工程热力学 Engineering Thermodynamics
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答 疑
时间：每周一晚19：30-20：30 地点：济阳楼312室 作业：每章讲解后交，请准备两个作业 本
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蒸 汽 机 示 意 图
冷凝器 汽缸 锅炉 活塞 曲柄连杆
曲轴箱 泵
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蒸汽动力循环装置系统简图
4
2
原子能蒸汽动力装置系统简图
载热质(重水、碱性金属蒸汽)
汽轮机 反 应 堆浓 缩 铀 ) 冷凝器 泵 泵 换 热 器
发电机
燃 气 轮 机 装 置 系 统 简 图
废 气
(
燃料泵 压 气 机 空 气 燃 料
冷却水
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燃烧室
燃 气 轮 机
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3
气缸
活塞
曲柄连杆机构
内 燃 机 的 工 作 原 理 图
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地源热泵
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各种热工装置的热力学共性内容归纳
装置名称 蒸汽动力装置 燃气轮机装置 内燃机装置 压缩制冷装置 工作物质 水蒸汽 燃 气 燃 气 热 源 冷 源 冷却水 大 大 大 气 气 气 功 对外输出功 对外输出功 对外输出功 消 耗 功
高 温 物 体 燃烧产物(自身) 燃烧产物(自身) 被冷却物体
制冷剂
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热力学的发展
热力学是研究能量、能量转换以及与 能量转换有关的物性间相互关系的科学。 热力学(thermodynamics)一词的意 思是热(thermo)和动力(dynamics)，既由热产 生动力，反映了热力学起源于对热机的研究。 从十八世纪末到十九世纪初开始， 随着蒸汽机在生产中的广泛使用，如何充分利 用热能来推动机器作工成为重要的研究课题。
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1798 年 ， 英 国 物 理 学 家 和 政 治 家 Benjamin Thompson (1753-1814) 通过炮膛钻孔实验开始对功 转换为热进行定量研究。 1799 年 ， 英 国 化 学 家 Humphry Davy (17781829)通过冰的摩擦实验研究功转换为热。
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1824 年 ， 法 国 陆 军 工 程 师 Nicholas Léonard Sadi Carnot 发表了 “ 关于火的动力研究” 的论 文。 他通过对自己构想的理想热机 的分析得出结论：热机必须在两个 热源之间工作，理想热机的效率只 Carnot 取决与两个热源的温度，工作在两 个一定热源之间的所有热机，其效 (1796 - 1832) 率都超不过可逆热机，热机在理想 状态下也不可能达到百分之百。这 就是卡诺定理。
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卡诺的论文发表后，没有马上引起人们 的注意。过了十年，法国工程师Benlt Paul Emile Clapeyron (1799 - 1864)把卡诺循环 以解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研 究了汽液平衡，导出了克拉佩隆方程。
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1842 年 ， 德 国 医 生 Julius Robert Mayer (1814 - 1878) 主要受病人 血液颜色在热带和欧洲的差 异及海水温度与暴风雨的启 发，提出了热与机械运动之 间相互转化的思想。
Mayer (1814 - 1878)
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1847年， 德国物理学家和生 物学家 Hermann Ludwig von Helmholtz (1821 - 1894) 发表了 “ 论力的守衡” 一文，全 面论证了能量守衡和转化定律。 Helmholtz (1821 -
1894)
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1843-1848年， 英国酿酒 商 James Prescott Joule (1818 - 1889) 以确凿无疑的 定量实验结果为基础，论述了 能量受恒和转化定律。焦耳的 热功当量实验是热力学第一定 律的实验基础。
Joule (1818 - 1889)
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根据热力学第一定律热功 可以按当量转化，而根据卡诺原理 热却不能全部变为功，当时不少人 认为二者之间存在着根本性的矛 盾。1850年，德国物理学家Rudolf J. Clausius (1822 - 1888) 进 一 步研究了热力学第一定律和克拉佩 隆转述的卡诺原理，发现二者并不 Clausius 矛盾。他指出，热不可能独自地、 (1822 - 1888) 不付任何代价地从冷物体转向热物 体，并将这个结论称为热力学第二 定律。克劳胥斯在1854年给出了热 力学第二定律的数学表达式， 1865 年提出“熵”的概念。
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1851年，英国物理学家 Lord Kelvin (1824-l907)指出，不可能从单一热源取热使之完 全变为有用功而不产生其他影响。 这是热力学第 二定律的另一种说法。 1853年，他把能量转化与物系的内能联系起 来，给出了热力学第一定律的数学表达式。
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1875年，美国耶鲁大学数 学物理学教授 Josiah Willard Gibbs发表了 “论多相物质之平 衡” 的论文。他在熵函数的基础 上，引出了平衡的判据；提出 热力学势的重要概念，用以处 理多组分的多相平衡问题；导 出相律，得到一般条件下多相 平衡的规律。吉布斯的工作， 把热力学和化学在理论上紧密 结合起来，奠定了化学热力学 的重要基础。
Gibbs (1839 - 1903)
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课程特点：系统性强、概念抽象、计算简单 。 学习要求： 1. 提高课堂学习效率。 2. 课后及时整理学习笔记，复习巩固提高。 3. 按时、独立完成作业 。 4. 有问题及时答疑。 5. 独立完成实验。
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如何学好工程热力学：
上课认真听讲并积极思索 自己完成作业 看一、二本参考书 积极参加实验,撰写小论文 理论联系工程实际
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本课程的主要教学环节
课堂学习(预习,听课,课后复习) 做练习题 完成课程实验,鼓励大家完成一些 研究性实验 撰写小论文,课堂讨论
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参考书
1．曾丹苓等.工程热力学（第三版）.北京: 高教出版社,2002 2．朱明善，刘 颖，林兆庄，彭小峰合编．工程热力学(第一版)．北京： 清华大学出版社，1999 3. 严家騄. 工程热力学（第三版）.北京: 高教出版社, 2000 4. 童钧耕等. 工程热力学总复习 —— 理论概要和习题. 上海:上海交通 大学出版社, 2001 5. 何雅玲. 工程热力学精要分析及典型题精解. 西安: 西安交通大学出版 社, 2000 6. M.C.波特尔,C.W.萨默顿.工程热力学.北京:科学出版社,2002 7. Michael J. MORAN Howard N. SHAPIRO Fundamentals of Engineering Thermodynamics 4th. Edition JOHN WILEY & SONS,
INC.2000
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《工程热力学》知识框架
工程热力学
基础理论
基本概念 基本理论
工质的性质
理想气体 实际气体 （水蒸气、湿空气）
热力循环
压缩机、喷管 动力循环、制冷循环
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绪 论
