工程热力学基本概念
工程热力学知识点总结
工程热力学大总结'…第一章基本概念1.基本概念热力系统：用界面将所要研究的对象与周围环境分隔开来，这种人为分隔的研究对象，称为热力系统，简称系统。
边界：分隔系统与外界的分界面，称为边界。
外界：边界以外与系统相互作用的物体，称为外界或环境。
闭口系统：没有物质穿过边界的系统称为闭口系统，也称控制质量。
)开口系统：有物质流穿过边界的系统称为开口系统，又称控制体积，简称控制体，其界面称为控制界面。
绝热系统：系统与外界之间没有热量传递，称为绝热系统。
孤立系统：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换，称为孤立系统。
单相系：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相系。
复相系：由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的三相系统。
单元系：由一种化学成分组成的系统称为单元系。
多元系：由两种以上不同化学成分组成的系统称为多元系。
}均匀系：成分和相在整个系统空间呈均匀分布的为均匀系。
非均匀系：成分和相在整个系统空间呈非均匀分布，称非均匀系。
热力状态：系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况，称为工质的热力状态，简称为状态。
平衡状态：系统在不受外界影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，系统内外同时建立了热的和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。
状态参数：描述工质状态特性的各种物理量称为工质的状态参数。
如温度（T）、压力（P）、比容（υ）或密度（ρ）、内能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能（f）、自由焓（g）等。
基本状态参数：在工质的状态参数中，其中温度、压力、比容或密度可以直接或间接地用仪表测量出来，称为基本状态参数。
温度：是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量，其物理实质是物质内部大量微观分子热运动的强弱程度的宏观反映。
：热力学第零定律：如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡。
压力：垂直作用于器壁单位面积上的力，称为压力，也称压强。
工程热力学-01 基本概念及定义
平衡状态1
p1 v1
p
p2
2
压容图 p-v图
平衡状态2
p1
1
p2 v2
O
v2
v1
v
12
1-4 状态方程式
在平衡状态下，由气态物质组成的系统，只要知道两个独立的 状态参数，系统的状态就完全确定，即所有的状态参数的数值随之 确定。这说明状态参数间存在某种确定的函数关系，状态参数之间 存在着确定的函数关系，这种函数关系就称为热力学函数。
（2）当系统处于热力学平衡状态时，只要没有外界的影响， 系统的状态就不会发生变化。
（3）整个系统可用一组具有确定数值的温度、压力及其他参
? 数来描述其状态。
10
经验表明，确定热力学系统所处平衡状态所需的独立状 态参数的数目，就等于系统和外界间进行能量传递方式的数 目。对于工程上常见的气态物质组成的系统，系统和外界间传递 的能量只限于热量和系统容积变化所作的功两种形式，因此只需 要两个独立的状态参数即可描述一个平衡状态。
3、平衡状态、稳定状态、均匀状态
（1）关于稳定状态与平衡状态
稳定状态时，状态参数虽不随时间改 变，但它是依靠外界影响来维持的。而平 衡状态是不受外界影响时，参数不随时间 变化的状态。
85℃ 20℃
90℃
15℃
铜棒
平衡必稳定，稳定未必平衡。
（2）关于均匀状态与平衡 水
质统称为外界。 通常选取工质作为热力学系统，把高温热源、低温热源
等其他物体取作外界。
3、边界 ——热力学系统和外界之间的分界面称为边界。
边界可以是固定的，也可以是移动的； 边界可以是实际的，也可以是假想的。
3
二、热力学系统的分类 依据——有无物质或能量的交换
工程热力学基本概念及重要公式
工程热力学基本概念及重要公式1.热力学系统和热力学过程：热力学系统是指一定空间区域内被观察的物质或物体，它可以是一个封闭系统、开放系统或隔离系统。
热力学过程是指系统经历的状态变化过程，可以分为等温过程、绝热过程、等容过程和等焓过程等。
