湖南大學工程熱力學-第一章

工程熱力學

陳敬煒

助理教授第一章基本概念BasicConceptsandDefinition1-1熱能和機械能相互轉換過程1-2熱力系統1-3工質的熱力學狀態及其基本狀態參數1-4平衡狀態1-5工質的狀態變化過程1-6功和熱量1-7熱力循環本章基本要求：掌握工程熱力學中一些基本術語和概念：熱力系、平衡態、準平衡過程、可逆過程等。掌握狀態參數的特征，基本狀態參數p、v、T

的定義和單位等。掌握熱量和功量這些過程量的特征，并會用系統的狀態參數對可逆過程的熱量、功量進行計算。一、熱能動力裝置(Thermalpowerplant)

定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力的整套設備。分類燃氣動力裝置(combustiongaspowerplant)

內燃機(internalcombustiongasengine)燃氣輪機裝置(gasturbinepowerplant)噴氣發動機(jetpowerplant)……蒸氣動力裝置(steampowerplant)1-1熱能和機械能相互轉換的過程

熱能機械能化學能內燃機裝置燃氣輪機裝置燃氣輪機裝置小型燃氣輪機裝置噴氣發動機蒸汽輪機裝置核電廠汽輪機電廠俯瞰圖內燃機（汽油機）工作物質：燃氣燃氣熱能機械能燃料化學能排入大氣燃燒、膨脹排氣吸氣壓縮工作過程：能量轉換：內燃機工作原理動畫1587624391－鍋爐2－沸水管3－汽鍋4－過熱器5－汽輪機6－發電機7－冷凝器8－泵9－蓄水池熱機工作過程示意圖高溫熱源吸熱Q1熱機作功W機械能放熱Q2低溫熱源鍋爐汽輪機冷凝器水泵冷卻水過熱蒸汽乏汽循環水發電機為使熱能源源不斷地轉化為機械能必須：憑借工質作為媒介物質；工質源源不斷地從高溫熱源吸收熱量；工質熱力學狀態發生循環往復的連續變化；向溫度較低的熱源排出一部分熱量。工質：實現熱能與機械能相互轉化的媒介物質熱源：工質從中吸取熱能的物系，或稱高溫熱源冷源：接受工質排出熱能的物系，或稱低溫熱源三個基本概念熱能吸熱膨脹作功排氣機械能熱動力裝置的工作過程：工質自高溫熱源吸熱，將其中一部分轉化為機械能而做功，并把余下部分傳給低溫熱源熱源二、工質(workingsubstance)定義：實現熱能和機械能相互轉化的媒介物質。對工質的要求:物質三態中氣態最適宜。

1）膨脹性

2）流動性

3）熱容量

4）穩定性，安全性

5）對環境友善

6）價廉，易大量獲取工質是實現能量轉換必不可少的內部條件三、熱源(heatsource;heatreservoir)定義：工質從中吸取或向之排出熱能的物質系統。?高溫熱源—熱源

（

heatsource）低溫熱源—冷源（heatsink）?恒溫熱源(constantheatreservoir)

變溫熱源熱動力裝置工作可以概括為：工質從高溫熱源吸取熱能，將其中一部分轉化為機械能，把另一部分熱能傳給低溫熱源。1-2熱力系統（熱力系、系統、體系）外界和邊界人為分割出來，作為熱力學研究對象的有限物質系統。?外界(surrounding)：與體系發生質、能交換的物系。?邊界(boundary)：系統與外界的分界面（線）。一、定義邊界可以是實在的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移動的?系統(thermodynamicsystem,system)

二、系統及邊界示例?汽車發動機?汽缸-活塞裝置（閉口系例）?移動和虛構邊界邊界特性真實、虛構固定、活動熱力系統選取的人為性鍋爐汽輪機發電機給水泵凝汽器過熱器只交換功只交換熱既交換功也交換熱1.系統與外界的作用都通過邊界，不畫邊界進行熱力學研究無意義。注意：2.熱力系統的選取，取決于所提出的研究任務，但不能小到只包含少量的分子，以至不能遵守統計平均規律。3.邊界可以是：

a）剛性的或可變形的或有彈性的

b）固定的或可移動的

c）實際的或虛擬的三、熱力系分類

按組元數單元系(onecomponentsystem;puresubstancesystem)多元系(multicomponentsystem)按相數單相系(homogeneoussystem)復相系(heterogeneoussystem)注意：1）不計恒外力場影響；

