热工基础

1-2、工质的热力状态及其基本状态参数 、 一、工质的热力状态 工质是实现热、功转换的工作物质，简称工质。 工质是实现热、功转换的工作物质，简称工质。 热能与机械功的相互转换是通过工质一系列的状 态变化来实现的。 态变化来实现的。工程热力学中所研究的系统大多 为简单可压缩系， 为简单可压缩系，与外界交换功的模式只有容积变 化功，由于气态物质具有良好的流动性和膨胀性， 化功，由于气态物质具有良好的流动性和膨胀性， 体积最容易发生变化，因此，热力学中的工质基本 体积最容易发生变化，因此， 是气体以及有相变的液体。如空气、燃气、水蒸气、 是气体以及有相变的液体。如空气、燃气、水蒸气、 水、制冷剂等。 制冷剂等。
V υ= m
m3/kg
5 t = (t F − 32) °C 9
1 m ρ= = υ V
kg/m3
1-3、平衡状态、状态公理及状态方程 、平衡状态、状态公理及状态方程 一. 平衡状态 1、定义：系统中压力、温度处处相同、且不随时间 、定义：系统中压力、温度处处相同、 变化的状态， 变化的状态，称为平衡状态 。 只有平衡状态才能由一组具有确定数值的状态 参数定量描述该状态。 参数定量描述该状态。 2. 保持平衡状态不变的条件： 保持平衡状态不变的条件： 系统内部以及系统与外界之间不存在任何不平 系统内部以及系统与外界之间不存在任何不平 内部以及系统与外界之间 衡势差。系统内外处于力的平衡和热的平衡（ 衡势差。系统内外处于力的平衡和热的平衡（温 度平衡）。 度平衡）。
热力状态：系统中的工质在某一瞬间所呈现的宏观 热力状态： 物理状况。理量称为状态参数。 可定量描述工质状态特性的物理量称为状态参数。 如基本状态参数 p、υ、T、和导出状态参数 u、h、s 、 、 、 、 等。 状态参数的性质：是状态的单值函数， 状态参数的性质：是状态的单值函数，只取决 于工质所处的状态，与过程无关。 于工质所处的状态，与过程无关。
气体状态方程式： 气体状态方程式： 或： p = f ( T, v ) ;
f ( p、υ、T ) = 0
T = f (p, v ) ; v = f (p, T)
常用的气体状态参数图为： － 常用的气体状态参数图为： p－υ 图和 T － s 图 例 p－υ 图 －
状态方程式的具体形式取决于工质的性质。 状态方程式的具体形式取决于工质的性质。
∫ δQ = ∫ δW
。
表述Ⅱ 第一类永动机是不可能制成的。 表述Ⅱ：第一类永动机是不可能制成的。
针对工程上形形色色的热工设备和热力过程， 针对工程上形形色色的热工设备和热力过程，常常 将它们抽象简化为不同的系统， 将它们抽象简化为不同的系统，不同的系统与外界 之间的能量关系不同， 之间的能量关系不同，因此其相应的热力学第一定 律表达式（能量方程）也不同， 律表达式（能量方程）也不同，但其本质都是相同 的。 根据能量守恒原理，热力学第一定律的一般表达式 根据能量守恒原理， 为： 系统收入能量－ 系统收入能量－系统支出能量 ＝系统总储存能的增量
二、状态公理 状态公理: 状态公理 热力系平衡状态独立状态参数的个数等于系统与外界 热力系平衡状态独立状态参数的个数等于系统与外界 交换能量的各种方式的总数。 交换能量的各种方式的总数。 对由气体组成的简单可压缩系统 ，独立的状态参数 只有两个 。 三、状态方程式 习惯上以反映基本状态参数 p、υ、T 之间关系的 、 公式称为状态方程式。 公式称为状态方程式。
1、压力 、 可用绝对压力、表压力或真空度三种形式表示。 可用绝对压力、表压力或真空度三种形式表示。 （1）绝对压力 p： ） ： 工质的真实压力， 工质的真实压力，真空时 p = 0, 只有绝对压
力为工质的状态参数。 力为工质的状态参数。 F p = N/m2 A （2）表压力 pg： ）
绝对压力高出当地大气压的数值。 绝对压力高出当地大气压的数值。
3、 可逆条件 、 气体在气缸中绝热膨胀， 例 气体在气缸中绝热膨胀， 推动活塞向外移动， 推动活塞向外移动，到达 顶点后反向运动压缩气体。 顶点后反向运动压缩气体。 分析： 分析： ① 该系统能自动满足弛豫时间短的条件； 该系统能自动满足弛豫时间短的条件； 设过程进行时： ② 设过程进行时： i）没有摩擦（无耗散效应） ）没有摩擦（无耗散效应） ii）没有压差（无势差损失 ） ）没有压差（ 在此条件下，过程是可逆的。 在此条件下，过程是可逆的。
• 另外，也可按系统内部状况的不同，将系统分 另外，也可按系统内部状况的不同， 为均匀系（各部分化学成分和物理性质均匀一 均匀系（ 致）与非均匀系；单相系（单一物相）与复相 非均匀系；单相系（单一物相） 单元系（纯物质，空气可看作纯物质） 系；单元系（纯物质，空气可看作纯物质）与 多元系等 多元系等。
p = p g + pb
pb ——大气压力（不恒定） 大气压力（ 大气压力 不恒定）
表压力测量仪表 压力表
常用单位 MPa