2.热力学第一定律：热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表述，即能量守恒原则。
它可以表示为：ΔU=Q-W，其中ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外做功。
该定律说明了系统内能的变化等于系统吸收的热量减去系统对外做的功。
3.热力学第二定律：热力学第二定律是热力学中的基本定律之一，也被称为熵增定律。
它可以表述为系统总熵永不减小，即所有自然界的过程和现象都遵循熵增的趋势。
根据熵的定义，dS≥Q/T，其中dS表示系统熵的增量，Q表示吸收的热量，T表示温度。
这个公式说明了系统的熵增量等于吸收的热量除以温度。
4.等温过程和绝热过程：在等温过程中，系统与外界保持温度不变，即温度恒定。
根据理想气体状态方程，PV=常数，即在等温过程中，气体的压强与体积呈反比关系。
在绝热过程中，系统与外界在热量交换上完全隔绝，即吸收或放出的热量为零。
根据理想气体状态方程，PV^γ=常数，其中γ为绝热指数，指的是在绝热过程中，气体压强与体积的幂指数之积的常数。
5.卡诺循环：卡诺循环是热力学中一种完美的热机循环，它由两个等温过程和两个绝热过程组成。
卡诺循环是理想的热机循环，它在可逆过程中实现了最大的功效率。
卡诺循环的功效率可表示为η=(T1-T2)/T1，其中T1表示高温热源的温度，T2表示低温热源的温度。
6.热力学第三定律：热力学第三定律是热力学中的基本定律之一，它表明在温度等于绝对零度时，所有系统的熵都将趋于零。
这个定律的提出为研究低温物理学和凝聚态物理学提供了重要的基础。
这些是工程热力学中的一些基本概念和重要公式。
工程热力学作为能源工程和热力工程等领域的基础学科，对于能量转换和热力设备的设计与运行具有重要作用。
工程热力学基本概念
工程热力学基本概念1.基本概念热力系统：用界面将所要研究的对象与周围环境分隔开来，这种人为分隔的研究对象，称之热力系统，简称系统。
边界：分隔系统与外界的分界面，称之边界。
外界：边界以外与系统相互作用的物体，称之外界或者环境。
闭口系统：没有物质穿过边界的系统称之闭口系统，也称操纵质量。
开口系统：有物质流穿过边界的系统称之开口系统，又称操纵体积，简称操纵体，其界面称之操纵界面。
绝热系统：系统与外界之间没有热量传递，称之绝热系统。
孤立系统：系统与外界之间不发生任何能量传递与物质交换，称之孤立系统。
单相系：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称之单相系。
复相系：由两个相以上构成的系统称之复相系，如固、液、气构成的三相系统。
单元系：由一种化学成分构成的系统称之单元系。
多元系：由两种以上不一致化学成分构成的系统称之多元系。
均匀系：成分与相在整个系统空间呈均匀分布的为均匀系。
非均匀系：成分与相在整个系统空间呈非均匀分布，称非均匀系。
热力状态：系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况，称之工质的热力状态，简称之状态。
平衡状态：系统在不受外界影响的条件下，假如宏观热力性质不随时间而变化，系统内外同时建立了热的与力的平衡，这时系统的状态称之热力平衡状态，简称之平衡状态。
状态参数：描述工质状态特性的各类物理量称之工质的状态参数。
如温度（T）、压力（P）、比容（υ）或者密度（ρ）、内能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能（f）、自由焓（g）等。
基本状态参数：在工质的状态参数中，其中温度、压力、比容或者密度能够直接或者间接地用仪表测量出来，称之基本状态参数。
温度：是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量，其物理实质是物质内部大量微观分子热运动的强弱程度的宏观反映。
热力学第零定律：如两个物体分别与第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必定处于热平衡。
压力：垂直作用于器壁单位面积上的力，称之压力，也称压强。
相对压力：相关于大气环境所测得的压力。
工程热力学基本概念
工质：实现热能和机械能之间转换的媒介物质。
系统：热设备中分离出来作为热力学研究对象的物体。
状态参数:描述系统宏观特性的物理量。
热力学平衡态：在无外界影响的条件下，如果系统的状态不随时间发生变化,则系统所处的状态称为热力学平衡态。
