工程热力学基础知识

实际上，生活中有很多可逆或者不可逆的例子， 但是它们的含义和热力学中的可逆和不可逆是不 一样的，如四季交替、生老病死、时间流逝、木 已成舟等是完全的无法逆转的过程，而凝水成冰、 融冰成水，跟烧水成汽、凝汽成水，看似都是可 逆的，但是本质又有不同。 工程热力学中的可逆或不可逆，主要是看是否对 于外界产生了不可逆转的影响。主要集中在两个 方面： 1.做功有无摩擦，这是由于机械能通过摩擦变为热 1.做功有无摩擦，这是由于机械能通过摩擦变为热 能的过程无法逆转。 2.传热有无温差，这是由于高温物体和低温物体虽 2.传热有无温差，这是由于高温物体和低温物体虽 然都包含热能，但是品位不同，使得热量只会自 发的从高温物体传向低温物体。
（六）功和热量
（一）. （一）.热工中涉及的功有两种： 1.容积功： 1.容积功 容积功： 工质与外界间压力差作用下，工质体积发生 变化时，工质所做的功。包括工质膨胀时对外做 功（膨胀功），工质被压缩时外界对工质做功 （压缩功）。用W表示 （压缩功）。用W 定压力时： W=p*∆V W=p*∆ 变压力时： W=∫pdv W=∫ 在常用的 p-v图上，容积功W等于过程变化曲线与v 图上，容积功W等于过程变化曲线与v 轴围成的面积。
（二）稳定流动能量方程
开口系能量方程较复杂，但是里面有一例我们经 常碰到的稳定流动系统。这种系统的特点： 1.各个位置上工质的状态参数恒定 1.各个位置上工质的状态参数恒定 2.系统总质量恒定，一定时间内流入和流出的工质 2.系统总质量恒定，一定时间内流入和流出的工质 质量相等。 3.系统本身的总能量不变∆E=0 3.系统本身的总能量不变∆ 4.系统与外界的功的交换可以分为机器轴传递的功 4.系统与外界的功的交换可以分为机器轴传递的功 称为轴功W 和工质流动带来的净流动功W 称为轴功Ws和工质流动带来的净流动功Wf。二者 代数和为∆ 代数和为∆W。 5.工质自身的能量可以分成3部分：焓H，动能Ek， 5.工质自身的能量可以分成3部分：焓H，动能E 重力势能E 重力势能Eg。 最终得到稳定流动能量方程： ∆Q+∆W+∆H+∆Ek+∆Eg=0 Q+∆W+∆H+∆
可逆过程与不可逆过程 系统经历一准静态过程从状态1变化到状态2 系统经历一准静态过程从状态1变化到状态2 后，若可以按原路线反向的从状态2 后，若可以按原路线反向的从状态2回复到 状态1 状态1，并且对外界没有任何影响，这样的 过程称为可逆过程 过程称为可逆过程
A
有摩擦/无摩擦
B
上图中，小球以一定初速度匀速运动，若平板光滑，则 不论从A到B还是从B到A都是可逆的，但是如果有摩擦 的话，上述过程就不可逆了。
熵：熵是热工学中一个非常重要的参数， 它本身是不存在的，而是科学家为了更方 便的分析研究而人为导出的一个状态参数。 用来分析热力学变化过程的趋势。在可逆 用来分析热力学变化过程的趋势。在可逆 过程中熵是一个微分数值： 过程中熵是一个微分数值：
δq ds = ( ) rev T δQ mδq dS = ( ) rev = ( ) rev = mds T T
（二）系统的热力状态及其基本参数
1.热力状态 1.热力状态 某时刻，系统中工质表现在热力现象方面 某时刻，系统中工质表现在热力现象方面 的总的状况称为系统的热力状态 的总的状况称为系统的热力状态，简称状 热力状态，简称状 态。 描述系统状态的物理量称为状态参数 描述系统状态的物理量称为状态参数 状态参数的取值完全由状态确定。 如果工质的状态参数可以在一段时间内保 持稳定的数值，不随时间变化而变化，则 称为热力平衡态 称为热力平衡态，简称平衡态。 热力平衡态，简称平衡态 平衡态。
二、热力学第一定律及其应用
热力学第一定律其实就是能量守恒定律在热力学 领域中的应用，由于热力学领域总是把某一系统 作为研究对象，所以强调的是系统和外部环境的 总的能量守恒。 在对单一热力系统进行分析的时候，系统本身能 量变化∆ 、系统与外界的功交换∆ 量变化∆E、系统与外界的功交换∆W、系统与外 界的热交换∆ 界的热交换∆Q、还有涉及物质进出系统带来和带 出的能量∆ 出的能量∆e之间满足下列关系：
热工中的不可逆过程并不是象木已成舟一样 完全无法逆转，而是只，想要逆转这种过程 我们需要花费额外的代价，这个代价一般指 的是能量，也就是说想要逆转一个不可逆过 程我们需要付出能量作为补偿 程我们需要付出能量作为补偿。 补偿。 热工领域中的可逆过程必须满足做功无摩擦、 热工领域中的可逆过程必须满足做功无摩擦、 做功无摩擦 传热无温差，而这在现今是不可能实现的， 传热无温差，而这在现今是不可能实现的， 在分析的时候，如果摩擦和温差传热造成的 不可逆因素影响很小的话，我们也可以吧该 过程当作可逆过程进行分析，这将大大简化 我们的分析和计算。
第一章 制冷与调技 术理论基础
第二部分 工程热力学基础知识
一、热力学的基本概念