内容提要 一、能源及热能利用 二、工程热力学的研究对象及主要内容 三、热力学的研究方法
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能源及热能利用
能源定义：用来产生各种所需能量的自然资
源
能源作用：运动、供暖、烹饪、照明、通讯... 能源种类：风能、水力能、化学能、太阳
能、地热能、原子能、机械能、热能、电能等 等；
能源消费水平正比于社会生产力的发展水平
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能源分类
常用能源种类
煤 炭 石 油 天然气 生物质能
利用燃料燃烧释放化学能，并转换为燃烧产物的热能， 为人类所利用。 可再生能源
水利能 太阳能 风能 生物质能 海洋能 地热能
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能量的转换和传递过程
一 次 能 源 燃 料 电 池 二 次 能 源
风 能
风 车
水 力 能
水 车 水 力 机 械
化 学 能
核 能
燃 裂聚 烧 变变
地 热 能
传 热 传 热
太 阳 能
热
热 机 电 动 机 温 差 发 电
能
磁 流 体 发 电 热 用 户
机 械 能
发 电 机
光 电 反 应
电
能
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热能发生的两种途径
直接产生（如地热能和海洋表层的温水 热能） 通过转换产生
化学能的转换 电能的转换 辐射能的转换 核能的转换 机械能的转换
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热能利用的领域
生活需要 电力工业 钢铁工业 有色金属工业 化学工业 石油工业 建材工业 机械工业 轻纺工业 交通运输 农业及水产养殖业
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利用燃料热能的方式
通过各种类型的发动机（热机）及发电 机，使热能转变为机械能或电能； 热能的直接利用，如工业生产中的冶 炼、加热、蒸煮、干燥及分馏等，热水 供应及采暖等；
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热能间接利用
设备：蒸汽动力装置、燃气动力装置、 火箭发动机、内燃机； ——热能利用的重要方式，人类文明及
生产发展的物质基础
能源转换效率问题和环境保护问题：
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能源直接利用
设备：各种工业炉窑、工业锅炉、加热 器、冷却器、蒸发器、冷凝器等 ——换热效率问题
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工程热力学的研究对象
热力学：研究物质的热力性质，能量和能 量之间相互转换的一门基础理论学科； 工程热力学：从工程的观点出发，研究物 质的热力性质、能量转换以及热能的直接 利用等问题。 设计计算和分析各种动力装置、制冷机、 热泵空调机组、锅炉及各种热交换器的理 论基础——各个热力过程的能量变化。
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主要内容
热力学第一定律——能量守恒与转换定 律 热力学第二定律——判断过程方向性 工质的性质——理想气体、真实气体 （水蒸气、湿空气） 热力装
置的工作过程——气体和蒸汽动 力循环、制冷循环、热泵循环、喷管及 扩压管、压缩机
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能量具有量与质的双重属性
热力学第一定律从能量的数量出发—— 能量转换过程中能量的总量守恒 热力学第二定律从能量的质的属性出 发——能量转换过程中，能量的品质要 降低、贬值 孤立系统中的能量总和守恒，但能量的 品质不断下降，可用能贬值为无用能
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热力学基本理论
能量转换具有方向性与不可逆性——微观物质运 动的形态由有序运动向无序运动的不可逆转性 无序运动的能量与有序运动的能量在本质上是不 同的 无序运动的热能不能无条件地转变为有序运动的 能量 有序运动能量的转换不存在前提条件问题 热力学基本理论研究无序运动的热能与有序运动 能量之间的转换条件及转换限度
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无序与有序
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热力学研究方法
宏观方法——经典热力学方法 微观方法——统计热力学方法
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宏观方法
连续的整体 直接观察和实验 归纳、演绎、推论 可靠、具有普遍意义 缺点：无法解释热现象本质，微观物质 结构中个别分子的个别行为
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微观方法
从物质内部微观结构出发，借助物质的 原子模型及描述物质微观行为的量子力 学，利用统计方法去研究大量随机运动 的粒子，从而得到物质的统计平均性 质，并得出热现象的基本规律。 可解释比热理论、熵的物理意义、孤立 系统熵增原理
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第一章 基本概念
内容提要：
热力系统 工质的热力状态及其基本状态参数 平衡状态、状态公理及状态方程 准静态过程与可逆过程 热力循环
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第一节 热力系统
明确研究对象——人为地分析 研究对象所包含的范围和内容 热力系统与周围事物的相互关系
建立定性和 定量的关系
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简单蒸汽动力装置流程简图 550C
过 热 器
0
蒸汽动力装置流程简图
高温高压蒸汽
汽 轮 机
发电机
W
锅 炉
Q1
Q2
给水泵
冷 0 却 20C 水
W
p
冷凝器
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一、系统、边界与外界
系统：人为分隔出来的研究对象
人为作用、同一问题可存在不同系统
边界：分隔系统与外界的分界面
可实际存在、也可以虚拟存在 可以固定不动、也可以运动或变形
外界或环境：边界以外与系统相互作用
的物体
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界面
外界
外界
热 源
热力系统
46
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续4
界面 外界
热 源
外界
热力系统
47
续4
界面 外界
热 源
外界
热力系统
48
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续4
界面 外界
热 源
外界
热力系统
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续4
界面 外界
热 源
外界
热力系统
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界面
系 统
51
界面
系 统
系
统
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界面
系 统
系
统
53
界面
系 统
系
统
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系统与工质的关系
系统既然是人为分隔出来的研究对象， 那么
系统内可以有多个物体 其中起到能量输运或转换的物体为工质 在热力学中，工质可以为气体、液体、 固体等， 工质可用某几个物理量描述其所处状态
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系统与外界相互作用形式
功、热和物质的交换
外界存在能够分别接受或给予系统功 量、热量和质量的功源、热力源和质量 源
系统外界是大气环境，则可看作是热容量为无限 大的热源（或冷源）和质量为无限大的质源 不会因为接受或放出热量、功量而增加其总能量 也不会因为接受或给与系统质量而改变其总质量 大小
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二、闭口系统与开口系统
没有物质穿过边界的系统——闭 口系统（控制质量系统）
系统质量保持恒定，应把所研究的物 质都包括在边界内，系统边界可变形 可通过边界与外 界发生能量（功 和热）的传递
有物质穿过边界的系统——开口 系统（控制体积系统）
只需把所要研究的空间范围用边界与 外界分隔开来，可以有一股或多股工 质流过
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闭口热力系
阀门关闭