压力：系统表面单位面积上的垂直作用力.温度：反映物体冷热程度的物理量。
温标:温度的数值表示法。
状态公理:对于一定组元的闭口系统，当其处于平衡状态时，可以用与该系统有关的准静态功形式的数量n加上一个象征传热方式的独立状态参数，即(n+1)个独立状态参数来确定.热力过程：系统从初始平衡态到终了平衡态所经历的全部状态。
准静态过程：如过程进行的足够缓慢，则封闭系统经历的每一中间状态足够接近平衡态，这样的过程称为准静态过程。
可逆过程：系统经历一个过程后如果系统和外界都能恢复到各自的初态，这样的过程称为可逆过程。
无任何不可逆因素的准静态过程是可逆过程.循环：工质从初态出发，经过一系列过程有回到初态，这种闭合的过程称为循环.可逆循环:全由可逆过程粘组成的循环。
不可逆循环：含有不可逆过程的循环.第二章热力学能：物质分子运动具有的平均动能和分子间相互作用而具有的分子势能称为物质的热力学能.体积功：工质体积改变所做的功。
热量：除功以外，通过系统边界和外界之间传递的能量。
焓：引进或排出工质输入或输出系统的总能量。
技术功：工程技术上将可以直接利用的动能差、位能差和轴功三项之和称为技术功。
功：物质间通过宏观运动发生相互作用传递的能量。
轴功：外界通过旋转轴对流动工质所做的功。
流动功：外界对流入系统工质所做的功。
热力学第二定律：克劳修斯说法：不可能使热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化.开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全转化为有用功而不引起其他变化.卡诺循环:两热源间的可逆循环，由定温吸热、绝热膨胀、定温放热、绝热压缩四个可逆过程组成。
卡诺定理：在温度为T1的高温热源和温度为T2的低温热源之间工作的一切可逆热机，其热效率相等，与工质的性质无关；在温度为T1的高温热源和温度为T2的低温热源之间工作的热机循环,以卡诺循环的热效率为最高.熵：沿可逆过程的克劳修斯积分,与路径无关,由初、终状态决定。
工程热力学知识点总结
工程热力学知识点总结工程热力学知识点总结1. 热力学基本概念热力学是研究能量转化和能量传递规律的学科，它关注系统的宏观性质和变化。
热力学的基本概念包括系统、界面、过程、平衡状态、状态方程等。
2. 热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒的表述，它表示能量的增量等于传热和做功的总和。
数学表达式为ΔU = Q - W，其中ΔU表示系统内能的变化，Q表示热的传递，W表示外界对系统做功。
3. 热力学第二定律热力学第二定律描述了自然界中存在的一种过程的不可逆性，即熵增原理。
它指出孤立系统的熵总是增加或保持不变，不会减少。
熵增原理对热能转化和能量传递的方向提供了限制。
4. 热力学循环热力学循环是一系列热力学过程组成的闭合路径，通过这个路径，系统经历一系列状态变化，最终回到初始状态。
常见的热力学循环有卡诺循环、斯特林循环等。
5. 热力学性质热力学性质是用来描述物质宏观状态的物理量，常用的热力学性质包括温度、压力、内能、焓、熵等。
它们与热力学过程和相变有着密切的关系。
6. 热力学方程热力学方程是用来描述物质宏观状态的数学关系。
常见的热力学方程有状态方程（如理想气体状态方程）、焓的变化方程、熵的变化方程等。
这些方程对于分析和计算热力学过程非常重要。
7. 理想气体理想气体是热力学中一种理想的气体模型。
在理想气体状态方程中，气体的压力、体积和温度之间满足理想气体方程。
理想气体模型对于理解和研究气体性质和行为非常有用。
8. 发动机热力学循环发动机热力学循环是指内燃机和外燃机中进行热能转换的一系列过程。
常见的发动机热力学循环有奥托循环、迪塞尔循环等。
通过研究发动机热力学循环，可以优化发动机的效率和性能。
9. 相变热力学相变热力学研究物质由一种相态转变为另一种相态的过程。
相变热力学包括液体-气体相变、固体-液体相变、固体-气体相变等。
了解相变热力学对于理解物质的性质和行为具有重要意义。
总结：工程热力学是研究能量转化和能量传递规律的学科，它关注系统的宏观性质和变化。
工程热力学(基本概念)
国际实用温标的固定点
平衡状态
平衡氢三相点 平衡氢沸点 氖沸点 氧三相点 氧冷凝点
国际实用温标指定
值
T，K
t，℃
13.81 -259.34
20.28 -252.87
20.102 -246.048
54.361 -218.789
90.183 -182.962
平衡状态
水三相点 水沸点
锌凝固点 银凝固点 金凝固点
一、热力过程
