工程熱力學(xué)第一篇

工程熱力學(xué)第一篇第一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章基本概念1-1熱力系統(tǒng)1-2平衡狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)

1-3狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖

1-4準(zhǔn)平衡過(guò)程與可逆過(guò)程1-5功量和熱量1-6熱力循環(huán)第二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六1-1熱力系統(tǒng)

熱力學(xué)中常把研究的對(duì)象從周圍物體中分割出來(lái)，研究它與周圍物體之間的能量和物質(zhì)的傳遞。這種人為的分割出來(lái)的研究對(duì)象稱為熱力系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱熱力系或系統(tǒng)?！掏饨纾╯urrounding）

√邊界（boundary）√熱力系統(tǒng)（thermodynamicsystem）

熱力系以外與之相互作用的周圍物體統(tǒng)稱為外界或環(huán)境。

為了避免把熱力系和外界混淆起來(lái)，設(shè)想有分界面將它們分開，這個(gè)分界面稱為邊界。

邊界可以是真實(shí)的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是運(yùn)動(dòng)的。熱力系的邊界常用虛線表示。第三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六舉例說(shuō)明第四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六熱力系統(tǒng)分類

根據(jù)熱力系與外界之間的能量和物質(zhì)交換情況，熱力系可分為：（1）閉口系（closedsystem）

與外界無(wú)物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質(zhì)量始終保持恒定，也稱為控制質(zhì)量（controlmass，簡(jiǎn)寫為CM）。

第五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六（2）開口系（opensystem）

與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。通常總是取一相對(duì)固定空間，把研究對(duì)象限制在這一空間范圍內(nèi)，也稱為控制容積（controlvolume簡(jiǎn)寫為CV）。注意：1）閉口系與開口系都可能通過(guò)邊界與外界發(fā)生能量的傳遞。2）區(qū)分閉口系和開口系的關(guān)鍵是有沒(méi)有物質(zhì)越過(guò)了邊界，并不是系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量是不是發(fā)生了變化。進(jìn)口出口第六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六（3）絕熱系（adiabaticsystem）

與外界無(wú)熱量交換的系統(tǒng)。（4）孤立系（isolatedsystem）

外界既無(wú)能量交換又無(wú)質(zhì)量交換的系統(tǒng)。閉口系絕熱系開口系絕熱系Q≈0第七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六★A、B兩部落“雞、犬之聲相聞，民至老死不相往來(lái)”ABA部落為系統(tǒng)A+B部落為系統(tǒng)——孤立系——閉口系注意：1）絕熱系與孤立系都是抽象的概念，是完全理想化了的情況。2）選取何類熱力系對(duì)研究問(wèn)題的結(jié)果并無(wú)影響，僅與解決問(wèn)題的繁復(fù)程度有關(guān)。3）在作熱力學(xué)分析時(shí)，不僅要考慮熱力系內(nèi)部的變化，同時(shí)還要考慮熱力系通過(guò)邊界與外界發(fā)生的能量與物質(zhì)的交換，至于外界的變化則不必研究。第八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六√熱機(jī)（heat-engine）：

凡能將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器統(tǒng)稱為熱機(jī)。如蒸汽機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等等，或稱熱能動(dòng)力裝置?！虩嵩矗╤eatsource）：

與熱力系有熱量交換的物質(zhì)系統(tǒng)的統(tǒng)稱。高溫?zé)嵩础獰嵩春銣責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩础湓醋儨責(zé)嵩础毯?jiǎn)單可壓縮系（simplecompressiblesystem）：

熱力系由可壓縮流體構(gòu)成，與外界只有可逆體積變化功（可逆過(guò)程的膨脹功或壓縮功）的交換的系統(tǒng)?！坦べ|(zhì)（workingsubstance）：

實(shí)現(xiàn)能量相互轉(zhuǎn)換的媒介物稱為工質(zhì)。介紹幾個(gè)常用概念第九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六1-2平衡狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)1.平衡狀態(tài)（equilibriumstate）（1）熱力狀態(tài)

系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為系統(tǒng)的熱力狀態(tài)，簡(jiǎn)稱狀態(tài)。

（2）平衡狀態(tài)

在沒(méi)有外界影響的條件下（重力場(chǎng)影響除外），熱力系的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間而變化的狀態(tài)。

處于平衡狀態(tài)的熱力系，必須同時(shí)具備熱平衡和力平衡，對(duì)于有化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)同時(shí)還應(yīng)具備化學(xué)平衡。第十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六?熱平衡

在無(wú)外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處溫度相等。

溫差是驅(qū)動(dòng)熱傳遞的不平衡勢(shì)差，溫差的消失則是系統(tǒng)建立熱平衡的必要條件。?

