工程热力学与传热学第一章

热力系统就是具体指定的热力学研究对象。把热力系统外面雨热功转换过程有关的其他物体统称为外界。热力系统和有关的外界之间的分界面称为边界。热力系统-概念边界面可以是真实的，也可以是假设的；可以是固定的，也可以是变动的。工程热力学主要关注系统与外界之间的相互作用，根椐热力系统与外界相互作用的不同情况，可以分为闭口系统、开口系统、绝热系统和孤立系统。热力系统-分类闭口系统：在所研究的时间内，系统与外界只有热量和机械能等能量的交换而无物质的交换。开口系统：在所研究的时间内，系统与外界不仅有热量和机械能等能量的交换，而且有物质的交换。绝热系统：在所研究时间内系统与外界无热量交换，但有其他能量交换。孤立系统：在所研究时间内系统与外界既无能量交换，也无质量交换。

热力系统-分类热力状态-概念热力学中把工质所处的某种宏观状况称为工质的热力状态，简称状态。用来描述和说明工质状态的一些物理量(如压力、温度等)则称为工质的状态参数。平衡状态-概念系统内工质各点相同的状态参数均匀一致的这种状态，在热力学上称作“平衡状态”，如无外界的影响，系统内工质各部分的状态将不再随时间而变化，亦即平衡状态不会自发地破坏。平衡条件力平衡：一个热力系统内部无不平衡的力，且作用在边界上的力和外力相平衡，各部分间不会发生相对位移，则该热力系即处于力平衡。热平衡：若热力系统内的温度各部分间无温度差别，且等于外界温度，因而就不会发生热的传递，则该热力系统即处于热平衡。为了能够实现平衡状态，必须满足力平衡、热平衡条件。基本状态参数在工程热力学中常用的状态参数有六个，即压力、质量体积(俗称比容)、温度、内能、焓和熵。其中压力、质量体积和温度可以直接测量，也比较直观，称为基本状态参数。压力压力是指单位面积上承受的垂直作用力，即式中：——压力； ——垂直作用力； ——面积。压力式(1-1)算出的压力是气体的真正压力称为绝对压力。绝对压力无法直接测量，只能测量绝对压力和当时当地的大气压力的差值(参看图1-3)。压力当气体的绝对压力高于大气压力时，压力表所指示的是绝对压力超出大气压力的部分，称为表压力()：式中：——大气压力，可用气压表测定。当气体的绝对压力低于大气压力时，真空表所指示的是绝对压力低于大气压力的部分，称为真空度(

):压力计算气体的绝对压力，仅仅知道压力表或真空表的读数是不够的，还必须知道当时当地气压表的读数，然后通过下列关系式将绝对压力计算出来:压力用U形管压力表(或真空表)通过液柱高度差测定表压力(或真空度)时，其换算关系如下:式中：——液体的密度； ——重力加速度； ——液体高度差。常用压力单位与法定压力单位换算见表。【例1-1】某柴油机在做惯性增压试验时，测得汽缸内燃烧气体的最高压力为

，进气管的真空度为

，试验时气压表读数为

，试计算这两处的绝对压力各为多少

？解：（1）气缸压力：为了避免复杂的计算，有时认为大气压力近似地为，则两者误差不超过0.02%。（2）进气管压力：同样，当

时，则两者误差将近1%。质量体积单位质量工质所占有的容积称为质量体积，以符号v表示，单位为

即式中：——容积； ——质量。质量体积单位容积内工质的质量称为密度，以

表示，单位为

即可知质量体积与密度互成倒数。所以密度

也可以作为状态参数，它们都是描述工质子的密集程度。温度温度是表征物体冷热程度的物理量。热物体温度高，冷物体温度低。当两个物体接触时，温度高的物体就要向温度低的物体传热。如果两者间没有热量传递，则两物体的冷热程度一样，即处于热平衡状态，两物体温度相等。“当两个物体同时与第三个物体热平衡时，这两个物体之间也必然是热平衡”，这是热平衡定律，是热力学的基本定律之一，也称为热力学第零定律。温度从微观角度分析，物体的冷热程度取决于物体内部微粒运动的状况。按分子运动理论，气体的热力学温度与气体分子的平均移动动能成正比，它们之间的关系是:式中：——分子平均质量；——分子的均方根速度； ——分子的平均运动动能；