定义：热力系从一个状态向另一个状态变化时所经 历的全部状态的总和。
二、准平衡(准静态)过程
准平衡过程的实现
工程热力学 Thermodynamics
二、准平衡(准静态)过程
定义：由一系列平衡态组成的热力过程 实现条件：破坏平衡态存在的不平衡势差(温差、
力差、化学势差)应为无限小。 即Δp→0 ΔT→0 (Δμ→0)
工程热力学 Thermodynamics
三、可逆过程
力学例子：
定义： 当系统完成某一热力过程后，如果有可能使系统再
沿相同的路径逆行而恢复到原来状态，并使相互中所涉 及到的外界亦恢复到原来状态，而不留下任何变化，则 这一过程称为可逆过程。
实现条件：准平衡过程加无耗散效应的热力过程 才是可逆过程。
工程热力学 Thermodynamics
用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。
理想气体
工 质
实际气体
蒸气
工程热力学 Thermodynamics
二、平衡状态
（一）热力状态：热力系在某一瞬间所呈现的宏观
物理状况。(简称状态)
（二）平衡状态 1、定义：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。
工程热力学基本概念
= 收获/代价
炉
热效率： t
w net q1
顺 时 针
汽轮机
发电机 凝 汽 器
逆向循环 又称制冷循环或热泵循环
高温热源
或 制 Q1
逆 时
热冷 泵机
W
针
Q2
低温热源
制冷循环的经济性用制冷系数衡量：
2
1
1,a,2
1,b,2
b
2
状态参数的变化只与初终态相关，
1 dxx2 x1 与路径无关。
状态参数都有以上特性。
状态参数的循环 dx 0 积分等于零。
反之，有以上特性之一， 即为状态参数。
1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图
一、平衡状态
热力系在没有外界作用的情况下〔重力场除 外〕，宏观性质不随时间变化的状态。
热力过程：工质由一个状态变化到另一状态所经历 的全部状态的总和。
实际过程由一系列非 平衡状态组成
例：
非平衡状态
无法简单描述
平衡状态
宏观静止
能量不能转换
“平衡〞意味着宏观静止， 引入 理想模型：
“过程〞意味着变化，意味着
准平衡过程
平衡被破坏。二者如何统一？
一、准平衡过程 热力系从一个平衡态连续经历一系列
系统与外界 通过边界进 展相互作用
热力系的选取主要决定于研究任务 。
选取热力系时注意：
❖热力系可以很大，但不能大到无限。
❖热力系可以很小，但不能小到只包含少量分子， 以致不能遵守统计平均规律。
❖ 边界可以是实际存在的， 也可以是假想的。
❖ 边界可以是固定的， 也可以是变动的。
系统与外界通过边界进展相互作用。
平衡的中间态过渡到另一个平衡态
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解：pI pg,C pb 110 97 207 kPa
pI pg,B pII
pII pI pg,B 207 75 132 kPa
pII pg, A pb
pg, A pII pb 132 97 35 kPa 11
热力学中常用的6个状态参数：
温度、压力、比体积、热力学能、焓、熵 基本状态参数 可直接测量
7
一、温度
• 宏观上：物体冷热程度的标志 • 微观上：物质分子热运动激烈程度的标志
温度计：测量温度的仪器
温标：温度的数值表示法 T= t+273.15
常用 摄氏温标
符号：t 单位：℃
温度间隔相等
二者无实质差异， 仅零点取值不同
热力系在没有外界作用的情况下（重力场除 外），宏观性质不随时间变化的状态。
热平衡
力平衡
相平衡 15
区分平衡状态和稳定状态：
参数不随时间变化
平衡必稳定，但稳定未必平衡
区分平衡状态和均匀状态：
平衡未必均匀。单相系统， 忽略重力场作用，则其平 衡态是均匀态。
工程热力学研究的主要是均匀的平衡状态（用一 组参数即可表示其状态）。
系统与外界之间的分界面
系统与外界
通过边界进 行相互作用
2
热力系的选取主要决定于研究任务 。
选取热力系时注意：
❖热力系可以很大，但不能大到无限。
❖热力系可以很小，但不能小到只包含少量分子， 以致不能遵守统计平均规律。
❖ 边界可以是实际存在的， 也可以是假想的。
❖ 边界可以是固定的， 也可以是变动的。
当p pb时, p pb pe 当p pb时, p pb pv
压力计测压元 件处于某种环 境压力作用下， 因此测得的压 力是真实压力 与环境压力之 差。
pe