力平衡在無(wú)外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處壓力相等。

力差也是驅(qū)使系統(tǒng)狀態(tài)變化的一種不平衡勢(shì)差，力差的消失是使系統(tǒng)建立起力平衡的必要條件。?

對(duì)于有化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)，化學(xué)勢(shì)差的消失才能建立起化學(xué)平衡。?

建立平衡狀態(tài)的充要條件：系統(tǒng)內(nèi)部或者系統(tǒng)與外界之間各種不平衡勢(shì)差的消失。第十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六2.狀態(tài)參數(shù)（parameterofstate）

用來(lái)描述系統(tǒng)狀態(tài)的宏觀物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。常用的狀態(tài)參數(shù)有6個(gè)，即壓力（p）、溫度（T）、比體積（v）、熱力學(xué)能（U）、焓（H）和熵（S）。狀態(tài)參數(shù)

強(qiáng)度參數(shù):與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)的數(shù)量無(wú)關(guān)

的

狀態(tài)參數(shù)，如

p、T等。不具有

可加性。廣延參數(shù):與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)的數(shù)量有關(guān)的

狀態(tài)參數(shù)。如

V、U、H、S等。

具有可加性。單位質(zhì)量的廣延參

數(shù)，具有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)，稱為

比參數(shù)，如

v、h、u、s等。第十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六狀態(tài)參數(shù)的特點(diǎn)

狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)，熱力系的狀態(tài)一定，其狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值也一定。系統(tǒng)狀態(tài)變化時(shí)，初、終狀態(tài)參數(shù)的變化值，僅與初、終狀態(tài)有關(guān)，而與狀態(tài)變化的路徑無(wú)關(guān)。

當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化而又回復(fù)到初態(tài)，其狀態(tài)參數(shù)的變化為零。

如果能證明某物理量具有上述數(shù)學(xué)特征，則該物理量一定是狀態(tài)參數(shù)。第十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六

處于平衡狀態(tài)的熱力系，狀態(tài)參數(shù)具有確定的數(shù)值。而非平衡狀態(tài)的熱力系其狀態(tài)參數(shù)是不確定的。

工程熱力學(xué)通常只研究平衡狀態(tài)，它是經(jīng)典熱力學(xué)理論框架得以建立的重要基礎(chǔ)。第十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六

3.基本狀態(tài)參數(shù)

壓力（p）、溫度（T）、比體積（v）可以直接或間接地用儀表測(cè)量出來(lái)，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。（1）壓力（pressure）單位面積上所受到的垂直作用力（壓強(qiáng)）。

P為工質(zhì)的真實(shí)壓力，即絕對(duì)壓力。

根據(jù)分子熱運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)，氣體的壓力是大量氣體分子運(yùn)動(dòng)撞擊容器壁面所產(chǎn)生的平均結(jié)果。力面積第十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六16常用非SI壓力單位：國(guó)際單位制:Pa（帕），1Pa=1N/m2

1MPa=103kPa=106

Pa

1bar（巴）

=105

Pa

1atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）

=1.013105

Pa

1at（工程大氣壓）

=0.981105

Pa

1mmH2O（毫米水柱）

=9.81Pa1mmHg（毫米汞柱）

=133.3Pa第十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六壓力測(cè)量：只有絕對(duì)壓力p才是狀態(tài)參數(shù)。絕對(duì)壓力p表壓力pe（pg）

真空度pv

當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b

負(fù)壓正壓第十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六18（2）溫度（temperature）

溫度是反映物體冷熱程度的物理量。溫度的高低反映物體內(nèi)部微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱。

當(dāng)兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，它們之間將發(fā)生熱量傳遞，如果沒(méi)有其它物體影響，這兩個(gè)物體的溫度將逐漸趨于一致，最終將達(dá)到熱平衡（即溫度相等）。所以溫度是熱平衡的判據(jù)。1）溫度的物理意義溫度相等熱平衡

第十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六2）熱力學(xué)第零定律

如果兩個(gè)物體中的每一個(gè)都分別與第三個(gè)物體處于熱平衡，則這兩個(gè)物體彼此也必處于熱平衡。熱力學(xué)第零定律是溫度測(cè)量的理論依據(jù)。ABC3）溫標(biāo)溫度的數(shù)值表示法。

國(guó)際單位制（SI）采用熱力學(xué)溫標(biāo)作為基本溫標(biāo)。第十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六

用熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度稱為熱力學(xué)溫度，用符號(hào)T

表示，單位為K（開）。熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對(duì)溫標(biāo)）:

熱力學(xué)溫標(biāo)取水的三相點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當(dāng)于水的三相點(diǎn)溫度的1/273.16。攝氏溫標(biāo):

用攝氏溫標(biāo)確定的溫度稱為攝氏溫度，用符號(hào)t表示，單位為℃（攝氏度）。攝氏溫度的定義式為：

攝氏溫度的零點(diǎn)相當(dāng)于熱力學(xué)溫度的273.15K，1℃=1K第二十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六（3）比體積（specificvolume）定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的工質(zhì)所占有的體積，用符號(hào)v表示，單位為m3/kg。密度：?jiǎn)挝惑w積的工質(zhì)所具有的質(zhì)量，用符號(hào)

表示，單位為kg/m3

。

比體積和密度不是兩個(gè)互相獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)。通常以比體積作為狀態(tài)參數(shù)。第二十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六1-3

狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖（1）狀態(tài)公理

對(duì)于簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)，只需給出兩個(gè)相互獨(dú)立狀態(tài)的參數(shù)（如p、T）便可確定它的平衡狀態(tài)。（2）狀態(tài)方程式

表示基本狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系的方程式稱為狀態(tài)方程式

。如：第二十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六（3）狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖

在以兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)的平面坐標(biāo)圖上，每一點(diǎn)都代表一個(gè)平衡狀態(tài)，而非平衡狀態(tài)無(wú)法在圖上表示。

以獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)的坐標(biāo)圖。第二十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六1-4

準(zhǔn)平衡過(guò)程和可逆過(guò)程（1）熱力過(guò)程

熱力系從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)稱為熱力過(guò)程，簡(jiǎn)稱過(guò)程。PPbPˊPPbP=Pˊ+PbP=PbP＞Pb第二十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六（2）準(zhǔn)平衡過(guò)程（quasi-equilibriumprocess）

由一系列非常接近平衡狀態(tài)的狀態(tài)所組成的過(guò)程就稱為準(zhǔn)平衡過(guò)程，也稱為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程（quasi-staticprocess）。

準(zhǔn)平衡過(guò)程的實(shí)現(xiàn)條件是：破壞平衡狀態(tài)存在的不平衡勢(shì)差（除力差外，還包括溫差、化學(xué)勢(shì)差等）應(yīng)無(wú)限小。第二十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六

準(zhǔn)平衡過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的理想化，是實(shí)際過(guò)程進(jìn)行得非常緩慢的一個(gè)極限。實(shí)際設(shè)備中所進(jìn)行的過(guò)程都是在有限勢(shì)差作用下進(jìn)行的，都是非平衡過(guò)程。但在熱力學(xué)中，為便于分析，常把實(shí)際過(guò)程當(dāng)作準(zhǔn)平衡過(guò)程來(lái)處理。這是因?yàn)橄到y(tǒng)在平衡狀態(tài)被破壞后自動(dòng)恢復(fù)平衡所需的時(shí)間，即所謂弛豫時(shí)間非常短，而過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間遠(yuǎn)大于弛豫時(shí)間，系統(tǒng)一旦偏離平衡狀態(tài)，系統(tǒng)很快重新恢復(fù)平衡狀態(tài)。因此，將某些實(shí)際設(shè)備中進(jìn)行的過(guò)程視為準(zhǔn)平衡過(guò)程是可以被允許的。如果在某些情況下這樣的處理會(huì)帶來(lái)較大的誤差時(shí)，應(yīng)引入考慮不平衡影響而進(jìn)行的修正。

在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上，準(zhǔn)平衡過(guò)程可以用連續(xù)的實(shí)線表示。pv12第二十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六（3）可逆過(guò)程（reversibleprocess）

當(dāng)系統(tǒng)完成了某一過(guò)程之后，如果系統(tǒng)能沿原路徑逆行而回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，同時(shí)外界也隨之回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，而不留下任何變化，則這一過(guò)程稱為可逆過(guò)程。第二十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六可逆過(guò)程的特征是：1）準(zhǔn)平衡過(guò)程，因?yàn)樵谟邢迍?shì)差作用下進(jìn)行的非平衡過(guò)程必然導(dǎo)致不可逆。2）在可逆過(guò)程中不應(yīng)有任何諸如摩擦、電阻、磁阻等的耗散效應(yīng)（通過(guò)摩擦、電阻、磁阻等使功變?yōu)闊岬男?yīng)稱為耗散效應(yīng)，由此造成可用功的損失稱為耗散損失）。實(shí)現(xiàn)可逆過(guò)程的的充要條件，一是過(guò)程沒(méi)有勢(shì)差（或勢(shì)差無(wú)限?。┤鐐鳠釠](méi)有溫差，作膨脹功沒(méi)有力差等，二是過(guò)程沒(méi)有耗散效應(yīng)，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)沒(méi)有摩擦，導(dǎo)電沒(méi)有電阻等。也可以說(shuō)，只有準(zhǔn)平衡過(guò)程且過(guò)程中無(wú)任何耗散效應(yīng)的過(guò)程才是可逆過(guò)程。第二十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六準(zhǔn)平衡過(guò)程與可逆過(guò)程的聯(lián)系與區(qū)別：1）兩個(gè)過(guò)程都是由一系列平衡狀態(tài)所組成，在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上都能用一條連續(xù)的曲線來(lái)表示。2）有無(wú)耗散損失

