态的温度作为单一基准点，液相、气相平衡共存状态的温度作为单一基准点，规定为规定为273.16K。热力学温度单位。热力学温度单位“开尔文开尔文”是是水的三相点温度的水的三相点温度的1/273.16摄氏温度与热力学温度的关系：摄氏温度与热力学温度的关系：t为摄氏温度，单位为摄氏度，符号为为摄氏温度，单位为摄氏度，符
7、号为 T为热力学温度，单位为开尔文，符号为为热力学温度，单位为开尔文，符号为K15.273Tt压力压力压力是单位面积上所受的垂直作用力压力是单位面积上所受的垂直作用力压力计所测得的压力是工质的绝对压力与环境介压力计所测得的压力是工质的绝对压力与环境介质压力之差，叫做表压力或真空度质压力之差，叫做表压力或真空度工质绝对压力工质绝对压力p与大气压力与大气压力pb及表压力及表压力pe或真空或真空度度pv的关系：的关系：当绝对压力大于大气压力时当绝对压力大于大气压力时 p=pb+pe 当绝对压力小于大气压力时当绝对压力小于大气压力时 p=pb pv压力的法定计量单位是帕斯卡，符号为压力的法定计量单位是
8、帕斯卡，符号为Pa，工程，工程上常采用上常采用Mpa，1MPa=106Pa。其它压力单位。其它压力单位还有标准大气压还有标准大气压atm、巴、巴bar、工程大气压、工程大气压at、毫、毫米汞柱米汞柱mmHg和毫米水柱和毫米水柱mmH2O比体积及密度比体积及密度比体积比体积单位质量物质所占的体积单位质量物质所占的体积 v=V/m v为比体积，为比体积，m3/kg m为物质的质量，为物质的质量，kg V为物质的体积，为物质的体积，m3密度密度单位体积物质的质量单位体积物质的质量 =m/V 为密度，为密度，kg/m31-4 平衡状态、状态方程式、坐标图平衡状态、状态方程式、坐标图平衡状态平衡状态在不
9、受外界影响的条件下，系统的状态能够始终在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态称为平衡状态（包保持不变，则系统的这种状态称为平衡状态（包括热平衡、力平衡、化学平衡）括热平衡、力平衡、化学平衡）不平衡状态的系统在没有外界条件的影响下总会不平衡状态的系统在没有外界条件的影响下总会自发地趋于平衡状态自发地趋于平衡状态只有在系统内或系统与外界之间一切不平衡的作只有在系统内或系统与外界之间一切不平衡的作用都不存在时，系统的一切宏观变化方可停止，用都不存在时，系统的一切宏观变化方可停止，热力系统所处的状态才是平衡状态热力系统所处的状态才是平衡状态均匀并非系统处于平衡状态之必要条
10、件均匀并非系统处于平衡状态之必要条件对于简单可压缩系，只要两个独立状态参数对应对于简单可压缩系，只要两个独立状态参数对应相同，即可判定该两状态相同相同，即可判定该两状态相同状态方程式状态方程式处于平衡状态的简单可压缩系，各部分具有相同处于平衡状态的简单可压缩系，各部分具有相同的压力、温度和比体积等参数，且这些参数服从的压力、温度和比体积等参数，且这些参数服从一定关系式，这样的关系式叫做状态方程式，即一定关系式，这样的关系式叫做状态方程式，即 T=T(p,v)，p=p(T,v)，v=v(p,T)也可以写作隐函数形式也可以写作隐函数形式 F=F(p,v,T)状态参数坐标图状态参数坐标图由热力系状态
11、参数所组成的坐标图称做热力状态由热力系状态参数所组成的坐标图称做热力状态坐标图坐标图由任意两个独立的状态参数所组成的坐标图上的由任意两个独立的状态参数所组成的坐标图上的任意一点，都相应于热力系某一确定的平衡状态任意一点，都相应于热力系某一确定的平衡状态热力系每一平衡状态总可在坐标图上用一点表示热力系每一平衡状态总可在坐标图上用一点表示压容（压容（p-v）图和温熵（）图和温熵（T-s）图）图p p0 0p pv vv v压容图压容图111T Ts s0 0T T2 2s s温熵图温熵图221-5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程准平衡过程准平衡过程工质的状态变化过程进行的相对缓慢，工质在平衡
