工程热力学基础(补充篇)

（2）功转变为热量是无条件的， 而热转变为功是有条件的。
热力学中选取一定的工质或空间作为研究对象。
热力系统
（system）
边界
环境
（boundry） （surrounding）
内燃机汽缸中气体为热力系统
入口
（inlet）
热力系统
（system）
边界
（boundry）
出口
（outlet）
汽轮机中蒸汽为热力系统
2. 热力系统的分类（classifications of System）
➢ 绝对压力（absolute pressure）用 P 表示
是以绝对真空为基准计量得到的压力。 是工质的真实压力。
➢ 表压力（gage pressure）
是以大气压为基准测量得到的压力，用 Pe 表示。
➢ 真空度（vaccum）
Pe
是以大气压为基准
测量得到的压力，
用 Pv 表示。
P
Pb
0
Pb Pv
第一章 工程热力学基本概念
1-1 热力系统
1. 热力发动机（热机）（engine）
凡是能将热能转换为机械能的机器统称为热机。
举例 蒸汽机，蒸汽轮机，燃气轮机，内燃机，喷气发动机。
2. 工质（substance）
实现热能和机械能转化的媒介物质。
举例 空气，燃气，水蒸气等。
3. 热源（source）
高温热源：工质从中吸收热能的物系。 低温热源：接受工质排出热能的物系。
pext2 A
驰豫时间（relaxation time） 当工质在平衡被破坏后，
自动恢复到平衡所需时间。
是实际过程进行的无限缓慢的极限情况， 是热力学意义上的缓慢。
5. 好处：
（1）可用确定的状态参数描述过程。 （2）可在参数坐标图上用一条连续实线表示过程。
1-4-2 可逆过程（reversible process）w 2pdv1J kg
3. 示功图：
对一个可逆过程，体积变化功可在 P-v 图中用过程线下面的面积表示。
w pdv
2
w 1 pdv
说明
1
2
功的正负规定
pA
➢ 系统对外作功，功数值为正
dv > 0, w > 0。
p
➢ 外界对系统作功，功数值为负 dv < 0, w < 0。
1 w
功是过程量
p
功的大小不仅与初、终态有关，
2. 压力 （pressure）
（1）压力
➢ 单位面积上所受的垂直作用力，用 p 表示。
➢ 分子运动论：气体的压力是大量气体分子与容器壁面
（2）单位
碰撞作用力的统计平均值。
➢ 国际单位制单位面积上所受的力表示， Pa, kPa
➢ 液柱的高度表示，mH2O, mmHg
（3）绝对压力，表压力和真空度
平衡状态
变化过程
热力学中两个理想化过程模型
准平衡过程（准静态过程） 可逆过程
对实际过程 简化的思想
1-4-1 准平衡过程（quasistatic process）
1. 准平衡过程（准静态过程）
假设过程中系统所经历的每一个状态都无限接近于 平衡状态的过程。
2. 举例分析 观察由于力的不平衡而进行的气体膨胀过程。
如果两个物体中的每一个都分别与第三个物体处于 热平衡，则它们彼此也处于热平衡。
（3）温标（temperature scale）
温度的数值表示法。
第三个物体可 用作温度计
热力学温标（thermodynamic scale of temperature）
➢ 热力学温度：符号：T，单位：K。 ➢ 基准点：取水的三相点（triple point）（纯水固、液、气
（1）系统与外界是否进行物质交换
a：闭口系统（closed syetem）
系统与外界之间没有物质交换，只有能量交换。
（控制质量系统）
热力系统
b: 开口系统（open system）
边界 闭口系统示意图
系统与外界之间既有物质交换，又有能量交换。
（控制容积系统）
入口
热力系统
边界 开口系统示意图
出口
（2）系统与外界之间进行能量交换情况 a: 简单系统（simple system）
常用坐标图： 压容图（p-v图），温熵图（T-s图），压焓图（p-h图）
p
T
1
p1
1
p2
2
T1
p 1
p1
0
v1 v2 v 0
p-v图
s1 T -s图
s0
h1
h
p -h图
1-4 准平衡过程和可逆过程
热力过程（thermodynamic process） 系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。
平衡状态
0