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开口热力系
59
开口举例热力系（管道）
管 道
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续15
开口热力系
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去汽轮机
过热器 炉墙
蒸发管 来自水泵
开 口 热 力 系
燃料与空气
（锅炉示意图）
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三、绝热系统与孤立系统
系统与外界之间没有热量传递 的系统——绝热系统 系统与外界之间不发生任何能 量传递和物质交换的系统—— 孤立系统
一切热力系统连同与之相互作用的 外界都可以抽象为孤立系统 绝对这样的系统 实际上不存在， 具有抽象性—— 研究科学问题的 方法之一
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孤立系统示意图
图1-4 孤立系统
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四、系统的内部状况
相：系统中工质的物理、化学性质都均 匀一致的部分
相与相之间有明显的界限，如水蒸气与水
单相系与复相系 单元系：由一种化学成分组成的系统
纯物质，无论单相或复相
多元系：由两种以上不同化学成分组成 的系统
空气可看作特例，其组成比例基本不变
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均匀系与非均匀系
均匀系：成分和相在整个系统空间呈均匀 分布
微小水滴均匀分布在充满水蒸气的整个容器 中——均匀 水在容器底部而水蒸气在其上部——非均匀
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第二节 工质的热力状态及其基 本状态参数
一、状态与状态参数
状态：系统中某瞬间表现的工质热力性质的 总状况——工质的热力状态（简称状态） 工质的状态参数：表述工质状态特性的各种 物理量
状态参数是状态的函数，对应一定的状态，状态 参数都有唯一确定的数值。 工质状态变化时，初、终状态参数的变化值仅与 初、终状态有关，而与状态变化的途径无关。 注意：不是系统的状态参数！系统可由多个、多种工质组成。67
状态参数的
数学特征为点函数
∫
循环积分
2
1
dx = x2 x1
∫ dx = 0
式中 x —— 表示工质某一状态参数
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34
热力学中常见的状态参数
温度（T） 压力（p） 比体积（v）或密度（ρ） 内能（u） 焓（h） 熵（s） 火用（ex） 自由能（f ） 自由焓（g）
基本状态参数（可以 用仪表直接或间接测 量） 导出状态参数（不能 用仪表直接或间接测 量）
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二、基本状态参数
1.温度（描述热力平衡系统冷热状况的 物理量）
热力学第零定律：如果两个系统同时与第三 个系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于 热平衡 温度是描述和判断系统是否与其它系统处于 热平衡的状态参数 一切处于热平衡的系统都具有相同的温度
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测温依据——第零定律
通过与温度确定的标准系统处于热平 衡，对温度计进行标定 当被测系统与已标定过的、带有数值标 尺的温度计达到热平衡时，温度计指示 的温度值就等于被测系统的温度值（相 当于与标准系统处于热平衡）。
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温标——温度的数值标尺
任何温标都要规定基本定点和每一度的 数值。 热力学温标规定纯水三相点温度（即水 的汽、液、固三相平衡共存时的温度） 为基本定点，并指定为273.16K，每1K为 水三相点温度的1/273.16 摄氏（Celsius）温标的每1°C与热力学温 标的每1K相同，t =T-273.15
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36
常用温标
绝对K
373.15
摄氏℃
100 水沸点 37.8
华氏F
212
273.16 273.15
发烧 100 0.01水三相点 0 冰熔点 32 -17.8 盐水熔点 0 盐水熔点
0
-273.15
-459.67
0
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温度的微观概念
表示物质内部大量分子热运动的强烈程度 理想气体热力学温度与分子平移运动平均动能 的关系式
mω = BT 2
2
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2.压力
气体压力：气体分子不规则的热运动→ 分子之间不断相互碰撞→同时也使气体 分子不断地和容器壁（即边界面）碰撞 →大量分子碰撞器壁的总结果→气体对 器壁的压力 垂直作用于器壁单位面积上的力——压 力（物理学中称为压强）
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压力的微观概念
理想气体：
作用于单位面积上的压力与分子浓度及分子平移运 动平均动能之间的关系式
2 mω 2 = nBT p= n 3 2 3
2
p—单位面积上的绝对压力 n—分子浓度，即单位容积内含有气体的分子数
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压力的单位
国际单位制SI规定压力单位为帕斯卡 （Pa），1Pa = 1N/m2 工程单位：巴（bar）、标准大气压 （atm）、工程大气压（at）、毫米水柱 （mmH2O）、毫米汞柱（mmHg）
1kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa 1MPa=106 Pa
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相对压力与绝对压力
测压仪表的结构原理是建立在力的平 衡原理上，利用液柱的重力或各种类 型弹簧的变形，以及用活塞上的载重 去平衡工质的压力
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pb
pb
p
pg
p
pv 真空度
p
p = pb pv
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p > pb
p = pb + p
g
表压力﹑真空度示意图
图1-6 各压力间的关系
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40
相对压力
压力计指示的压力是气体的绝对压力与 外界大气压力的差值——相对压力 大气压力随地理位置及气候条件、环境 等因素而变化 系统的绝对压力是状态参数 相对压力为负压——真空度 相对压力为正压——表压力
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绝对压力、相对压力和大气压力 之间的关系
当 p>B时
p = B + pg
当 p
p= BH
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3.比体积和密度
工质所占有的空间——工质的容积 单位质量工质所占有的容积——工质的比体 积（比容） V (m3/kg) v=
m
单位容积的工质所具有的质量——工质的密 度 m ρ= (kg/m3)
V
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比体积和密度不是两个独立的状态参数
ρv = 1
这个问题至关重要！
84
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三、强度性参数与广延性参数
1.强度性参数：系统中单元体的参数值与
整个系统的参数值相同，与质量多少无关， 没有可加性。如温度、压力等。
当强度性参数不相等时，便会发生能量的传递 强度性参数在热力过程中起着推动力作用—— 广义力或势 一切实际热力过程都是在某种势差推动下进行 的
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2.广延性参数
整个系统的某广延性参数值等于系统中各 单元体该广延性参数值之和，与系统质量 多少有关，具有可加性。如系统的容积、 热力学能、焓和熵
在热力过程中，广延性参数的变化起着类似力 学中位移的作用，称为广义位移 传递热量必然引起系统熵的变化；系统对外做 膨胀功必然引起系统容积的增加 广延性参数除以系统的总质量——比参数，如 86 比体积、比热力学能、比焓、比熵等
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例题