2）復相系未必不均勻—濕蒸汽；單元系未必均勻—氣液平衡分離狀態。

1.按組元和相分

閉口系（closedsystem）

（控制質量CM）—沒有質量越過邊界

2.按系統與外界質量交換開口系統的分類：(1)不穩定流動開口系(2)穩定流動開口系統穩定流動開口系統中的質量及狀態參數不隨時間變化。開口系（opensystem）（控制體積CV）—通過邊界與外界有質量交換絕熱系（adiabaticsystem）—與外界無熱量交換;

孤立系（isolatedsystem）—與外界無任何形式的質能交換。3.按能量交換方式最重要的系統簡單可壓縮系統只交換熱量和一種準靜態的容積變化功容積變化功壓縮功膨脹功4.簡單可壓縮系（simplecompressiblesystem）

—由可壓縮物質組成，無化學反應、與外界有交換容積變化功的有限物質系統。注意：1）閉口系與系統內質量不變的區別；穩定流動開口系統2）開口系與絕熱系的關系；3）孤立系與絕熱系的關系。孤立系統=系統+相關外界=各相互作用的子系統之和

=一切熱力系統連同相互作用的外界孤立系統一定是閉口系；反之則不然。孤立系統一定是絕熱系統；絕熱系統不一定是孤立系統。熱力系統分類小結以系統與外界關系劃分：有無是否傳質開口系閉口系是否傳熱非絕熱系絕熱系是否傳功非絕功系絕功系是否傳熱、功、質非孤立系孤立系四、熱力系示例例1：剛性絕熱氣缸-活塞系統，B側設有電熱絲

紅線內——閉口絕熱系黃線內不包含電熱絲——閉口系黃線內包含電熱絲——閉口

絕熱系蘭線內——孤立系閉口系例2：剛性絕熱噴管取紅線為系統—取噴管為系統—開口系絕熱系例３：A、B兩部落“雞、犬之聲相聞，民至老死不相往來”ABA部落為系統A+B部落為系統

—閉口系—孤立系1-3工質的熱力學狀態和基本狀態參數

熱力學狀態（stateofthermodynamicsystem）

—系統宏觀物理狀況的綜合

狀態參數（stateproperties）

—描述物系所處狀態的宏觀物理量

1．狀態參數是宏觀量，是大量粒子的統計平均效應，只有平衡態才有狀態參數，系統有多個狀態參數，如一、熱力學狀態和狀態參數二、狀態參數的特性和分類壓力p、溫度T、比容v2．狀態的單值函數物理上—與過程無關；數學上—其微量是全微分。狀態參數的微分特征設z=z(x,y)dz是全微分充要條件：可判斷是否是狀態參數3．狀態參數分類(1)廣延量（extensiveproperty）:與系統的量有關，有可加性；如體積、熱力學能、動能、位能等；(2)強度量（intensiveproperty

）：

與系統的量無關，無可加性，如溫度、壓力、速度等。又：廣延量的比性質具有強度量特性，如比體積工程熱力學約定用小寫字母表示單位質量參數。比參數：比容比內能比焓比熵基本狀態參數工程熱力學中常用的狀態參數有壓力、溫度、比體積、比熱力學能、比焓、比熵等，其中可以直接測量的狀態參數有壓力、溫度、比體積，稱為基本狀態參數。

基本狀態參數壓力p、溫度T、比容v按是否直接或容易測量分非基本狀態參數內能U、焓H、熵S系統狀態相同的充分必要條件系統兩個狀態相同的充要條件：

所有狀態參數一一對應相等簡單可壓縮系兩狀態相同的充要條件：

兩個獨立的狀態參數對應相等（一）溫度和溫標（temperatureandtemperaturescale）

溫度是反映物體冷熱程度的物理量。溫度的高低反映物體內部微觀粒子熱運動的強弱。

當兩個溫度不同的物體相互接觸時，它們之間將發生熱量傳遞，如果沒有其它物體影響，這兩個物體的溫度將逐漸趨于一致，最終將達到熱平衡（即溫度相等）。所以溫度是熱平衡的判據。（1）溫度的物理意義溫度相等

熱平衡

（2）熱力學第零定律：(zerothlawofthermodynamics)

如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于熱平衡，則這兩個物體彼此也必處于熱平衡。熱力學第零定律是溫度測量的理論依據。ABC溫度：可以確定一個系統是否與其他系統處于熱平衡的物理量。是一個強度量。熱力學第零定律熱力學第零定律1931年T熱力學第一定律18401850年E熱力學第二定律18541855年S熱力學第三定律1906年

S基準（3）溫標：溫度的數值表示法。

建立溫標的三個要素：a.選擇溫度的固定點，規定其數值；b.確定溫度標尺的分度方法和單位；c.選擇某隨溫度變化的物性作為溫度測量的依據。攝氏溫標:

2、固定點：在標準大氣壓下，純水的冰點溫度為0℃，純水的沸點溫度為100℃，純水的三相點（固、液、汽三相平衡共存的狀態點）溫度為0.01℃。

1、單位：瑞典天文學家攝爾修斯（Celsius）于1742年建立。用攝氏溫標確定的溫度稱為攝氏溫度，用符號t表示，單位為℃。

3、物性及分度：選擇水銀的體積作為溫度測量的物性，認為其隨溫度線性變化，并將0℃和100℃溫度下的體積差均分100份，每份對應1℃。

華氏溫標：

1、單位、物性：1714年德國物理學家華倫海特利用水銀隨溫度的漲縮做為指示器，并在管子上設一個等級刻度表，使溫度可以定量地讀出。用符號

2、固定點：他把在實驗室所得到的最低溫度設為零，這是由鹽和水的混合液測量得到的，而后他將純水的冰點設為32度，沸點設為212度。

3、分度：有兩個好處：第一、水的液態范圍為180度，很自然和度聯想在一起，因為半圓恰好是180度。第二、人體的溫度精確值為98.6華氏度，約接近100華氏度。

用熱力學溫標確定的溫度稱為熱力學溫度，用符號T表示，單位為K（開）。

熱力學溫標（絕對溫標）:

英國物理學家開爾文（Kelvin)在熱力學第二定律基礎上建立，也稱開爾文溫標。

熱力學溫標取水的三相點為基準點，并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當于水的三相點溫度的1/273.16。

熱力學溫標與攝氏溫標的關系：溫差:1K=1℃t=T–273.15K常用溫標絕對K攝氏℃

華氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點水三相點鹽水熔點發燒水沸點559.67（4）溫度的測量溫度計物質（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準點刻度溫標

國際單位制（SI）采用熱力學溫T度作為基本狀態參數。溫度的測量方法a.接觸式:水銀溫度計、酒精溫度計熱電偶、電阻溫度計等。b.非接觸式:光學輻射高溫計激光全息干涉儀CARS（相干反斯托克斯喇曼光譜）法極寒－40℃或低于此值奇寒－35～－39.9℃酷寒－30～－34.9℃嚴寒－20～－29.9℃深寒－15～－19.9℃大寒－10～－14.9℃小寒－5～－9.9℃輕寒－4.9～0℃微寒0～4.9℃科學家給地球上的氣溫劃分了等級涼5～9.9℃溫涼10～11.9℃微溫涼12～13.9℃溫和14～15.9℃微溫和16～17.9℃溫暖18～19.9℃暖20～21.9℃熱22～24.9℃炎熱25～27.9℃暑熱28～29.9℃酷熱30～34.9℃奇熱35～39℃極熱高于40℃定義：單位面積上所受到的垂直作用力（即壓強）

（二）壓力(pressure)單位

:Pa（帕），1Pa=1N/m21MPa=103kPa=106Pa常用壓力單位：

1bar（巴）=105Pa

1atm（標準大氣壓）=1.013105Pa

1at（工程大氣壓）=0.981105Pa

1mmH2O（毫米水柱）=9.81Pa1mmHg（毫米汞柱）=133.3Pa

氣體分子撞擊器壁的統計（平均）效果壓力p測量一般是工質絕對壓力與環境壓力的相對值——相對壓力注意：只有絕對壓力p

才是狀態參數其它壓力測量方法高精度測量：活塞式壓力計工業或一般科研測量：壓力傳感器壓力表壓力計測壓原理絕對壓力與相對壓力當p

>pb表壓力pe當p

<pb真空度pvpbpeppvp當地大氣壓pb(localatmosphericpressure)例1：已知當地大氣壓力pb,及壓力表1、2的讀數分別為pg1，pg2。求pg3？

解：⑴壓力表1測得的是A室的相對壓力，故⑵壓力表2測得的也是A室的相對壓力，但它處在B室環境中，故⑶壓力表3測得的是B室的相對壓力，故

如圖，已知大氣壓pb=101325Pa，U型管內汞柱高度差H=300mm，氣體表B讀數為0.2543MPa，求：A室壓力pA及氣壓表A的讀數peA解：強調：pb是測壓儀表所在環境壓力（三）比體積和密度比體積單位質量工質的體積密度(density)單位體積工質的質量兩者關系:比體積和密度二者相關，通常以比體積作為狀態參數。1-4平衡狀態一、平衡狀態（thermodynamicequilibriumstate）1、定義：

