1 热力系统

－ thermodynamic equilibrium state 定义：在没有外界影响（忽略重力场）的条件下， 系统的宏观性质不随时间变化的状态，称为平衡状态， 简称平衡态。
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1.1.3 工质的基本状态参数—state properties
简单可压缩平衡系的状态常用温度、压力、比体积 等状态参数来描述，称为工质的基本状态参数。
单位：
热力学温度：T，单位为“开尔文” ，用K表示
摄氏温度：t，单位为℃。 换算关系： t = T – T0
（1－2）
在工程应用中，还有华氏温标（℉）。华氏温标（℉）
与摄氏温标（℃）间的换算关系为：
F＝ 9 t＋32或者t＝ 5 （F－32） （1－3）
5
9
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1.1.3.2 压力（pressure）
说
明
a）状态参数是宏观量,是大量粒子运动的宏观平均效应；
b) 状态参数只取决于系统的状态，而与达到这一状态所经 历的途径无关；
c）热力状态可由两个独立状态参数确定，即任意状态参数
都可以表示成其他两个参数的函数，故只要两个参数确定， 状态即可确定；
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1.1.3.1 温度（temperature）
温度是标志物体冷热程度的参数。
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1.1 热力系统的基本概念
1.1.1 热力系统的定义及分类 （一）概念： • 热力系统--thermodynamic system (system) ： 是从一个实际系统中人为分割出来，作为热力学研究对象 的有限物质系统。
• 边界--boundary：
外界 系统 固定边界
系统 边界
系统与外界的分界面（线）。
它们与帕之间的换算关见表1－1。
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表1－1 不同压力单位之间的换算关系
常用压力单位
bar atm at mmHg mmH2O
与SI制单位Pa的换算关系
1 bar＝100kPa 1 atm＝1.01325×105Pa 1 at＝9.80665×104Pa 1 mmHg＝133.3224Pa 1 mmH2O＝9.80665Pa
三种压力之间的关系
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作为工质状态参数的压力是指绝对压力。 我国法定的压力单位是帕斯卡，简称帕，符号为 Pa
1 Pa ＝ 1 N/m2 1 MPa ＝ 106 Pa
在工程制单位中，压力单位常采用用工程气压
（at）、标准大气压或称物理大气压（atm）、巴
（bar）、毫米汞柱（mmHg）和毫米水柱（mmH2O），
2、低温热源获得热量Q2
3、净吸热量Q0=Q1－Q2
4、作出净功W=Q0 结论：
对外作出循环净功 W＝Q1－Q2
工质从高温热源得到热量Q1
向低温热源放出
（补充条件） 热量Q2 36
2、热效率（thermal efficiency）
经济性指标（热效率） =
得到收获 花费代价
ht =
w
Q1
=
Q1－Q2 = 1－
进行条件：
破坏平衡的势—
无穷小
过程进行无限缓慢
工质有恢复平衡的能力
准平衡过程可在状态参数图上用连续曲线表示
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1.3.2 可逆过程与不可逆过程
可逆过程—Reversible process
定义：一个系统由一初态出发，经
过某一过程到达另一终态点后，不
但能按原过程的反方向进行，而
且，逆行时所经历的状态与顺行时
热量的符号:系统吸热为正，放热为负。
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热量和功一样都是传递中的能量，但传递方式不同。
功的传递是由压力差作推动力
热量的传递是由温度差作推动力
两者有许多共同特征。
功
用状态参数p、v的关系计算，用p－v图描述
同样，热量 参数T、S计算，用T－s图描述
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系统在可逆过程中与外界交换的热量可用温度T和熵 S两个参数来描述，如图1－7所示。
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1.1.3.3 比体积及密度：
比体积(specific volume)
单位质量工质的体积
m3 kg
密度(density)
单位体积工质的质量
kg m3
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1.1.4 状态参数的特性
状态参数是状态的单值函数,只与状态有关,具有以 下数学特征。
1.1.4.1 积分特性
∫2
1)
dz ＝
1
z1-
z2
∫ 2) dz ＝ 0
1kg工质的熵称为比熵，用s表示，单位为J/(kg·K) 质量为m的工质的熵用S表示，单位为J/K。
熵的定义式是：
δq ds =
T
（1－16）
31
于是有
q＝
2

Tds
1
对于质量为m的工质，则
（1－17）
Q＝ m 2 Tds 1
热量不是状态参数，而是过程量 32
1.3.4 热力循环
封闭的热力过程称为热力循环。即工质从某一初态 出发，经历一系列中间状态后，又回到初态的封闭过 程。