铂金丝的电阻在水的冰点时为10.000Ω，在水的沸点时为14.247 Ω，在硫 的沸点（446C）时为27.887 Ω。试求出温度t(C)和电阻R(Ω)的关系式 R=R0(1+At+Bt2)中的常数A，B的值。
解：由已知条件可得
10 = R0 4 14.247 = R0 (1 + 100 A + 10 B) 27.887 = R (1 + 446 A + 1.989 ×105 B) 0
联立求解以上3式可得 R0=10 Ω A=4.32×10－3 B=-6.83×10－7
1/℃ 1/(℃)2
故温度t(C)和电阻R(Ω)之间的关系式为
R = 10 × (1 + 4.32 × 10 3 t 6.83 × 10 7 t 2 )
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第三节 平衡状态、状态公理及 状态方程
一、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，简称平衡状态。 若有化学反应，则需考虑化学平衡 这是一个理想的概念，现实中完全不受外界 影响的系统是不存在的
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44
“变化”的意思：
随时间变化 随空间变化
89
平衡态的特点
在没有外界影响（与外界既没有能量交换，也 没有物质交换，但重力场的影响除外）的条件 下，系统热力状态参数不随时间变化的状态。 凡处于平衡
态的系统，其特征是参数不随时间 变化，而且除复相系统和重力场的影响外，参 数均匀； 系统内部或系统与之相联系的外界之间，各种 不平衡势的消失是系统实现平衡态的必要条 件，如温度、压力等必须相等
90
45
平衡态与稳定态
稳定状态是状态参数虽不随时间改变， 但它可以是靠外界影响来维持的，稳定 状态下空间不同位置处的状态参数可以 不同。 平衡状态是不受外界影响时参数不随时 间变化的状态，系统内各部分的状态相 同。 平衡必稳定，稳定未必平衡。
91
平衡态与稳定态
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
92
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平衡与均匀
系统内部各种参数均匀的必定平衡； 平衡时各种参数未必是均匀的；如汽液 共存状态 均匀必平衡，平衡未必均匀。
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平衡与均匀
平衡：时间上 均匀：空间上
平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
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二、状态公理
实践经验表明，对于纯物质系统，与外 界发生任何一种形式的能量传递都会引 起系统状态的变化，且各种能量传递形 式可单独进行，也可同时进行——由此 归纳出一条状态公理 确定纯物质系统平衡状态，所需要的独 立参数=n+1 n——传递可逆功的形式种类 +1——能量传递中的热量传递
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简单可压缩系统
除热量传递外只有膨胀功 确定系统平衡状态的独立参数为2 所有状态参数都可表示为任意两个独立 参数的函数 另一个常用的概念：刚性容器——器壁 不能变形，可以有物质出入容器口，但 容器的容积不变。
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三、状态方程
建立了温度、压力、比体积三个基本状态参数 之间的函数关系——状态方程
p = f1 (T , v ) T = f 2 ( p, v ) v = f3 ( p, T ) F ( p , v, T ) = 0
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p-v图
描述工质的状态 分析状态变化过程
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第四节 准静态过程与可逆过程
p
1
2
v 系统状态的连续变化称
2 1
为系统经历了一个热力 过程简称过程
99
第四节 准静态过程与可逆过程
热力过程：工质从某一状态过渡到另 一状态所经历的全部状态变化
实际热力过程一定是在势差作用下进行 工质流动及机械运动存在摩阻等影响 真实过程复杂，热工分析计算困难
}
引用平衡 概念，理 想化为准 静态过程 与可逆过 程
100
50
一、准静态过程
非平衡损失：系统内部的不平衡势差在系统向 新的平衡过渡时，并不对外做功，而是一种能 量损失——很难定量计算 假想一种过程进行的非常缓慢，使过程中系统 内部被破坏了的平衡有足够的时间恢复到新的 平衡态，从而使过程的每一瞬间系统状态都非 常接近平衡状态（不平衡势无限小），整个过 程就可看作是由一系列非常接近平衡态的状态 所组成——准静态过程
101
准静
态过程的特点
准静态过程不必考虑内部不平衡的势差对能量 转换造成的影响 没有内部不平衡损失 状态特性可用少数几个参数描述 只有准静态过程才可在坐标图上用一系列平衡 状态点的轨迹所描绘的连续曲线表示 理想化了的实际过程，是实际过程进行非常缓 慢时的一个极限。实际过程都是不平衡的。
102
51
准静态过程有实际意义吗？
既是平衡，又是变化
既可以用状态参数描述，又可进行热功转换
疑问：理论上准静态应无限 缓慢，工程上怎样处理？
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准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间 （外部作用时间）
>>
恢复平衡所需时间 （驰豫时间）
有足够时间恢复新平衡 准静态过程
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实际过程理想化的根据
0°C时，H2分子的均方根平移运动速度达 1838m/s，N2分子达493m/s，O2分子达 461m/s 活塞移动速度通常不足10m/s 按热力学的时间标尺来衡量，活塞移动过 程的变化比较慢，不会出现明显的偏离平 衡态
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二、可逆过程
耗散效应——由有用功转变为热的现象 耗散损失——有用功的损失-难以确定 理论分析时设想一个完全没有热力学损失（包 括非平衡损失和耗散损失）的理想热力过程— —可逆过程 系统经历某一个过程后，如能在过程逆行时使 系统和外界同时恢复到初始状态而不遗留任何 变化
106
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实现可逆过程的条件
过程没有势差（或势差无限小），如传 热没有温差，做膨胀功没有压力差等 过程没有耗散效应，如机械运动没有摩 擦，导电没有电阻等
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气缸
活塞
飞轮
热 源
工质、机器和热源组成的系统
过程假设： 1、无摩擦； 2、热源与工质温差无限小； 3、工质与外界压差无限小。
108
54
可逆过程模拟
气缸
活塞
飞轮
热 源
左止点
p
1
工质、机器和热源组成的系统
v
109
气缸
活塞
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
110
55
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
111
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
112
56
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
113
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
114
57
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
工质、机器和热源组成的系统
v
115
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
工质、机器和热源组成的系统
v
116
58
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
工质、机器和热源组成的系统
v
117
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
118
59
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
119
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
120
60
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
121