（ 一）、热力系统与工质 1.热力系统 1.热力系统 在热力学研究中，研究者所指定的具体研究对象称为 热力系统，简称系统 系统。和系统发生相互作用( 热力系统，简称系统。和系统发生相互作用(能量交换或 质量交换)的周围环境称为外界 质量交换)的周围环境称为外界，或称为环境。系统与环 外界，或称为环境 环境。系统与环 境的分界面称为边界 境的分界面称为边界。 边界。 闭口系：与外界没有质量交换的系统，称为闭口系统。 闭口系： 开口系： 开口系：与外界有质量交换的系统，称为开口系统。 绝热系： 绝热系：与外界没有热量交换的系统，称为绝热系统。 完全绝热的系统实际上是不存在的，工程上将与外界换热 量相对很小的系统近似为绝热系统。 2.工质 2.工质 在制冷与空调工程及其他热力设备中，热能与机械能 的转换或热能的转移，都要借助于某种携带热能的工作物 转换或热能的转移，都要借助于某种携带热能的工作物 质的状态变化来实现，这类工作物质称为工质。 质的状态变化来实现，这类工作物质称为工质。 制冷系统中使用的工质称为制冷剂 制冷系统中使用的工质称为制冷剂，也叫冷媒 制冷剂，也叫冷媒
（二）热量 1.工质与外界之间通过热传递交换的能量叫做热量。 1.工质与外界之间通过热传递交换的能量叫做热量 热量。 显热：工质吸收或者放出热量，其温度发生变化 显热： 而集态不变，这时传递的热量称为显热。 潜热：工质吸收或者放出热量，其集态发生变化 潜热： 但是温度不变，这时传递的热量称为潜热。 2.热量计算方法 2.热量计算方法 用熵计算可逆过程的热量 用熵计算可逆过程的热量 Q=∫Tds 在T-s图上，热量等于变化过 程曲线与横坐标轴围出的面积。 用比热容计算显热
1
2
2.流动功 2.流动功 对于一个存在稳定流动的系统，在某一管 道出截取一段进行分析，如图中12界面之间 道出截取一段进行分析，如图中12界面之间 的管道部分，左侧流体想要流入，需要推 开管内已有流体做功，若界面处压力为p 开管内已有流体做功，若界面处压力为p1， 流入流体体积为V ，则功为W 流入流体体积为V1，则功为W1=p1*V1。而右 侧流出的流体则可认为是被管内的流体做 功推出来的，若界面压力为p2，流出体积 功推出来的，若界面压力为p2，流出体积 为V2，则功为W2=p2*V2。这即是流动功，其 ，则功为W 中流入为正，流出为负，结合起来，对于 管道12的净流动功就是W=W 管道12的净流动功就是W=W1-W2
热力学相关的能量的总和。 热力学相关的能量的总和。
真空
真空
p1 V1
p2 V2
绝热系A
绝热系A
上面图示中的闭口绝热系A 上面图示中的闭口绝热系A中的黄色方块是一团 气体，它从状态1变化到状态2 气体，它从状态1变化到状态2，很显然，按照理 想气体状态方程进行分析，由于气体膨胀对外做 功，我们会得到u 功，我们会得到u1<u2的结论，但是根据能量守恒 定律，工质与外界无能量交换，因此工质的能量 总和应当不变，再经过进一步分析，我们会得到 u1+p1V1=u2+p2V2 即H1=H2的结论。
2.基本状态参数 2.基本状态参数 如果系统的状态发生了变化，那么将表现 为状态参数的变化，换而言之，我们可以 通过观测系统状态参数的变化来了解系统 的变化。 表示系统状态变化的参数有六个，分别为: 表示系统状态变化的参数有六个，分别为: 压力、温度、比体积（或密度）、内能、 ）、内能 压力、温度、比体积（或密度）、内能、 焓、熵，其中温度、压力、比体积可以直 接或者间接的用一起测出，称为基本状态 接或者间接的用一起测出，称为基本状态 参数。 参数。
∆E= ∆W +∆Q+ ∆e +∆
这个公式项比较多，分析较复杂，但是实际 应用中经常因为实际情况使得其中一些项不变而 被忽略掉，从而可以得到它的其他方程表现形式。
（一）闭口系能量方程
闭口系与外界无质量交换，因此∆ 闭口系与外界无质量交换，因此∆e为0，闭口系本 身动能和重力势能也不变，所以闭口系自身能量 变化只有热力学能的变化即∆E=∆ 变化只有热力学能的变化即∆E=∆U。所以化简的 闭口系能量方程： ∆U=∆Q+∆W U=∆Q+∆ 而对于热机和制冷机一类工质循环流动的设备， 工质进行一个循环后又回复初始状态所以热力学 能变化为0 能变化为0。又得到： ∆Q+∆W=0 Q+∆ 这说明循环工作的热机要对外输出功，必须外界 不断提供热，反之对于制冷机，要对外输出热， 则要外界提供功。
（三）理想气体状态方程
有关理想气体的定义和性质以及理想气体 状态方程属于高中物理内容，不再赘述。
（四）内能、焓、和熵
内能：系统中工质分子做热运动动能和分子势能 内能： 的总和称为系统内能。用字母U 的总和称为系统内能。用字母U表示，单位质量 工质的内能用u 工质的内能用u表示。 焓：这是一个组合状态参数，在数值上等于工质 内能加上压力和体积的乘积，用字母H 内能加上压力和体积的乘积，用字母H表示，单 位质量工质的焓（也叫比焓）用字母h 位质量工质的焓（也叫比焓）用字母h表示，焓和 内能的数学关系可以用公式：h=u+pv 内能的数学关系可以用公式：h=u+pv 和 H=U+pV 表示。 焓的量纲和内能一样，都是焦耳，说明焓也具有 能量意义，实际上在焓比内能更加全面的代表了 工质的能量。个人认为：焓就是工质所包含的和