1 热力系统 （Thermodynamic system）
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本章建立了本课程的基本术语和基本概念， 工程热力学的体系就是在为数不多的术语和概念 及从人类实践中总结得到的基本定律，如热力学 第一定律、第二定律的基础上通过严密的数学推 理建立起来的，所以掌握、理解这些术语、概念 是学好工程热力学的基础。
2
W = m 1 pdv
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所谓膨胀功就是指工质因容积膨胀而做的功。 反之，当工质受到压缩而容积减少时，外界 所做的功称为压缩功。
功的符号约定：外系界统对对系外统作作功功为为““+”-；”
功的单位： J 或 kJ
功率的单位：J/s W kJ/s kW
附： 1kWh 3600kJ
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注意：
20
1.3 热力过程与热力循环
1.3.1 准平衡过程： 系统由一个平衡状态（初态），经过无数中间状
态，变化到另一个平衡状态（终态）的连续变化过
程，称为热力过程。
当过程进行得足够缓慢，过程所 经历的时间远远大于系统恢复平衡 的驰豫时间，系统所经历的每一中 间状态都足够地接近平衡状态，这
样的热力过程称为准平衡过程。 21
1.2.3 状态参数坐标图—parametric coordinates
曲线1－2表示气体 由状态1经过无数中间 状态变化到状态2的热
力过程，称为热力过 程线。
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几点说明
坐标图上每一点代表一个平衡状态； 坐标图上每一条线代表一个准平衡过程； 坐标图上每一条线下面形成的面积都有
确定的物理意义。
1－2－3为膨胀过程，工质从高温热源吸收
热量Q1，经3－4－1回到初态的过程中，向 低温热源放出热量Q2。工质对外做功的净功 为W,用循环1－2－3－4－1所包围的面积表
示，等于工质从高温热源吸收的热量与向
低温热源放出的热量之差。即
W＝Q1－Q2
（1－18）
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正向循环的全部效果
1、工质从高温热源吸收热量Q1
W＝Q1－Q2
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逆向循环的全部效果
1、低温热源吸收热量Q2 2、消耗机械能 W转化为热量Q＝W
3、高温热源得到热量Q1 结论：
外界消耗功 W＝Q
（补充条件）
从低温热源吸收 热量Q2
高温热源得到热量Q1
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2、热效率(thermal efficiency)
得到收获 经济性指标(性能系数) ＝
花费代价
制冷系数
ε＝
Q2＝ W
Q2 Q1－Q2
（1－20）
供热系数
ε＝′
QW1＝
Q1 Q1－Q2
（1－21）
40
4
边界示意图
5
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（二）热力系统分类 1）按热力系统与外界的质量交换情况分：
闭口系—closed system —没有质量越过边界
开口系—open system —通过边界与外界有质量交换
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2）按有无物质和能量交换的特殊情况分
绝热系—adiabatic system— 与外界无热量交换;
孤立系—isolated system— 与外界无任何形式的质能交换。
绝对压力 p—absolute pressure 表压力 pe— gauge pressure 真空度 pv—vacuum pressure
当地大气压pb—local atmospheric pressure
p pb pe ( p pb ) p pb pv
( p pb )
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Q1
Q2 Q1
（1－19）
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二、逆循环（ reverse cycle ）
1、逆循环：逆循环的效果是消耗一定的机械能， 把热量从低温热源转向高温热源。
如左图所示，循环按逆时针方向进行 1－4－3表示膨胀过程，从低温热源吸取热量Q2 3－4－1表示压缩过程，向高温热源放出热量Q1 由于压缩过程线在膨胀过程线的上方，则压缩功 大于膨胀功，所以，工质循环后要消耗的净功W为
1、功是系统通过边界传递的能量，这个功一 旦越过边界，就消失。因此，不能说在某种状态 下系统和外界有多少功，只有当系统状态发生变 化时才有功的传递。
2、功的数值不仅决定于初态和终态，而且与 过程的性质有关——功不是状态参数，是过程量；
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1.3.3.2 热量--heat
定义：热量是指某一系统与外界之间存在温差， 能量从温度高的热力系统的边界面传递给另一个 温度低的系统（或外界）的能量，用符号Q表示， 单位是焦耳（J），用小写字母q表示1kg工质在热 力过程中与外界交换的热量。
完全相同，逆行终了能使系统回到
初态，而不留下任何变化的痕迹，
这种过程称为可逆过程。