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