热工流体第一章、基本概念

热工与流体力学基础

第一篇工程热力学

第一章基本概念

第一节工质及热力系统

一、工质

是物质运动的量度，能量与物质是不可分割的。在热力过程中，完成热能与机械能之间的相互转换必须借助于某种工作介质---工质来实现。工质并不直接参与能量的转换，只是在能量转换过程中起媒介作用，即在热力过程和热力循环中，伴随工质热力状态的不断变化，使得热力系统与外界之间通过界面而发生能量的转换与传递。

二、热力系统

根据热力学分析的需要，在相互作用的各物体中，选取某一范围内的物体作为热力研究的对象，称为热力系统或系统。将与热力系统相互作用的周围物体称为外界或环境。热力系统与外界的分界面成为界面或边界。

热力系统与外界之间的界面可以是真实的，也可以是虚拟的，可以是固定的，也可以是活动的。

图1-1 热力系统、外界与边界

三、热力系统的分类

根据界面上系统与外界间能、质交换的情况不同来分类：

闭口系统：界面上无质量交换的系统（控制质量cm）；

开口系统：界面上有质量交换的系统（控制体积cv）；

绝热系统：界面上无热量交换的系统；

孤立系统：界面上既无质量交换又无能量交换的系统。

自然界中的物体都是相互联系的。相互制约和相互作用的，因此绝对的绝热系统和孤立系统都是不存在的。只有当系统与外界间的热量、功量、质量的交换无限小或该作用的影响可忽略不计时，可看作是某一特定条件下的简化。

在热力学中还有一些特殊的系统。像具有无限大热容的系统，他们在放出或吸收有限的热量时不改变系统的自身的温度，被称为热源或热库。另外，若热力系统与外界可逆的功交换只有体积变化功一种形式，则该系统称为简单可压缩系统。

第二节工质的热力学状态及其基本状态参数

一、热力状态与状态参数

热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为热力状态或状态。

热力状态是系统各种宏观物理特性的表现，能描述这种宏观特性的物理量称为热力状态参数或状态参数。

该课程主要讨论的状态参数有温度（T）、压力（P）、比体积（v）或密度（ρ）、热力学能（U）、焓（H）、熵（S）等。其中，温度（T）、压力（P）、比体积（v）或密度（ρ）是可以直接测量的，被称为基本状态参数；而其余状态参数不能直接测量，必须由基本状态参数导出，所以称为导出参数。

二、基本状态参数

1、温度

温度是描述热力系统冷热状态的物理量。从分子运动理论观点看，温度标志着物质内部大量分子热运动的强烈程度。

为了使温度测量准确一致，就要有一个衡量温度的标尺，简称温标。国际上规定热力学温标作为测量的最基本的温标。它是根据热力学第二定律的基本原理制定的，与测温物质的特性无关，可以成为度量温度的标准。

热力学温标的温度单位是开尔文，符号是k(开)。把水的三相点的温度，即水的固相、液相、气相平衡共存的状态的温度作为单一基准点，并规定为273.16k。

因此，热力学温度单位“开尔文”是谁的三相点温度的1/273.16。

国际计量大会通过决议，规定摄氏温度有热力学温度移动零点来获得。

273.15t T K

=- （1-1） 由式（1-1）可知，摄氏温标和热力学温标并无实质差异，而仅仅是零点不同。

2、 压力

单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强），即

/P F A = （1-2）

P---压力；

F---作用于界面的垂直作用力； A---作用面积。

分子运动学说把气体的压力看作是大量气体分子撞击器壁的平均结果。

测量工质压力的仪器称为压力计。由于压力计的测量元件处于某种环境压力的作用下，因此，压力计所测得的压力是工质的真实压力（或称绝对压力）与环境介质压力之差，叫做表压力或真空度。

图1-2

当绝对压力大于大气压力（见图1-2a ）时

b e p p p =+ （1-3）

式中e p 表示测得的差数，称为表压力。如工质绝对压力低于大气压力（见图1-2b ）

b v p p p =- （1-4）

式中v p 也表示测得的差数，称为真空度。此时测量压力的仪表较真空计。

绝对压力、表压力、真空度和大气压力之间的关系如图1-3所示。

图1-3

作为工质状态参数的压力应该是绝对压力。大气压力是地面以上空气柱的重量所造成，可用气压计测定。

国际单位制中，压力的单位是帕斯卡，符号p a 。

1p a =1N/m 2

工程中还采用其他压力单位，见表1-1。

表 1-1

例1-1测得两系统内的表压力分别为0.015Mp a 和1.5Mp a ，当时气压计读数为0.1013

Mp a ，试计算两系统的绝对压力。 解：

110.0150.10130.1163g b p p p =+=+= Mp a 22 1.50.1013 1.6013g b p p p =+=+= Mp a

3、 比体积与密度

单位质量物质所占的体积称为比体积，即

/v V m = （1-5）

v---比体积，m3/kg ； m---物质的质量，kg ； V ---物质的体积，m3。

单位体积物质的质量，称为密度，单位kg/m3。

/m V ρ= （1-6） 显然，v 与ρ互成倒数。

第三节 平衡状态、状态方程、坐标图

一、平衡状态

一个热力系统，如果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 。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，此时热力系统所处的状态才是平衡状态。

二、状态方程

对于简单可压缩热力系统，当他处于平衡状态时，个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)