在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統的狀態參數不隨時間變化，則該系統處于平衡狀態。

溫差

—熱不平衡勢

壓差—力不平衡勢

化學反應—化學不平衡勢平衡的本質：不存在不平衡勢平衡與穩定穩定：參數不隨時間變化穩定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態變化若以（熱源+銅棒+冷源）為系統，又如何？穩定不一定平衡，但平衡一定穩定平衡與均勻平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態則一定是均勻的為什么引入平衡概念？如果系統平衡，可用一組確切的參數（壓力、溫度）描述但平衡狀態是死態，沒有能量交換能量交換狀態變化破壞平衡如何描述二、狀態方程、坐標圖平衡狀態可用一組狀態參數描述其狀態狀態公理：獨立狀態參數個數N=n+1想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態參數？狀態公理（statepostulate）N—系統獨立的狀態參數數；n—系統與外界交換功形式數。簡單可壓縮系與外界僅有容積變化功一種形式

N=n+1

N=1+1=2n

容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等狀態方程簡單可壓縮系統：N

=n

+1=2狀態方程

基本狀態參數（p,v,T)之間的關系狀態方程的具體形式取決于工質的性質如：理想氣體狀態方程為：狀態參數坐標圖（parametriccoordinates）簡單可壓縮系只有兩個獨立參數，所以可用平面坐標上一點確定其狀態，反之任一狀態可在平面坐標上找到對應點，如：1）系統任何平衡態可表示在坐標圖上說明：2）過程線中任意一點為平衡態3）不平衡態無法在圖上用實線表示常見p-v圖和T-s圖pv21返回：可逆過程的功一、準靜態過程(quasi-staticprocess;quasi-equilibriumprocess)1-5工質的狀態變化過程平衡狀態狀態不變化能量不能轉換非平衡狀態無法簡單描述熱力學引入準靜態（準平衡）過程一般過程p1

=p0+重物T1

=T0突然去掉重物最終p2

=

p0T2

=

T0p，Tp0pv12..準靜態過程p1

=

p0+重物p，Tp0T1=

T0假如重物有無限多層每次只去掉無限薄一層pv12...系統隨時接近于平衡態準靜態過程有實際意義嗎？既是平衡，又是變化既可以用狀態參數描述，又可進行熱功轉換疑問：理論上準靜態應無限緩慢，工程上怎樣處理？準靜態過程的工程條件破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復平衡所需時間（馳豫時間）>>有足夠時間恢復新平衡

準靜態過程思考題：容器為剛性絕熱，抽去隔板，重又平衡，過程性質。逐個抽去隔板，又如何？準靜態過程的工程應用3.已知活塞式發動機每分鐘2000轉，曲柄每轉2沖程，每沖程位移0.15米，判斷活塞式發動機在工作狀況下是否可以視為準靜態過程。解：活塞運動速度cf=2000*2*0.15/60=10m/s；壓力波恢復平衡速度可以按聲速處理，壓力波恢復平衡速度a≥350m/s；在一定的位移Δx下，τ1=Δx/10，τ0=Δx/350，則τ1/τ0=35>>1。因此，活塞式發動機在工作狀況下可以視為準靜態過程。 一般地，工程上的熱力過程都可認為是準靜態過程。二、可逆過程(reversibleprocess)

系統經歷某一過程后，如果能使系統與外界同時恢復到初始狀態，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。(1)可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態的過程。(2)可逆過程是一個理想過程。實際過程都是不可逆過程，如傳熱、混合、擴散、滲透、溶解、燃燒、電加熱等。注意：可逆過程的實現準靜態過程+無耗散效應=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢差

不可逆根源

耗散效應（有序變成無序）

耗散效應準靜態著眼于系統內部平衡，可逆著眼于系統內部及系統與外界作用的總效果典型的不可逆過程不等溫傳熱自由膨脹T1T2T1>T2Q真空?????????????????節流過程(閥門）混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★p1p2p1>p2典型的不可逆過程引入可逆過程的意義(1)準靜態過程是實際過程的理想化過程,但并非最優過程，可逆過程是最優過程。