12、工质的状态变化过程进行的相对缓慢，工质在平衡被破坏后自动回复平衡的时间又很短，随时都不致被破坏后自动回复平衡的时间又很短，随时都不致显著偏离平衡状态，这样的过程就叫做准平衡过程显著偏离平衡状态，这样的过程就叫做准平衡过程气体工质在压力差作用下实现准平衡过程的条件是，气体工质在压力差作用下实现准平衡过程的条件是，工质和外界之间的压力差为无限小，即工质和外界之间的压力差为无限小，即 p-(pext+F/A)0 或或 ppext+F/A气体工质在温差作用下实现准平衡过程的条件是，气体工质在温差作用下实现准平衡过程的条件是，工质和外界之间的温差为无限小，即工质和外界之间的温差为无限小，即 T=(T-T
13、ext)0 或或 TText只有准平衡过程在坐标图中可以用连续曲线表示只有准平衡过程在坐标图中可以用连续曲线表示可逆过程和不可逆过程可逆过程和不可逆过程当完成了某一过程之后，如果有可能使工质沿相当完成了某一过程之后，如果有可能使工质沿相同的路径逆行而回复到原来状态，并使相互作用同的路径逆行而回复到原来状态，并使相互作用中所涉及到的外界亦回复到原来状态而不留下任中所涉及到的外界亦回复到原来状态而不留下任何改变，这一过程就叫做可逆过程何改变，这一过程就叫做可逆过程不满足上述条件的过程为不可逆过程不满足上述条件的过程为不可逆过程可逆过程的基本特征：是准平衡过程，满足热的可逆过程的基本特征：是准平衡过
14、程，满足热的和力的平衡条件，同时过程中没有任何耗散效应和力的平衡条件，同时过程中没有任何耗散效应可逆过程是一切实际过程的理想极限，是一切热可逆过程是一切实际过程的理想极限，是一切热力设备内过程力求接近的目标力设备内过程力求接近的目标1-6 过程功和热量过程功和热量功的热力学定义功的热力学定义功是热力系统通过边界而传递的能量，且其全部功是热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物效果可表现为举起重物系统对外界作功取为正，外界对系统作功取为负系统对外界作功取为正，外界对系统作功取为负功的单位为焦耳，符号为功的单位为焦耳，符号为J单位质量物质所做的功称为比功，单位为单位质量物质所做的
15、功称为比功，单位为J/kg w=W/m 单位时间内完成的功称为功率，单位为单位时间内完成的功称为功率，单位为W（瓦）瓦）1W=1J/s 1kW=1kJ/s可逆过程的功可逆过程的功质量为质量为m的气体工质在气缸中进行可逆膨胀，从的气体工质在气缸中进行可逆膨胀，从状态状态1到状态到状态2的膨胀过程中，所作的膨胀功为的膨胀过程中，所作的膨胀功为 单位质量的工质所作的功为单位质量的工质所作的功为工程热力学中约定：气体膨胀所作的功为正值，工程热力学中约定：气体膨胀所作的功为正值，外力压缩气体所消耗的功为负值外力压缩气体所消耗的功为负值2121pdVW2121pdvwpdVpAdxFdxWpdvpdVmw
16、1功不是状态参数而是过程量，功的数值不仅决定功不是状态参数而是过程量，功的数值不仅决定于工质的初态和终态，还和过程的中间途径有关于工质的初态和终态，还和过程的中间途径有关闭口系工质在膨胀过程中所作的功一部分因摩擦闭口系工质在膨胀过程中所作的功一部分因摩擦而耗散，一部分反抗大气压力作功，余下部分才而耗散，一部分反抗大气压力作功，余下部分才是可被利用的功是可被利用的功 大气压力可作定值，故大气压力可作定值，故 可逆过程不包含任何耗散效应，可逆过程不包含任何耗散效应，lruWWWWVpVVpWr01200lW12021,VVppdVWreu例例1-2 要点：可逆过程膨胀功的计算公式要点：可逆过程膨胀