还与过程的性质有关。
dv
示功图
实线 2
v
1-5-2 热量（heat）
1. 热量
系统与外界之间仅仅由于温度不同而交换的能量。 热量用 Q，q 表示，单位 J, kJ, J/kg, kJ/kg。
2. 可逆过程中系统与外界交换的热量
对 1kg 质量的物质
q Tds
2
q12
Tds
1
对 mkg 质量的物质
0
ds
示热图
s
热量的大小不仅与初，终状态有关，
还与过程的性质有关。
1-5-3 功和热量的关系
共同点
（1）都是能量传递的度量，都是过程量； （2）只有在传递过程中才有功，热量。
区别
（1）功：是有规则的宏观运动能量的传递，作功过程中 往往伴随着能量形态的转变。 热量：是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传递， 传热过程中不出现能量形态的变化。
思考
两个不同概念：“平衡”和“均匀” 两个不同概念：“平衡”和“稳定”
1-2-3 基本状态参数
1. 温度（temperature） （1）温度的含义
➢ 是标志物体冷热程度的参数。 ➢ 微观上，温度标志着物质分子热运动的激烈程度。 ➢ 是衡量系统是否处于热平衡的状态参数。
（2）热力学第零定律（the zeroth law of Thermodynamics）
系统的热力学状态
描述工质所处状态的宏观物理量。
说明
➢ 状态参数是热力系统状态的单值函数。
➢ 状态参数的数值只取决于给定的状态， 与如何达到这一状态的途径无关。
1-2-2 平衡状态（equilibrium state）
1. 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 状态参数不随时间而变化的状态。
假设：汽缸中有 1kg 的气体，
其参数为 p1, v1. T1
选取：汽缸内气体为热力系统
p1 A
pext1 A
F
气体膨胀过程
力不平衡引起的 气体膨胀过程
1
➢ 若 p1A = pext1 A + F 状态：初始平衡状态1
➢ 突然减小 pext1→ pext2 则 p1A > pext 2 A + F 活塞右行 中间状态：不平衡状态 中间过程：不平衡过程
4. 举例：蒸汽动力装置中热能转变为机械能的过程
1
过热器 6
锅炉
汽轮机
冷
给水泵
凝 器
4
3
热能动力装置的工作过程
发
电
2
机
冷却水
高温热源？ 低温热源？
工质自 高温热源
吸热
将其中一部分 转化为机械能
而作功
把余下热量 传给
低温热源
1-1-2 热力系统
1. 热力系统（thermodynamic System）
2
Q12
TdS
1
比熵变 ds 熵变 dS
3. 示热图
可逆过程中，热量在 T-s 图中用 过程线下面的面积表示。
说明
q Tds
2
q 1 Tds
热量的正负规定
T
2
➢ 系统吸热：热量为正，q > 0 ➢ 系统放热：热量为负，q < 0
q
1
➢ 系统绝热： q = 0
T
➢ 可逆绝热： ds = 0 热量是过程量
v V m3 / kg m
（2）密度（density）
单位体积物质的质量。用 表示。
v 1
在热力学中，常用比体积作为状态参数。
1-3 状态方程式与状态参数坐标图
状态公理 对于简单可压缩系统，只需两个独立 的状态参数，便可确定它的平衡状态。
例如工质处于某一平衡状态时： p = f ( v, T )，v = f ( p, T )， T = f ( v, p )
12
pA
pext A
F
F=0
3. 可逆过程与准平衡过程的关系
区别 两过程的着眼点不同。
准平衡过程
➢ 只着眼于系统内部的平衡。 ➢ 过程中是否存在机械摩擦（耗散）对系统内部的平衡
并无影响。
可逆过程
➢ 分析系统与外界作用所产生的总效果。 ➢ 不仅强调工质内部的平衡，而且要求系统与外界的
作用可以无条件地逆复，过程进行时不存在任何形 式的能量耗散。 ➢ 可逆过程是一切热力设备工作过程力求接近的目标。
➢ 当 p2A = pext2 A + F 状态：新的平衡状态2
p1 A pext1 A
F
2
p2A pext2 A
F
p
1 p1
虚线
p2
2
若过程进行的 无限缓慢？
0
v1
v2
v
3. 实现准平衡过程的条件 ：
推动过程进行的势差（温差，压差）无限小，
保证系统在任意时刻皆无限接近于平衡状态。