p
pv
pb p
10
例 某容器被一刚性壁分成两部分，在容器的不同部
位安装有压力计，如图所示，设大气压力为97kPa。 若压力表B、C的读数分别为
2
a
dx dx dx x2 x1 1
2
1
1,a,2
1,b,2
b
2
状态参数的变化只与初终态相关，
1 dx x2 x1 与路径无关。
状态参数的循环
dx 0 积分等于零。
状态参数都有以上特性。 反之，有以上特性之一， 即为状态参数。 14
1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图
一、平衡状态
16
对简单可压缩热力系， 只要给出两个相互独立 的状态参数即可确定一 个平衡状态。
❖ 由可压缩流体构成
❖与外界交换的能量 只有热量和准静态容 积变化功
二、状态方程式 T、p、v、u、h、s两两相互独立
例如，以压力和温度为独立变化的状态参数时，
v f ( p,T )
u f1 p,T h f2p,T s f3p,T
1
2
1+2+3+4 孤立系
功量 热量
4
3
非孤立系＋
相关外界
＝孤立系 5
判断题
1、系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系。 X
2、孤立系一定是绝热闭口系。
√
3、绝热闭口系一定是孤立系。
X
6
1-2 工质的热力学状态及基本状态参数
状态：工质某一瞬间所呈现的宏观物理状况 状态参数：描述工质所处状态的宏观物理量
符号：v
m
单位：m3/kg
密度：单位体积物质的质量 m 单位：kg/m3
V
比体积v与密度ρ互成倒数，即：vρ＝1。
二者不是相互独立的状态参数。 热力学中通常用比体积作为独立参数。
13
四、状态参数的特性
状态参数确定， 则工质状态随 之确定。反之 亦然。
状态参数是状态的单值函数 （数学上表现为点函数） ， 其值只取决于状态，与达到此 状态的途径无关。
思考判断题
1、如果容器中气体的压力保持不变，那么压力表 的读数一定也保持不变。
X
2、作为工质状态参数的应是绝对压力，还是表压 力（或真空度）？
注意： 只有 绝对压力 才是状态参数。
3、炉膛处于“负压”或“正压”，说明炉膛中的
绝对压力大于或小于零。
X
作业：1-9 12
三、比体积
比体积（比容）：单位质量的物质所占的体积 v V
热力学温标 符号：T
（又称：绝对温标、单位：K (开尔文) 开尔文温标） 规定水的三相点温度为273.16K
其他温标，参见习题1-1、1-2
8
二、压力
压力（压强）：单位面积上所受的垂直作用力 p F A
压力计：测量工质压力的仪器。 常见的有U型管压力计和弹簧管压力计。
帕斯卡(帕) Pa 国际单位： 1 Pa=1N/m2
1 kPa = 103 Pa 1 MPa = 106 Pa
工程单位：
标准大气压（atm , 1atm=101325 Pa）
巴（bar,1bar=105Pa）
工程大气压（at） 毫米汞柱（mmHg) 毫米水柱（mmH2O)
单位变换 参见表1-1
9
绝对压力p ——工质的真实压力 表压力pe —— pe= p - pb (p > pb) 真空度pv —— pv= pb - p (p < pb)
热力学中常用： 压容图（p-v 图） 温熵图（T-s 图） 18
1-4 准平衡过程和可逆过程
热力过程：工质由一个状态变化到另一状态所经历 的全部状态的总和。
3
系统与外界通过边界进行相互作用。
物质交换 能量交换
根据热力系与外界的相 互作用，热力系分为：
热量交换 功量交换
闭口系——和外界无物质交换（控制质量） 开口系——和外界有物质交换（控制容积、控制体） 绝热系——和外界无热量交换 孤立系——和外界无任何相互作用
4
例
1 开口系
1+2 闭口系
质量
1+2+3 绝热闭口系
第一章 基本概念
1-1 热力系统 1-2 工质的热力学状态及基本状态参数 1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图 1-4 准静态过程和可逆过程 1-5 过程功和热量 1-6 热力循环
1
1-1 热力系统
热力系统 对象的有限物质系统
外界
热力系统以外的部分
界面（边界）
状态方程：三个可直 接测量的基本状态参 数间的关系
F（p, v, T）= 0 17
三、状态参数坐标图
简单可压缩系统的平 衡（均匀）状态可用 两个相互独立的状态 参数来确定
由任意两个相互独立的 状态参数构成的平面坐 标系中的任意一点相应 于热力系的某一平衡 （均匀）状态
坐标图上一点代表一平衡状态
不平衡态无法在坐标图上表示