U型管测压计 型管测压计 Pa 或 mmH2O(Hg)（pg＝ρ g h） （3）真空度 pV： ） 绝对压力低于当地大气压的数值。 绝对压力低于当地大气压的数值 p = pb − pV p、pg、pV 关系图 关系图：
2、 实现准平衡过程的条件 、 无势差损失（破坏平衡状态存在的压力差 压力差、 ⑴ 无势差损失（破坏平衡状态存在的压力差、温 差无穷小） 差无穷小）; 弛豫时间短（恢复平衡快。 ⑵ 弛豫时间短（恢复平衡快。即系统内外处于连 续的动平衡状态）。 续的动平衡状态）。 举例: 气缸中贮有气体， 举例 气缸中贮有气体，装有细砂的
系统选择应根据实际情况，以解决问题方便为原则。 系统选择应根据实际情况，以解决问题方便为原则。 系统选取方法对研究问题的结果没有影响， 系统选取方法对研究问题的结果没有影响，仅与解决 问题的繁复程度有关。 问题的繁复程度有关。 合理选择系统是进行正确的热力学分析的前提。 合理选择系统是进行正确的热力学分析的前提。 在不涉及化学反应时， 在不涉及化学反应时，工程热力学所讨论的大多数 简单可压缩系： 热力系统 ——简单可压缩系： 简单可压缩系 由可压缩流体构成、没有电、磁、重力、运动和表 由可压缩流体构成、没有电、 重力、 面张力等外力场作用、 面张力等外力场作用、没有化学反应、系统与外界 化学反应、 交换的功只有容积变化功一种。 交换的功只有容积变化功一种。
1-4、 准平衡（准静态）过程和可逆过程 、 准平衡（准静态） 一. 准平衡过程 1、定义 、 过程： 过程：工质从一个状态变化到另一个状态的 全部经历。 全部经历。 准平衡过程：由一系列的平衡状态（ 准平衡过程：由一系列的平衡状态（实际上 是无限接近平衡状态）所构成的过程。 是无限接近平衡状态）所构成的过程。
为任意状态参数， 例：设 x 为任意状态参数，则
∫ dx = x 2 − x1
2 1
，
∫ dx = 0
∂x ∂x 若 x = f ( y, z ) ，则 dx = dy + dz ∂y ∂z
热力学中常用的状态参数有6个：压力 p、温度 T、 热力学中常用的状态参数有 个 、 、 热力学能U、 容积V（ 。 容积 （比容υ）、热力学能 、焓 H 和熵 S。其中 p 和 T 为强度性参数，在热力过程中起着推动力的 为强度性参数， 作用； 、 、 、 为广延性参数， 作用； V、U、H、和 S 为广延性参数，反映过程进 行的尺度。 行的尺度。
例：
边界可以是固定或运动的, 也可以是真 边界可以是固定或运动的 也可以是真 可以是固定或运动的 实或虚拟的, 因此系统也可以是固定或 实或虚拟的 因此系统也可以是固定或 运动的。 运动的。
2. 系统的分类 闭口系、开口系、绝热系、孤立系等。 闭口系、开口系、绝热系、孤立系等。
闭口系: 与外界无物质交换的系统。 闭口系 与外界无物质交换的系统。 开口系: 与外界有物质交换的系统。 开口系 与外界有物质交换的系统。 绝热系: 与外界无热量交换的系统。 绝热系 与外界无热量交换的系统。 孤立系：与外界无功、 孤立系：与外界无功、热、物质交换的系统。 物质交换的系统。
常用的气态工质可分为两类：理想气体和蒸气（ 常用的气态工质可分为两类：理想气体和蒸气（实际 气体）。 气体）。 理想气体是指远离液态点，不易液化的气体； 理想气体是指远离液态点，不易液化的气体； 蒸气则是指离液态点较近，比较容易液化的气体。 而蒸气则是指离液态点较近，比较容易液化的气体。 理想气体和蒸气之间没有绝对的界限， 理想气体和蒸气之间没有绝对的界限，而且两者可以 相互转化。如蒸气在高过热状态时可看作理想气体； 相互转化。如蒸气在高过热状态时可看作理想气体； 而通常可看作理想气体的氢气、氧气、氮气、 而通常可看作理想气体的氢气、氧气、氮气、及惰性 气体等，在低温和高压状态时就应将它们看作蒸气。 气体等，在低温和高压状态时就应将它们看作蒸气。 不同的气体具有不同的液态点。 不同的气体具有不同的液态点。 理想气体的状态方程式最简单。 理想气体的状态方程式最简单。 最简单
可逆的条件为： 可逆的条件为： ⑴ 系统内外随时处于力的平衡和热的平衡 （无势差损失）； 无势差损失）； ⑵ 弛豫时间短 ； ⑶ 无耗散效应。 无耗散效应。 结论：可逆过程＝ 结论：可逆过程＝没有耗散效应的准静态过程 。 4、实用意义 、 许多实际过程可以近似的作为可逆过程处理, 许多实际过程可以近似的作为可逆过程处理 便 于分析计算。 于分析计算。
三. 准静态过程及可逆过程的图示
习题 ：1.3、1.5、1.10 、 、
第二章 热力学第一定律
2-1、热力学第一定律的实质 、 实质： 能量守恒及转换定律在热现象上的应用。 实质：是能量守恒及转换定律在热现象上的应用。 及转换定律在热现象上的应用 两种表述： 两种表述： 表述Ⅰ： 热量与其它形式的能量相互转换时 总量 表述Ⅰ 热量与其它形式的能量相互转换时,总量 保持不变。 保持不变。 对于一个循环， 对于一个循环，则
砂箱放在活塞上， 砂箱放在活塞上，设气缸壁为良导热 材料，气缸内外随时保持温度平衡。 材料，气缸内外随时保持温度平衡。