(2)可逆過程的功與熱完全可用系統內工質的狀態參數表達，可不考慮系統與外界的復雜關系，易分析。

(3)實際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過程）處理，用系統參數加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正。幾種可逆形式可逆完全可逆內部可逆，外部不可逆外部可逆，內部不可逆常見的形式判斷是否準靜態與可逆（1）以冰水混合物為熱力系90℃0℃緩慢加熱外部溫差傳熱準靜態過程系統內部等溫傳熱，無耗散內可逆外不可逆判斷是否準靜態與可逆（2）帶活塞的氣缸內，水被緩慢的加熱緩慢加熱，每一時刻水有確定的溫度準靜態過程水與火有溫差外不可逆以水為系統內可逆以水+活塞為系統活塞與壁面無摩擦內可逆活塞與壁面有摩擦內不可逆是否準靜態，看加熱快慢判斷是否準靜態與可逆（3）電或重物帶動攪拌器加熱容器中氣體電功熱機械功熱但不可逆耗散可逆過程與準靜態過程的區別與聯系準靜態過程+無耗散效應=可逆過程可逆過程一定是準靜態過程準靜態過程不一定是可逆過程可逆過程完全理想，以后均用可逆過程的概念準靜態過程很少用（就是為了引出可逆過程）一、功(work)的定義和可逆過程的功1．功的力學定義:力×在力的方向上的位移

2．功的熱力學定義：通過邊界傳遞的能量其全部效果可表現為舉起重物。

（定義二：通過有序運動方式傳遞的能量）3．功的一般表達式1-6過程功和熱量熱力學最常見的功—容積變化功（可逆、準靜態過程）解釋可逆過程功的表達式來源準靜態過程+無耗散效應=可逆過程1、準靜態過程的容積變化功以氣缸中mkg工質為系統初始：如果：可視為準靜態過程mkg工質發生容積變化對外界作的功pp外21pV12Wpp外21mkg工質：W=pdV1kg工質：w=pdv可逆過程的功▲功是過程量▲功可以用p-V圖上過程線與v軸包圍的面積表示進入：狀態方程及坐標圖

系統對外作功為“+”外界對系統作功為“-”5．功和功率的單位：附：4．功的符號約定：單位質量工質所作的功，用w表示，單位：J/kg6．討論有用功(usefulwork)概念其中:W—膨脹功(compression/expansionwork)；

Wl—摩擦耗功；

Wp—排斥大氣功。pbf思考題：1kg某種氣態工質，從初態1可逆膨脹到達終態2的過程中分別遵循：求：兩過程中各作功多少（a、b、c為常數）解：（1）（2）可用面積1A2MN1表示可用面積1B2MN1表示功與初、終態及中間過程有關！靈活計算功：用外部參數計算不可逆過程的功?二、廣義功(generalizedwork)簡介彈性力功表面張力功

電極化功及磁化功等三、熱量（heat）1．定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度的推動下，以微觀無序運動方式傳遞的能量。2．符號約定：系統吸熱“+”；放熱“-”3．單位：

4．計算式及狀態參數圖熱量是過程量（T-S圖上）表示熵的初步了解：P，T為強度量，V廣延量熵S為廣延量，單位：J/K比熵s，單位：J/(kg·K）熵的定義式：熱量與容積變化功比較過程量可逆過程公式過程推動力過程標志WpdVQTdS準靜態也可以僅可逆1、熵是狀態參數熵的說明2、符號規定系統吸熱時為正系統放熱時為負3、熵的物理意義：體現了可逆過程傳熱的大小和方向4、用途：判斷熱量方向，計算可逆過程的傳熱量示功圖與示熱圖pVWTSQ

示功圖溫熵圖四、熱量與功的異同：

1.均為通過邊界傳遞的能量；

3.功傳遞由壓力差推動，體積變化是作功標志；

熱量傳遞由溫差推動，熵變化是傳熱的標志；

4.功是物系間通過宏觀運動發生相互作用傳遞的能量；

熱是物系間通過紊亂的微粒運動發生相互作用而傳遞的能量。功2.均為過程量；熱是無條件的；熱功是有條件、限度的。不同點相同點1-7熱力循環要實現連續作功，必須構成循環定義：

熱力系統經過一系列變化回到初態，這一系列變化過程稱為熱力循環。分類：可逆過程不可逆循環可逆循環封閉的熱力過程，特性：一切狀態參數恢復原值，即不可逆循環pVTS凈效應：對外作功凈效應：吸熱正向循環：順時針方向2112pVTS凈效應：對內作功凈效應：放熱逆向循環：逆時針方向211220:14熱力循環的評價指標1、正向循環：凈效應（對外作功，吸熱）WT1Q1Q2T2動力循環：熱效率數值范圍：20:14熱力循環的評價指標2、逆向循環：凈效應（對內作功，放熱）制冷循環：制冷系數WT0Q1Q2T2數值：>0熱力循環的評價指標3、逆向循環：凈效應（對內作功，放熱）制熱循環：供熱系數或熱泵系數WT1Q1Q2T0數值：>1

動力循環：熱效率(thermalefficiency)