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
122
61
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
123
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
124
62
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
125
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
126
63
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
127
气缸
活塞
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
128
64
p
1—2过程：热源放热，工质吸热膨 胀，对外作功，推动飞轮旋转 1 2—1过程：飞轮对活塞作功，工质被 压缩并对热源放热 2 经历了1—2—1过程后，工质回复到原 来状态，热源回复到原来状态，机器 回复到原来状态
v
注意： 可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。
129
引入可逆过程的作用
只是一种研究方法、科学的抽象 提出动力循环、致冷循环、气体压缩、 气体流动等理想化热力过程的基础 所得结果可作为实际过程能量转换效果 的比较标准 将理论计算值加以适当修正，可得到实 际过程的结果
130
65
典型的不可逆过程
不等温传热 节流过程 (阀门） 混合过程
自由膨胀
131
准静态过程和可逆过程
均由一系列平衡状态所组成 可在p-v图上用连续曲线表示 可逆过程要求系统与外界随时保持力平 衡和热平衡，没有耗散效应和任何能量 的不可逆损失 准静态过程仅要求系统内部的力平衡和 热平衡，系统与外界之间可有不平衡势 差和耗散现象
132
66
准静态过程和可逆过程
准静态过程是针对系统内部的状态变化而 言的，而可逆过程则是针对过程中系统所 引起的外部效果而言的 可逆过程必然是准静态过程，而准静态过 程则未必是可逆过程 非平衡损失和耗散损失不是能量的数量损 失，只是能量做功能力（或能量品质）的 降低或退化
133
三、膨胀功（容积功）
热转换为机械功必须依靠工质的膨胀 由于系统容积发生变化（增大或缩小）而通 过界面向外界传递的机械功——膨胀功
若没有传递出去，如自由膨胀，则没有膨胀功
规定：
系统容积增大，表示系统对外界做膨胀功，视 为正功； 系统容积减小，表示外界对系统做压缩功
，视 为负功；
134
67
膨胀功图
135
功的计算
物理学中功的定义式：功=力×距离 则有 δ w = FdS = pfdS = pdV （J） 膨胀功与过程特性有关，δ 表示微小量 可逆过程的膨胀功和压缩功： V2 W = ∫ pdV （J） V
1
适用范围：可逆过程，任何工质——外界得到或 给与系统的功
136
68
四、热量
热量是除功以外，没有物质流的系统与外界 传递能量的又一种形式 热量传递中作为推动力的强度性参数是温度 相当于广义位移的广延性参数变化是熵增量
137
热量的计算公式
δ Q = TdS
Q = ∫ TdS
1 2
（J） （J）
清华大学刘仙洲教授命名
138
69
规 定
系统吸热，Q为正值； 系统对外放热，Q为负值 系统吸热dS>0； 系统放热dS
｝
反之则不对
139
热量与容积变化功
能量传递方式 性质 推动力 标志 公式 条件 容积变化功 过程量 压力 p dV , dv δ w = pdv 传热量 过程量 温度 T
δq = Tds
q = ∫ Tds
可逆
140
dS , ds
w=
∫ pdv
可逆
70
第五节 热力循环
要使工质连续不断地做功，单有一个膨 胀过程是不可能的 工质从某一初态开始，经历一系列状态 变化，最后又回到初始状态的全部过 程——热力循环，简称循环。
141
一、正循环
循环中转换为功的热量 工质从热源吸收的总热量 w q q q ηt = 0 = 1 2 = 1 2 q1 q1 q1 循环热效率 =
142
71
正循环
循环热效率总是小于1 从热源得到的热量q1，只能有一部分变 为净功w0，在这一部分热能转换为功的 同时，必然有另一部分的热量（q2）流 向冷源，没有这部分热量流向冷源，热 量是不可能连续不断地转变为功的
143
二、逆循环
逆循环的净功为负值——消耗功
144
72
逆循环
致冷循环——以获得致冷量为目的 热泵循环——以获得供热量为目的，工 质将从冷源吸收的热量q2，连同循环中 消耗的净功w0，一并向较高温度的供热 系统供给热量q1（q1=q2+w0）
145
工作系数（COP）
效率（评价系数）＝
致冷系数 供热系数
收益（受益）量 消耗外部资源量
ε1 = ε2 =
q2 q2 = w0 q1 q2 q1 q1 = w0 q1 q2
146
ε 2 = 1 + ε1
73
本章学习要求
1、掌握热力系(闭口、开口、绝热、孤立系）、平衡状 态、状态参数、状态方程、热力过程（可逆过程）、热 力循环的概念。 2、熟练掌握绝对压力、表压力、大气压力、真空度间的换 算关系。 强调:只有绝对压力是状态参数
147
作业
P17 2，4，6，7，9
148
74
工程热力学 Engineering Thermodynamics
1
答 疑
时间：每周一晚19：30-20：30 地点：济阳楼312室 作业：每章讲解后交，请准备两个作业 本
2
1
蒸 汽 机 示 意 图
冷凝器 汽缸 锅炉 活塞 曲柄连杆
曲轴箱 泵
3
蒸汽动力循环装置系统简图
4
2
原子能蒸汽动力装置系统简图
载热质(重水、碱性金属蒸汽)
汽轮机 反 应 堆浓 缩 铀 ) 冷凝器 泵 泵 换 热 器
发电机
燃 气 轮 机 装 置 系 统 简 图
废 气
(
燃料泵 压 气 机 空 气 燃 料
冷却水
5
燃烧室
燃 气 轮 机
6
3
气缸
活塞
曲柄连杆机构
内 燃 机 的 工 作 原 理 图
7
地源热泵
8
4
各种热工装置的热力学共性内容归纳
装置名称 蒸汽动力装置 燃气轮机装置 内燃机装置 压缩制冷装置 工作物质 水蒸汽 燃 气 燃 气 热 源 冷 源 冷却水 大 大 大 气 气 气 功 对外输出功 对外输出功 对外输出功 消 耗 功
高 温 物 体 燃烧产物(自身) 燃烧产物(自身) 被冷却物体
制冷剂
9
热力学的发展
热力学是研究能量、能量转换以及与 能量转换有关的物性间相互关系的科学。 热力学(thermodynamics)一词的意 思是热(thermo)和动力(dynamics)，既由热产 生动力，反映了热力学起源于对热机的研究。 从十八世纪末到十九世纪初开始， 随着蒸汽机在生产中的广泛使用，如何充分利 用热能来推动机器作工成为重要的研究课题。
10
5
1798 年 ， 英 国 物 理 学 家 和 政 治 家 Benjamin Thompson (1753-1814) 通过炮膛钻孔实验开始对功 转换为热进行定量研究。 1799 年 ， 英 国 化 学 家 Humphry Davy (17781829)通过冰的摩擦实验研究功转换为热。
11
1824 年 ， 法 国 陆 军 工 程 师 Nicholas Léonard Sadi Carnot 发表了 “ 关于火的动力研究” 的论 文。 他通过对自己构想的理想热机 的分析得出结论：热机必须在两个 热源之间工作，理想热机的效率只 Carnot 取决与两个热源的温度，工作在两 个一定热源之间的所有热机，其效 (1796 - 1832) 率都超不过可逆热机，热机在理想 状态下也不可能达到百分之百。这 就是卡诺定理。
12
6
卡诺的论文发表后，没有马上引起人们 的注意。过了十年，法国工程师Benlt Paul Emile Clapeyron (1799 - 1864)把卡诺循环 以解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研 究了汽液平衡，导出了克拉佩隆方程。
13
1842 年 ， 德 国 医 生 Julius Robert Mayer (1814 - 1878) 主要受病人 血液颜色在热带和欧洲的差 异及海水温度与暴风雨的启 发，提出了热与机械运动之 间相互转化的思想。
Mayer (1814 - 1878)
14
7
1847年， 德国物理学家和生 物学家 Hermann Ludwig von Helmholtz (1821 - 1894) 发表了 “ 论力的守衡” 一文，全 面论证了能量守衡和转化定律。 Helmholtz (1821 -
1894)
15
1843-1848年， 英国酿酒 商 James Prescott Joule (1818 - 1889) 以确凿无疑的 定量实验结果为基础，论述了 能量受恒和转化定律。焦耳的 热功当量实验是热力学第一定 律的实验基础。
Joule (1818 - 1889)
16
8
根据热力学第一定律热功 可以按当量转化，而根据卡诺原理 热却不能全部变为功，当时不少人 认为二者之间存在着根本性的矛 盾。1850年，德国物理学家Rudolf J. Clausius (1822 - 1888) 进 一 步研究了热力学第一定律和克拉佩 隆转述的卡诺原理，发现二者并不 Clausius 矛盾。他指出，热不可能独自地、 (1822 - 1888) 不付任何代价地从冷物体转向热物 体，并将这个结论称为热力学第二 定律。克劳胥斯在1854年给出了热 力学第二定律的数学表达式， 1865 年提出“熵”的概念。