17、功的计算公式例例1-3 要点：要点：1.因求罐内气体最低初压力，故充气结束时罐内压力至少因求罐内气体最低初压力，故充气结束时罐内压力至少应与大气压力相等应与大气压力相等2.取全部气体为热力系，利用理想气体状态方程取全部气体为热力系，利用理想气体状态方程3.气球排斥大气作功，界面上反力为恒值，可用如下公式气球排斥大气作功，界面上反力为恒值，可用如下公式计算计算2121pdVW21211min,1TRVVpTRVpmgBg120VVpW过程热量过程热量热力学中把热量定义为热力系和外界之间仅仅由热力学中把热量定义为热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量于温度不同而通过边界传递的能量热量
18、的单位是热量的单位是J（焦尔），工程上常用（焦尔），工程上常用kJ（千焦）（千焦）工程热力学中约定：体系吸热为正，放热为负工程热力学中约定：体系吸热为正，放热为负系统在可逆过程中与外界交换的热量由下式计算系统在可逆过程中与外界交换的热量由下式计算 热量也是过程量而非状态参数热量也是过程量而非状态参数功转变成热是无条件的，而热转变成功是有条件功转变成热是无条件的，而热转变成功是有条件的，功是比热更高品质的能量的，功是比热更高品质的能量Tdsq 2121Tdsq1-7 热力循环热力循环循环概说循环概说工质在经历了一系列状态变化过程后再回到原来工质在经历了一系列状态变化过程后再回到原来状态的一系列过
19、程的综合叫做热力循环，简称循状态的一系列过程的综合叫做热力循环，简称循环环可逆循环：全部由可逆过程构成的循环可逆循环：全部由可逆过程构成的循环不可逆循环：循环中有部分过程或全部过程是不不可逆循环：循环中有部分过程或全部过程是不可逆的可逆的正向循环：将热能转化为机械能，使外界得到功正向循环：将热能转化为机械能，使外界得到功逆向循环：将热量从低温热源传给高温热源，消逆向循环：将热量从低温热源传给高温热源，消耗外功耗外功循环经济性指标的原则性定义循环经济性指标的原则性定义 花费的代价花费的代价得到的收获得到的收获经济性指标经济性指标正向循环（热动力循环）正向循环（热动力循环）循环净功循环净功wnet
20、就是工质沿一个循环过程所作功的就是工质沿一个循环过程所作功的代数和代数和循环净热量循环净热量qnet等于循环过程中工质与热源及冷等于循环过程中工质与热源及冷源换热量的代数和源换热量的代数和工质在膨胀过程开始前或在膨胀过程中，与高温工质在膨胀过程开始前或在膨胀过程中，与高温热源接触，从中吸入热量；而在压缩过程开始前热源接触，从中吸入热量；而在压缩过程开始前或在压缩过程中，与低温热源接触，放出热量或在压缩过程中，与低温热源接触，放出热量正向循环在正向循环在p-v图和图和T-s图上都按顺时针方向进行图上都按顺时针方向进行wwnetqqqqnet21正向循环的经济性用热效率正向循环的经济性用热效率t来
21、衡量来衡量 该式普遍适用于各种类型的热动力循环，包括该式普遍适用于各种类型的热动力循环，包括可逆的或不可逆的循环可逆的或不可逆的循环1qwnett逆向循环逆向循环逆向循环主要应用于制冷装置和热泵逆向循环主要应用于制冷装置和热泵工质在吸热前先进行膨胀降温过程，使工质的温工质在吸热前先进行膨胀降温过程，使工质的温度降低到能自低温热源吸取热量；在放热过程前，度降低到能自低温热源吸取热量；在放热过程前，进行压缩升温过程，使其温度升高到能向高温热进行压缩升温过程，使其温度升高到能向高温热源放热源放热逆向循环在逆向循环在p-v图和图和T-s图上都按逆时针方向进行图上都按逆时针方向进行制冷循环和热泵循环的经济性指标分别用制冷系制冷循环和热泵循环的经济性指标分别用制冷系数数和热泵系数和热泵系数表示表示 netwq2netwq1