三、状态参数坐标图

由于两个参数可以完全确定简单可压缩系统的平衡状态，所以由任意两个独立的状态参数所组成的平面坐标图上的任意一点，都相应于热力系的某一确定的平衡状态。同样，热力系统每一平衡状态总可在这样的坐标图上用一点来表示。这种由热力系统状态参数所组成的坐标图称作热力状态坐标图。常用的热力图有压容（p-v）图和温熵（T-s）图等。注意，只有平衡状态才能用状态参数图上的一点来表示。

图1-4

第四节热力过程的基本概念

一、热力过程

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，称为热力过程或过程。

任何热力过程中的始态与终态都是平衡状态。如果始台与终态间发生的中间状态处处平衡，这就是平衡过程；如果中间状态中存在不平衡状态时，这就是不平衡过程，平衡过程中的每一热力状态]都具有确定的宏观特性，在热力状态图中可用一条确定的实线来描述其过程变化，在不平衡过程中，除了始态与终态可由确定的状态参数表示外，不平衡的中间状态是无法用确定的状态参数表示的。同样，在热力状态图中也无法用确定的曲线来表示不平衡中间状态的变化。但为了方便讨论不平衡过程的变化，则在始态与终态间用虚线连接来近

似的描述。

二、准平衡状态

一切过程都是平衡被破坏的结果，工质和外界有了热和力的不平衡才促使工质向新的状态变化，故实际过程都是不平衡的。若过程进行的相对缓慢，工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需的时间，即所谓弛豫时间又很短，工质有足够的时间来恢复平衡。随时都不致显著偏离平衡状态，那么这样的过程就叫做准平衡过程。

三、可逆过程与不可逆过程

当热力系统在变化过程中不存在任何不可逆耗散时，系统及外界都能按原路线逆行至初态，并能完全恢复至各自的初始状态，这就是可逆过程；否则就是不可逆过程。

一个可逆过程，首先应该是准平衡过程，应满足热的和力的平衡条件，同时在过程中不应有任何耗散效应。这也是可逆过程的基本特征。

第五节过程功和热量

一、功的热力学定义

在力学中把力和力方向上位移的乘积定义为力所作的功

W=F*S (1-7)

功的热力学定义：功是热力学系统通过边界而传递的能量，其全部效果可表现为举起重物。

热力学中约定：系统对外界做功取正，而外界对系统做功取负，在法定计量中，功的单位为焦耳（J），单位时间内完成的工称为功率（W）。

图 1-5

如图1-5所示为简单可压缩系统，设活塞在气缸里可作无摩擦运动。气缸的端面面积为A ，缸内有1kg 气体，其压力为p ，比体积为v1，在p-v 图上可用1点表示他所处的状态。如果气缸的气体在压力p 保持不变的情况下膨胀，推动活塞向右移动距离x 到达点2，气缸里的气体体积增大到v2，其膨胀过程在p-v 图中为一条横线1-2。在活塞无摩擦的理想情况下，1kg 气体对活塞所作的功用w 表示，则

()21w p x p v v =?A ?=- （1-8）

其值大小相当于p-v 图中1-2过程线下面积。 对于实际膨胀过程往往是非等压过程，利用积分

2

2

121

1

1

nm w w pdv S

=

?==?? （1-9）

由于功量可以用p-v 图中过程线下的面积表示，所以p-v 图有称为示功图。

功量不是状态参数，而是与过程特性有关的过程函数。在相同的始态与终态之间，过程曲线形状不同，过程线下的面积亦不同。

二、热量

当系统与外界间只有功和热的交换时，不作为功而通过界面传递的能量称为热量，这就是热量的热力学定义。其中没有强调温差的作用，所以该定义同样适用于无温差的可逆传热

过程。

热量的单位是J （焦尔），工程上常用kj(千焦)。工程热力学中约定：体系吸热，热量为正；反之，则为负。

图1-6

系统在可逆过程中与外界交换的热量可由下式计算：

q Tds δ= （1-10）

2

121

q Tds -=

? （1-11）

可逆过程热量12q -在T-s 图上可用过程线下方的面积表示。

热量使能量传递的度量，是过程量。只有在能量传递过程中才有所谓的功和热量，没有能量的传递过程就没有功和热。

第六节 热力循环

一、 循环概说

实用的热力发动机必须能连续不断的做功。为此，工质在经历了一系列状态变化过程后，必须能回到原来的状态，作为工质在经过若干过程后，重又回到了原来的状态。这样一系列过程的综合，叫做热力循环，简称循环。

全部由可你过程组成的循环称为可逆循环；若循环中有部分过程或全部过程是不可逆过

程的，则该循环为不可逆循环。在状态参数的平面坐标图上，可逆循环的全部过程构成一闭合曲线。

二、 正向循环

将热能转化为机械能的循环叫做正向循环。它使外界得到。正向循环在p-v 图和T-s 图

上都是按顺时针方向进行的。 正向循环的经济性用热效率t η来衡：

1

net

t w q η=

（1-12）

三、 逆向循环

将热量从低温热源传给高温热源的循环叫逆向循环。一般来讲逆向循环必然消耗外功。逆向循环在p-v 图和T-s 图上都按逆时针方向进行。

逆向循环主要应用于制冷和热泵。制冷循环和热泵循环的用途不同，即收益不同，故其经济性能指标也不同，分别用制冷系数ε和热泵系数ε’表示：

2net

q w ε= （1-13）

1

'net

q w ε=

（1-14）