17
1851年，英国物理学家 Lord Kelvin (1824-l907)指出，不可能从单一热源取热使之完 全变为有用功而不产生其他影响。 这是热力学第 二定律的另一种说法。 1853年，他把能量转化与物系的内能联系起 来，给出了热力学第一定律的数学表达式。
18
9
1875年，美国耶鲁大学数 学物理学教授 Josiah Willard Gibbs发表了 “论多相物质之平 衡” 的论文。他在熵函数的基础 上，引出了平衡的判据；提出 热力学势的重要概念，用以处 理多组分的多相平衡问题；导 出相律，得到一般条件下多相 平衡的规律。吉布斯的工作， 把热力学和化学在理论上紧密 结合起来，奠定了化学热力学 的重要基础。
Gibbs (1839 - 1903)
19
课程特点：系统性强、概念抽象、计算简单 。 学习要求： 1. 提高课堂学习效率。 2. 课后及时整理学习笔记，复习巩固提高。 3. 按时、独立完成作业 。 4. 有问题及时答疑。 5. 独立完成实验。
20
10
如何学好工程热力学：
上课认真听讲并积极思索 自己完成作业 看一、二本参考书 积极参加实验,撰写小论文 理论联系工程实际
21
本课程的主要教学环节
课堂学习(预习,听课,课后复习) 做练习题 完成课程实验,鼓励大家完成一些 研究性实验 撰写小论文,课堂讨论
22
11
参考书
1．曾丹苓等.工程热力学（第三版）.北京: 高教出版社,2002 2．朱明善，刘 颖，林兆庄，彭小峰合编．工程热力学(第一版)．北京： 清华大学出版社，1999 3. 严家騄. 工程热力学（第三版）.北京: 高教出版社, 2000 4. 童钧耕等. 工程热力学总复习 —— 理论概要和习题. 上海:上海交通 大学出版社, 2001 5. 何雅玲. 工程热力学精要分析及典型题精解. 西安: 西安交通大学出版 社, 2000 6. M.C.波特尔,C.W.萨默顿.工程热力学.北京:科学出版社,2002 7. Michael J. MORAN Howard N. SHAPIRO Fundamentals of Engineering Thermodynamics 4th. Edition JOHN WILEY & SONS,
INC.2000
23
《工程热力学》知识框架
工程热力学
基础理论
基本概念 基本理论
工质的性质
理想气体 实际气体 （水蒸气、湿空气）
热力循环
压缩机、喷管 动力循环、制冷循环
24
12
绪 论
内容提要 一、能源及热能利用 二、工程热力学的研究对象及主要内容 三、热力学的研究方法
25
能源及热能利用
能源定义：用来产生各种所需能量的自然资
源
能源作用：运动、供暖、烹饪、照明、通讯... 能源种类：风能、水力能、化学能、太阳
能、地热能、原子能、机械能、热能、电能等 等；
能源消费水平正比于社会生产力的发展水平
26
13
能源分类
常用能源种类
煤 炭 石 油 天然气 生物质能
利用燃料燃烧释放化学能，并转换为燃烧产物的热能， 为人类所利用。 可再生能源
水利能 太阳能 风能 生物质能 海洋能 地热能
27
能量的转换和传递过程
一 次 能 源 燃 料 电 池 二 次 能 源
风 能
风 车
水 力 能
水 车 水 力 机 械
化 学 能
核 能
燃 裂聚 烧 变变
地 热 能
传 热 传 热
太 阳 能
热
热 机 电 动 机 温 差 发 电
能
磁 流 体 发 电 热 用 户
机 械 能
发 电 机
光 电 反 应
电
能
28
14
热能发生的两种途径
直接产生（如地热能和海洋表层的温水 热能） 通过转换产生
化学能的转换 电能的转换 辐射能的转换 核能的转换 机械能的转换
29
热能利用的领域
生活需要 电力工业 钢铁工业 有色金属工业 化学工业 石油工业 建材工业 机械工业 轻纺工业 交通运输 农业及水产养殖业
30
15
利用燃料热能的方式
通过各种类型的发动机（热机）及发电 机，使热能转变为机械能或电能； 热能的直接利用，如工业生产中的冶 炼、加热、蒸煮、干燥及分馏等，热水 供应及采暖等；
31
热能间接利用
设备：蒸汽动力装置、燃气动力装置、 火箭发动机、内燃机； ——热能利用的重要方式，人类文明及
生产发展的物质基础
能源转换效率问题和环境保护问题：
32
16
能源直接利用
设备：各种工业炉窑、工业锅炉、加热 器、冷却器、蒸发器、冷凝器等 ——换热效率问题
33
工程热力学的研究对象
热力学：研究物质的热力性质，能量和能 量之间相互转换的一门基础理论学科； 工程热力学：从工程的观点出发，研究物 质的热力性质、能量转换以及热能的直接 利用等问题。 设计计算和分析各种动力装置、制冷机、 热泵空调机组、锅炉及各种热交换器的理 论基础——各个热力过程的能量变化。
34
17
主要内容
热力学第一定律——能量守恒与转换定 律 热力学第二定律——判断过程方向性 工质的性质——理想气体、真实气体 （水蒸气、湿空气） 热力装
置的工作过程——气体和蒸汽动 力循环、制冷循环、热泵循环、喷管及 扩压管、压缩机
35
能量具有量与质的双重属性
热力学第一定律从能量的数量出发—— 能量转换过程中能量的总量守恒 热力学第二定律从能量的质的属性出 发——能量转换过程中，能量的品质要 降低、贬值 孤立系统中的能量总和守恒，但能量的 品质不断下降，可用能贬值为无用能
36
18
热力学基本理论
能量转换具有方向性与不可逆性——微观物质运 动的形态由有序运动向无序运动的不可逆转性 无序运动的能量与有序运动的能量在本质上是不 同的 无序运动的热能不能无条件地转变为有序运动的 能量 有序运动能量的转换不存在前提条件问题 热力学基本理论研究无序运动的热能与有序运动 能量之间的转换条件及转换限度
37
无序与有序
38
19
热力学研究方法
宏观方法——经典热力学方法 微观方法——统计热力学方法
39
宏观方法
连续的整体 直接观察和实验 归纳、演绎、推论 可靠、具有普遍意义 缺点：无法解释热现象本质，微观物质 结构中个别分子的个别行为
40
20
微观方法
从物质内部微观结构出发，借助物质的 原子模型及描述物质微观行为的量子力 学，利用统计方法去研究大量随机运动 的粒子，从而得到物质的统计平均性 质，并得出热现象的基本规律。 可解释比热理论、熵的物理意义、孤立 系统熵增原理
41
第一章 基本概念
内容提要：
热力系统 工质的热力状态及其基本状态参数 平衡状态、状态公理及状态方程 准静态过程与可逆过程 热力循环
42
21
第一节 热力系统
明确研究对象——人为地分析 研究对象所包含的范围和内容 热力系统与周围事物的相互关系
建立定性和 定量的关系
43
简单蒸汽动力装置流程简图 550C
过 热 器
0
蒸汽动力装置流程简图
高温高压蒸汽
汽 轮 机
发电机
W
锅 炉
Q1
Q2
给水泵
冷 0 却 20C 水
W
p
冷凝器
44
22
一、系统、边界与外界
系统：人为分隔出来的研究对象
人为作用、同一问题可存在不同系统
边界：分隔系统与外界的分界面
可实际存在、也可以虚拟存在 可以固定不动、也可以运动或变形
外界或环境：边界以外与系统相互作用
的物体
45
界面
外界
外界
热 源
热力系统
46
23
续4
界面 外界
热 源
外界
热力系统
47
续4
界面 外界
热 源
外界
热力系统
48
24
续4
界面 外界
热 源
外界
热力系统
49
续4
界面 外界
热 源
外界
热力系统
50
25
界面
系 统
51
界面
系 统
系
统
52
26
界面
系 统
系
统
53
界面
系 统
系
统
54
27
系统与工质的关系
系统既然是人为分隔出来的研究对象， 那么
系统内可以有多个物体 其中起到能量输运或转换的物体为工质 在热力学中，工质可以为气体、液体、 固体等， 工质可用某几个物理量描述其所处状态
55
系统与外界相互作用形式
功、热和物质的交换
外界存在能够分别接受或给予系统功 量、热量和质量的功源、热力源和质量 源
系统外界是大气环境，则可看作是热容量为无限 大的热源（或冷源）和质量为无限大的质源 不会因为接受或放出热量、功量而增加其总能量 也不会因为接受或给与系统质量而改变其总质量 大小
56
28
二、闭口系统与开口系统
没有物质穿过边界的系统——闭 口系统（控制质量系统）
系统质量保持恒定，应把所研究的物 质都包括在边界内，系统边界可变形 可通过边界与外 界发生能量（功 和热）的传递
有物质穿过边界的系统——开口 系统（控制体积系统）
只需把所要研究的空间范围用边界与 外界分隔开来，可以有一股或多股工 质流过
57
闭口热力系
阀门关闭
58
29
开口热力系
59
开口举例热力系（管道）
管 道
60
30
续15
开口热力系
61
去汽轮机
过热器 炉墙
蒸发管 来自水泵
开 口 热 力 系
燃料与空气
（锅炉示意图）
62
31
三、绝热系统与孤立系统
系统与外界之间没有热量传递 的系统——绝热系统 系统与外界之间不发生任何能 量传递和物质交换的系统—— 孤立系统
一切热力系统连同与之相互作用的 外界都可以抽象为孤立系统 绝对这样的系统 实际上不存在， 具有抽象性—— 研究科学问题的 方法之一
63
孤立系统示意图
图1-4 孤立系统
64
32
四、系统的内部状况
相：系统中工质的物理、化学性质都均 匀一致的部分
相与相之间有明显的界限，如水蒸气与水