——波尔兹曼常数；——绝对温度。温度法定单位制中采用热力学温标，又称开尔文温标或绝对温标，计量单位用开(K)表示，温度值采用T表示，摄氏温标或百度温标计量单位用摄氏度(℃)表示；温度值用t表示，它们之间的换算关系如下:状态方程对于由气体工质所组成的热力系统，当处于平衡状态时，热力系统内各部分将具有相同的压力、温度和质量体积等参数。状态参数之间并不是彼此孤立的，而是相互联系的。这种内在的联系可用数学式表达，即式(1-11)称为状态方程。参数坐标图三个状态参数之间存在内在的联系，三个状态参数中只有两个是彼此独立的。用三个基本参数中的任意两个独立参数，就可以作为一个平面直角坐标图的横坐标和纵坐标作出参数坐标图，就能清晰地表示工质所处的热力状态。如图1-4所示的p-v图(称为压容图)，是以压力作为纵坐标，质量体积作为横坐标。热力过程当工质受到外界影响时，例如，外界对工质加热，工质所处的平衡状态遭到破坏，工质的状态就会发生变化，工质从一个状态经过一系列的中间状态变至另一状态，就将这种工质的状态发生变化的过程称为热力过程，简称过程。热力过程在状态变化过程中，若平衡状态的每一次被破坏都离平衡状态非常近，而状态变化的速度(即破坏平衡状态的速度)又远远小于工质内部分子运动的速度(即恢复平衡状态的速度)，则状态变化过程的每一瞬间，工质都可以认为是处于平衡状态。工质内部各点的压力和温度随时都是均匀一致的，即随时都处于内平衡状态，这种由一系列内平衡状态所组成的(由无限接近平衡状态的状态组成的)过程，称为准静态过程，或准平衡过程。准静态过程在准静态过程中，工质所经历的每一个状态都是平衡状态，而任意一个平衡状态都可用p-v图上的一个点来表示，所以一个准静态过程就可以p-v图上一条曲线来代表。如1-5所示p-v图，图上的曲线1-2就代表一个准静态过程。如果工质由状态1′变化到状态2′所经过的不是一个准静态过程，则该过程无法在p-v图上表示，仅可标出其1′、2′两个平衡状态，而其过程用虚线表示。可逆过程可逆过程是指当系统由始态变化到终态，又由终态沿原来途径返回始态时，若参与该变化过程的系统及外界均能完全返回原来的状态，则称该变化过程为可逆过程。反之，则为不可逆过程。可逆过程图1-6所示为一由工质、热机和热源组成的热力系统。可逆过程可逆过程应具备以下几个特点：在过程进行时，工质内部及其与外界恒处于平衡状态，故过程进行无限缓慢。在变化期间，无任何能量的不可逆损耗。可逆过程在实际中并不存在，在工质膨胀和压缩的过程中，有一部分能量在摩擦中消耗；而有温差的传热过程必定是不可逆过程。功在工程热力学里，热力系统通过界面和外界进行的机械能的交换量称为做功量，简称为功(机械功)，以符号Ｗ表示。由于工程热力学中常以单位质量的工质来分析和计算能量转换的情况，故用w表示kg质量气体所做的功。在法定单位制中，w的单位采用J/kg或kJ/kg。功观察图1-7a）汽缸内的气体。设有1kg的气体在汽缸中进行膨胀，经历一个可逆过程从1状态到2状态。功当气体膨胀推动活塞右移一个微小的距离dx时，气体对外所做的微元功δw为式中：A——活塞的截面积。功图1-7b）中p-v曲线阴影面积代表微元功，且全过程所做的功为因为所以功气体膨胀时做正功，被压缩时做负功。如果气体质量为mkg，则所做的功为故功对照力学中的

，称压力p为广义力，称dx为广义位移，气体所做的功等于广义力与广义位移的乘积。【例1-2】2kg温度为100℃的水ꎬ在压力为0.1Mpa下，完全汽化为水蒸气，若水和水蒸气的质量体积各为0.001m3/kg和1.673m3/kg，试求此2kg水因汽化膨胀，对外所做的功为多少kJ?解：由式（1-13）热量热量用符号Q表示，在工程热力学中，由于常常分析单位质量气体的热能传递，所以常以q表示单位质量所传递的热能。在法定单位制中，Q的单位为J，q的单位为J/kg，热力学中通常规定，热力系统从外界吸热为正（Q>0），热力系统向外界放热为负（Q<0）。熵假设存在这样一个参数，称之为熵，以符号S表示。单位质量气体的熵成为比熵，以符号s表示。对热量来说，熵具有广义位移的特征，即在可逆过程的条件下只有在气体的熵发生变化时，才有可能吸热或放热，当比熵等于常量，即ds=0时，气体与外界不发生热量的传递。熵对照功

，事实上气体做工是在气体与外界有压差的情况下进行的，若取极限情况，可以采用pdv来计算微功

。熵当气体与外界有传热时，是在有温差的情况下进行的，所以可以说温度T对于热量q类似于压力p

对于功w的作用，即广义力的作用。即熵所以故熵由式（1-15）可知：式中：s

——工质的比熵，s=S/m，其单位在法定单

位制中卫看kJ/(kg·K)，在工程中为 kcal/(kgf·K)；ds—— 工质比熵的增量。温熵图对比p-v图，建立以绝对温度

T为纵坐标、比熵s

为横坐标的温熵图(T-s图)，如图所示，系统的初态1

(T1，s1)用点1表示，终态2(T1，s1)用点2表示，从初态到终态的某一可逆过程可用曲线1-2表示。而曲线下的面积(如图中12ba1)则表示1-2过程中工质与外界所交换的热量，因此温熵图又称示热图。工质从某一初态出发经历一系列状态变化过程之后，又回到了初始状态时，我们称为经历一个“热力循环”，或简称“循环”。我们称完全由可逆过程所组成的循环为可逆循环，机工质在一循环达到原状态之后可以按照原路径所经历的全部状态，而顺序相反的逆行回到初始状态。在

p-v图和T-s图上都将呈现为封闭的曲线，如图1-10所示。如果用点a

表示初始状态，工质经

a—b—c过程到达

c点后再经c—d—a过程回复至初态a。在

p-v图和T-s图上都将呈现为封闭的曲线，如图1-10所示。如果用点a

表示初始状态，工质经

a—b—c过程到达

c点后再经c—d—a过程回复至初态a。可以得到a—b—c过程气体做正功并吸热，c—d—a过程气体做负功并放热，对整个循环，工质所做的净功为这可以用p-v

图上循环曲线包围的面积来代表，整个循环