可逆過(guò)程是一切實(shí)際過(guò)程的理想化極限，實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的。引入可逆過(guò)程是一種研究方法。

可逆過(guò)程一定是準(zhǔn)平衡過(guò)程，但準(zhǔn)平衡過(guò)程則不一定是可逆過(guò)程。第二十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六引入可逆過(guò)程的概念對(duì)分析實(shí)際過(guò)程有何意義？

實(shí)際過(guò)程都或多或少地存在著各種不可逆因素，都是不可逆的。在對(duì)不可逆過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)往往是相當(dāng)困難的，為了簡(jiǎn)便起見，通常把實(shí)際過(guò)程當(dāng)作可逆過(guò)程來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算，，然后再用一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)加以修正。另外，可逆過(guò)程是一切實(shí)際過(guò)程的理想化極限模型，可逆過(guò)程進(jìn)行的結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生任何能量損失，因而可以作為實(shí)際過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換效果比較的標(biāo)準(zhǔn)和極限。第三十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六1-5功量與熱量1.功量（work）

√功的力學(xué)定義：力與沿力作用方向產(chǎn)生位移的乘積。

√功的熱力學(xué)定義：熱力系與外界間通過(guò)邊界而傳遞

的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為

舉起重物。

功是與過(guò)程性質(zhì)有關(guān)的過(guò)程量。功不是狀態(tài)參數(shù)。第三十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六國(guó)際單位制：J（焦耳）或kJ（千焦）比功：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的物質(zhì)所作的功。

單位：J/kg或kJ/kg。功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的功。

單位：W（瓦）或kW（千瓦）。1W=1J/s，1kW=1kJ/s=103W熱力學(xué)中規(guī)定：系統(tǒng)對(duì)外界作功取為正值，

外界對(duì)系統(tǒng)作功取為負(fù)值。1J=1N·m，1kJ=103J第三十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六√體積功（膨脹功或壓縮功）

工質(zhì)通過(guò)體積變化（膨脹或壓縮）所做的功。

討論可逆過(guò)程的體積功對(duì)于微元可逆過(guò)程對(duì)于可逆過(guò)程1—2若工質(zhì)質(zhì)量為mkg1kg第三十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六膨脹：dv>0,w>0壓縮：dv<

0,w<0w的大小可以p-v圖上的過(guò)程曲線下面的面積12nm1來(lái)表示，p-v圖稱為示功圖

功是過(guò)程量而不是狀態(tài)量。第三十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六

討論有用功概念其中:

W——膨脹功；

Wl——摩擦耗功；

Wp——排斥大氣功。pbf用外部參數(shù)計(jì)算不可逆過(guò)程的功?第三十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六362.

熱量與示熱圖

（1）熱量

系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱量，符號(hào)為Q，單位為J

或kJ。

單位質(zhì)量工質(zhì)所傳遞的熱量用q表示，單位為J/kg

或kJ/kg。

熱量正負(fù)的規(guī)定：系統(tǒng)吸熱：q>0

系統(tǒng)放熱：q

<0

熱量和功量都是系統(tǒng)與外界在相互作用的過(guò)程中所傳遞的能量，都是過(guò)程量而不是狀態(tài)量。

第三十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六

在可逆過(guò)程中，系統(tǒng)與外界交換的熱量與功量的計(jì)算公式具有相同的形式。

功量：熱量：

s

稱為比熵。比熵同比體積v

一樣是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。

比熵的定義式：

（可逆過(guò)程）比熵的單位為J/(kg·K)

或

kJ/(kg·K)

。第三十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六對(duì)于質(zhì)量為

m的工質(zhì)S為質(zhì)量為m

的工質(zhì)的熵，單位是J/K。

根據(jù)熵的變化判斷一個(gè)可逆過(guò)程中系統(tǒng)與外界之間熱量交換的方向：

系統(tǒng)吸熱；

，，系統(tǒng)放熱；

，，系統(tǒng)絕熱，定熵過(guò)程