单相系与复相系 单元系：由一种化学成分组成的系统
纯物质，无论单相或复相
多元系：由两种以上不同化学成分组成 的系统
空气可看作特例，其组成比例基本不变
65
均匀系与非均匀系
均匀系：成分和相在整个系统空间呈均匀 分布
微小水滴均匀分布在充满水蒸气的整个容器 中——均匀 水在容器底部而水蒸气在其上部——非均匀
66
33
第二节 工质的热力状态及其基 本状态参数
一、状态与状态参数
状态：系统中某瞬间表现的工质热力性质的 总状况——工质的热力状态（简称状态） 工质的状态参数：表述工质状态特性的各种 物理量
状态参数是状态的函数，对应一定的状态，状态 参数都有唯一确定的数值。 工质状态变化时，初、终状态参数的变化值仅与 初、终状态有关，而与状态变化的途径无关。 注意：不是系统的状态参数！系统可由多个、多种工质组成。67
状态参数的
数学特征为点函数
∫
循环积分
2
1
dx = x2 x1
∫ dx = 0
式中 x —— 表示工质某一状态参数
68
34
热力学中常见的状态参数
温度（T） 压力（p） 比体积（v）或密度（ρ） 内能（u） 焓（h） 熵（s） 火用（ex） 自由能（f ） 自由焓（g）
基本状态参数（可以 用仪表直接或间接测 量） 导出状态参数（不能 用仪表直接或间接测 量）
69
二、基本状态参数
1.温度（描述热力平衡系统冷热状况的 物理量）
热力学第零定律：如果两个系统同时与第三 个系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于 热平衡 温度是描述和判断系统是否与其它系统处于 热平衡的状态参数 一切处于热平衡的系统都具有相同的温度
70
35
测温依据——第零定律
通过与温度确定的标准系统处于热平 衡，对温度计进行标定 当被测系统与已标定过的、带有数值标 尺的温度计达到热平衡时，温度计指示 的温度值就等于被测系统的温度值（相 当于与标准系统处于热平衡）。
71
温标——温度的数值标尺
任何温标都要规定基本定点和每一度的 数值。 热力学温标规定纯水三相点温度（即水 的汽、液、固三相平衡共存时的温度） 为基本定点，并指定为273.16K，每1K为 水三相点温度的1/273.16 摄氏（Celsius）温标的每1°C与热力学温 标的每1K相同，t =T-273.15
72
36
常用温标
绝对K
373.15
摄氏℃
100 水沸点 37.8
华氏F
212
273.16 273.15
发烧 100 0.01水三相点 0 冰熔点 32 -17.8 盐水熔点 0 盐水熔点
0
-273.15
-459.67
0
73
温度的微观概念
表示物质内部大量分子热运动的强烈程度 理想气体热力学温度与分子平移运动平均动能 的关系式
mω = BT 2
2
74
37
2.压力
气体压力：气体分子不规则的热运动→ 分子之间不断相互碰撞→同时也使气体 分子不断地和容器壁（即边界面）碰撞 →大量分子碰撞器壁的总结果→气体对 器壁的压力 垂直作用于器壁单位面积上的力——压 力（物理学中称为压强）
75
压力的微观概念
理想气体：
作用于单位面积上的压力与分子浓度及分子平移运 动平均动能之间的关系式
2 mω 2 = nBT p= n 3 2 3
2
p—单位面积上的绝对压力 n—分子浓度，即单位容积内含有气体的分子数
76
38
压力的单位
国际单位制SI规定压力单位为帕斯卡 （Pa），1Pa = 1N/m2 工程单位：巴（bar）、标准大气压 （atm）、工程大气压（at）、毫米水柱 （mmH2O）、毫米汞柱（mmHg）
1kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa 1MPa=106 Pa
77
相对压力与绝对压力
测压仪表的结构原理是建立在力的平 衡原理上，利用液柱的重力或各种类 型弹簧的变形，以及用活塞上的载重 去平衡工质的压力
78
39
pb
pb
p
pg
p
pv 真空度
p
p = pb pv
79
p > pb
p = pb + p
g
表压力﹑真空度示意图
图1-6 各压力间的关系
80
40
相对压力
压力计指示的压力是气体的绝对压力与 外界大气压力的差值——相对压力 大气压力随地理位置及气候条件、环境 等因素而变化 系统的绝对压力是状态参数 相对压力为负压——真空度 相对压力为正压——表压力
81
绝对压力、相对压力和大气压力 之间的关系
当 p>B时
p = B + pg
当 p
p= BH
82
41
3.比体积和密度
工质所占有的空间——工质的容积 单位质量工质所占有的容积——工质的比体 积（比容） V (m3/kg) v=
m
单位容积的工质所具有的质量——工质的密 度 m ρ= (kg/m3)
V
83
比体积和密度不是两个独立的状态参数
ρv = 1
这个问题至关重要！
84
42
三、强度性参数与广延性参数
1.强度性参数：系统中单元体的参数值与
整个系统的参数值相同，与质量多少无关， 没有可加性。如温度、压力等。
当强度性参数不相等时，便会发生能量的传递 强度性参数在热力过程中起着推动力作用—— 广义力或势 一切实际热力过程都是在某种势差推动下进行 的
85
2.广延性参数
整个系统的某广延性参数值等于系统中各 单元体该广延性参数值之和，与系统质量 多少有关，具有可加性。如系统的容积、 热力学能、焓和熵
在热力过程中，广延性参数的变化起着类似力 学中位移的作用，称为广义位移 传递热量必然引起系统熵的变化；系统对外做 膨胀功必然引起系统容积的增加 广延性参数除以系统的总质量——比参数，如 86 比体积、比热力学能、比焓、比熵等
43
例题
铂金丝的电阻在水的冰点时为10.000Ω，在水的沸点时为14.247 Ω，在硫 的沸点（446C）时为27.887 Ω。试求出温度t(C)和电阻R(Ω)的关系式 R=R0(1+At+Bt2)中的常数A，B的值。
解：由已知条件可得
10 = R0 4 14.247 = R0 (1 + 100 A + 10 B) 27.887 = R (1 + 446 A + 1.989 ×105 B) 0
联立求解以上3式可得 R0=10 Ω A=4.32×10－3 B=-6.83×10－7
1/℃ 1/(℃)2
故温度t(C)和电阻R(Ω)之间的关系式为
R = 10 × (1 + 4.32 × 10 3 t 6.83 × 10 7 t 2 )
87
第三节 平衡状态、状态公理及 状态方程
一、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，简称平衡状态。 若有化学反应，则需考虑化学平衡 这是一个理想的概念，现实中完全不受外界 影响的系统是不存在的
88
44
“变化”的意思：
随时间变化 随空间变化
89
平衡态的特点
在没有外界影响（与外界既没有能量交换，也 没有物质交换，但重力场的影响除外）的条件 下，系统热力状态参数不随时间变化的状态。 凡处于平衡
态的系统，其特征是参数不随时间 变化，而且除复相系统和重力场的影响外，参 数均匀； 系统内部或系统与之相联系的外界之间，各种 不平衡势的消失是系统实现平衡态的必要条 件，如温度、压力等必须相等
90
45
平衡态与稳定态
稳定状态是状态参数虽不随时间改变， 但它可以是靠外界影响来维持的，稳定 状态下空间不同位置处的状态参数可以 不同。 平衡状态是不受外界影响时参数不随时 间变化的状态，系统内各部分的状态相 同。 平衡必稳定，稳定未必平衡。
91
平衡态与稳定态
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
92
46
平衡与均匀
系统内部各种参数均匀的必定平衡； 平衡时各种参数未必是均匀的；如汽液 共存状态 均匀必平衡，平衡未必均匀。
93
平衡与均匀
平衡：时间上 均匀：空间上
平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
94
47
二、状态公理
实践经验表明，对于纯物质系统，与外 界发生任何一种形式的能量传递都会引 起系统状态的变化，且各种能量传递形 式可单独进行，也可同时进行——由此 归纳出一条状态公理 确定纯物质系统平衡状态，所需要的独 立参数=n+1 n——传递可逆功的形式种类 +1——能量传递中的热量传递
95
简单可压缩系统
除热量传递外只有膨胀功 确定系统平衡状态的独立参数为2 所有状态参数都可表示为任意两个独立 参数的函数 另一个常用的概念：刚性容器——器壁 不能变形，可以有物质出入容器口，但 容器的容积不变。
96
48
三、状态方程
建立了温度、压力、比体积三个基本状态参数 之间的函数关系——状态方程
p = f1 (T , v ) T = f 2 ( p, v ) v = f3 ( p, T ) F ( p , v, T ) = 0
97
p-v图
描述工质的状态 分析状态变化过程
98
49
第四节 准静态过程与可逆过程
p
1
2
v 系统状态的连续变化称
2 1
为系统经历了一个热力 过程简称过程
99
第四节 准静态过程与可逆过程
热力过程：工质从某一状态过渡到另 一状态所经历的全部状态变化
实际热力过程一定是在势差作用下进行 工质流动及机械运动存在摩阻等影响 真实过程复杂，热工分析计算困难
}
引用平衡 概念，理 想化为准 静态过程 与可逆过 程
100
50
一、准静态过程
非平衡损失：系统内部的不平衡势差在系统向 新的平衡过渡时，并不对外做功，而是一种能 量损失——很难定量计算 假想一种过程进行的非常缓慢，使过程中系统 内部被破坏了的平衡有足够的时间恢复到新的 平衡态，从而使过程的每一瞬间系统状态都非 常接近平衡状态（不平衡势无限小），整个过 程就可看作是由一系列非常接近平衡态的状态 所组成——准静态过程
101
准静
态过程的特点
准静态过程不必考虑内部不平衡的势差对能量 转换造成的影响 没有内部不平衡损失 状态特性可用少数几个参数描述 只有准静态过程才可在坐标图上用一系列平衡 状态点的轨迹所描绘的连续曲线表示 理想化了的实际过程，是实际过程进行非常缓 慢时的一个极限。实际过程都是不平衡的。
102
51
准静态过程有实际意义吗？
既是平衡，又是变化
既可以用状态参数描述，又可进行热功转换
疑问：理论上准静态应无限 缓慢，工程上怎样处理？
103
准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间 （外部作用时间）
>>
恢复平衡所需时间 （驰豫时间）
有足够时间恢复新平衡 准静态过程
104
52
实际过程理想化的根据
0°C时，H2分子的均方根平移运动速度达 1838m/s，N2分子达493m/s，O2分子达 461m/s 活塞移动速度通常不足10m/s 按热力学的时间标尺来衡量，活塞移动过 程的变化比较慢，不会出现明显的偏离平 衡态
105
二、可逆过程
耗散效应——由有用功转变为热的现象 耗散损失——有用功的损失-难以确定 理论分析时设想一个完全没有热力学损失（包 括非平衡损失和耗散损失）的理想热力过程— —可逆过程 系统经历某一个过程后，如能在过程逆行时使 系统和外界同时恢复到初始状态而不遗留任何 变化
106
53
实现可逆过程的条件
过程没有势差（或势差无限小），如传 热没有温差，做膨胀功没有压力差等 过程没有耗散效应，如机械运动没有摩 擦，导电没有电阻等
107
气缸
活塞
飞轮
热 源
工质、机器和热源组成的系统
过程假设： 1、无摩擦； 2、热源与工质温差无限小； 3、工质与外界压差无限小。
108
54
可逆过程模拟
气缸
活塞
飞轮
热 源
左止点
p
1
工质、机器和热源组成的系统
v
109
气缸
活塞
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
110
55
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
111
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
112
56
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
113
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
114
57
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
工质、机器和热源组成的系统
v
115
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
工质、机器和热源组成的系统
v
116
58
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
工质、机器和热源组成的系统
v
117
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
118
59
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
119
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
120
60
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
121
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
122
61
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
123
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
124
62
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
125
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
126
63
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
127
气缸
活塞
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
工质、机器和热源组成的系统
v
128
64
p
1—2过程：热源放热，工质吸热膨 胀，对外作功，推动飞轮旋转 1 2—1过程：飞轮对活塞作功，工质被 压缩并对热源放热 2 经历了1—2—1过程后，工质回复到原 来状态，热源回复到原来状态，机器 回复到原来状态
v
注意： 可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。
129
引入可逆过程的作用
只是一种研究方法、科学的抽象 提出动力循环、致冷循环、气体压缩、 气体流动等理想化热力过程的基础 所得结果可作为实际过程能量转换效果 的比较标准 将理论计算值加以适当修正，可得到实 际过程的结果
130
65
典型的不可逆过程
不等温传热 节流过程 (阀门） 混合过程
自由膨胀
131
准静态过程和可逆过程
均由一系列平衡状态所组成 可在p-v图上用连续曲线表示 可逆过程要求系统与外界随时保持力平 衡和热平衡，没有耗散效应和任何能量 的不可逆损失 准静态过程仅要求系统内部的力平衡和 热平衡，系统与外界之间可有不平衡势 差和耗散现象
132
66
准静态过程和可逆过程
准静态过程是针对系统内部的状态变化而 言的，而可逆过程则是针对过程中系统所 引起的外部效果而言的 可逆过程必然是准静态过程，而准静态过 程则未必是可逆过程 非平衡损失和耗散损失不是能量的数量损 失，只是能量做功能力（或能量品质）的 降低或退化
133
三、膨胀功（容积功）
热转换为机械功必须依靠工质的膨胀 由于系统容积发生变化（增大或缩小）而通 过界面向外界传递的机械功——膨胀功
若没有传递出去，如自由膨胀，则没有膨胀功
规定：
系统容积增大，表示系统对外界做膨胀功，视 为正功； 系统容积减小，表示外界对系统做压缩功
，视 为负功；
134
67
膨胀功图
135
功的计算
物理学中功的定义式：功=力×距离 则有 δ w = FdS = pfdS = pdV （J） 膨胀功与过程特性有关，δ 表示微小量 可逆过程的膨胀功和压缩功： V2 W = ∫ pdV （J） V
1
适用范围：可逆过程，任何工质——外界得到或 给与系统的功
136
68
四、热量
热量是除功以外，没有物质流的系统与外界 传递能量的又一种形式 热量传递中作为推动力的强度性参数是温度 相当于广义位移的广延性参数变化是熵增量
137
热量的计算公式
δ Q = TdS
Q = ∫ TdS
1 2
（J） （J）
清华大学刘仙洲教授命名
138
69
规 定
系统吸热，Q为正值； 系统对外放热，Q为负值 系统吸热dS>0； 系统放热dS
｝
反之则不对
139
热量与容积变化功
能量传递方式 性质 推动力 标志 公式 条件 容积变化功 过程量 压力 p dV , dv δ w = pdv 传热量 过程量 温度 T
δq = Tds
q = ∫ Tds
可逆
140
dS , ds
w=
∫ pdv
可逆
70
第五节 热力循环
要使工质连续不断地做功，单有一个膨 胀过程是不可能的 工质从某一初态开始，经历一系列状态 变化，最后又回到初始状态的全部过 程——热力循环，简称循环。
141
一、正循环
循环中转换为功的热量 工质从热源吸收的总热量 w q q q ηt = 0 = 1 2 = 1 2 q1 q1 q1 循环热效率 =
142
71
正循环
循环热效率总是小于1 从热源得到的热量q1，只能有一部分变 为净功w0，在这一部分热能转换为功的 同时，必然有另一部分的热量（q2）流 向冷源，没有这部分热量流向冷源，热 量是不可能连续不断地转变为功的
143
二、逆循环
逆循环的净功为负值——消耗功
144
72
逆循环
致冷循环——以获得致冷量为目的 热泵循环——以获得供热量为目的，工 质将从冷源吸收的热量q2，连同循环中 消耗的净功w0，一并向较高温度的供热 系统供给热量q1（q1=q2+w0）
145
工作系数（COP）
效率（评价系数）＝
致冷系数 供热系数
收益（受益）量 消耗外部资源量
ε1 = ε2 =
q2 q2 = w0 q1 q2 q1 q1 = w0 q1 q2
146
ε 2 = 1 + ε1
73
本章学习要求
1、掌握热力系(闭口、开口、绝热、孤立系）、平衡状 态、状态参数、状态方程、热力过程（可逆过程）、热 力循环的概念。 2、熟练掌握绝对压力、表压力、大气压力、真空度间的换 算关系。 强调:只有绝对压力是状态参数
147
作业
P17 2，4，6，7，9
148
74