1、第一章 基本概念1.1 熱能與機械能之間的轉化過程從燃料燃燒中得到熱能，以及利用熱能得到動力的一整套設備，統稱為熱能動力裝置，簡稱動力裝置，其中把熱能轉化為機械能的設備叫做熱機。動力裝置由于燃料性質、燃燒設備的不同，以及其他因素的影響，可分為蒸汽動力裝置、內然動力裝置、核動力裝置等。熱機分內燃機、汽輪機、燃氣輪機以及噴射推進式動力機等。1.1.1 蒸汽動力裝置蒸汽動力裝置的系統簡圖如圖11所示。這是由鍋爐、汽輪機、冷凝器、泵等組成的一套熱力設備。燃料在鍋爐中燃燒，使化學能轉變為熱能，鍋爐沸水管內的水吸熱后變為蒸汽，并且在過熱器內過熱，成為過熱蒸汽。此時蒸汽的溫度、壓力比外界介質(大氣)的溫度及

2、壓力高，具有作功的能力。當它被導入汽輪機后，先通過噴管，蒸汽由于膨脹，降力降低，速度增大。這樣，具有一定動能的蒸汽推動葉片，使軸轉動作功。作功后的乏汽從汽輪機進入冷凝器，被冷卻水冷卻，凝結成水，并由泵打入鍋爐內加熱。如此周而復始，鍋爐不斷產生蒸汽，汽輪機不斷作功。1爐子；2爐墻；3沸水管；4汽鍋；5過熱器；6汽輪機；7噴嘴；8葉片；9葉輪；10軸；11發電機；12冷凝器(凝汽器)；13、14及16泵；15蓄水池1.1.2核動力裝置壓水堆核電站是利用壓水反應堆釋放的熱能進行發電的一種核動力裝置，圖12為其原理流程圖。圖的左半部分(即虛線框出的部分)稱為核供汽系統(或稱一回路系統)，它是將反應堆核

3、燃料釋放的熱能送往蒸汽發生器使之產生蒸汽的裝置。現代大功率壓水堆核電站的核供汽系統一般有24個并聯環路，對稱地布置在反應堆壓力容器的四周。每一條環路都由一臺冷卻劑泵、一臺蒸汽發生器以及相應的管道閥門組成，分別與反應堆壓力容器的進口接管和出口接管連接。此外，核供汽系統還沒有一臺穩壓器，用來穩定系統的壓力。整個核供汽系統布置在一個大安全殼內，這樣一旦核供汽系統發生冷卻劑泄漏時，不致對周圍環境造成放射性污染。圖的右半部分稱為熱能電能轉換系統(或稱二回路系統)，它與常規電站的動力回路設有顯著差別。熱能電能轉換系統主要由飽和蒸汽汽輪發電機組、冷凝器、凝結水泵、低壓加熱器、給水泵、高壓加熱器、中間去濕再熱

4、裝置和相應的管道閥門組成。二回路系統不與帶放射性的物質直接接觸，因此在正常運行時，它是沒有放射性的。圖121冷卻劑；2穩壓器；3蒸汽；4高壓汽輪機；5濕汽分離器；6再熱器；7低壓汽輪機；8發電機；9冷凝器；10凝結水泵；11低壓加熱器；12給水泵；13高壓加熱器；14安全殼邊界；15冷卻劑泵；16反應堆；17蒸汽發生器1.1.3內燃機內燃機主要部分為氣缸1（圖13）及氣缸中的活塞2。當發動機工作時，活塞作往復運動，由于這一運動并借助于連桿3和曲柄4，使發動機軸5轉動，以帶動工作機器。圖13燃料和空氣的混合物在氣缸中燃燒，使燃氣的溫度和壓力大大高于周圍介質的溫度和壓力，因此這種氣體就具有作功的能

5、力。它在氣缸中膨脹，向右推動活塞(圖13)，這時氣體的能量通過曲柄連桿機構傳給飛輪6。飛輪裝在發動機的曲軸上，以使曲軸轉動均勻，并靠它所貯存的部分能量來完成活塞的逆向運動。每經過一定的時間間隔，空氣和燃料即被送入氣缸中，并在其中燃燒、膨脹，推動活塞作功。這樣，飛輪從氣體那里所得到的能量，除了部分作為帶動活塞逆向運動所需的能量外，其余部分通過各種方法傳遞給工作機或發電機，以便直接加以利用。1.2 工質、熱源、熱力系統1.2.1 工質概括地看來，無論哪一種動力裝置，總是利用某種媒介物質從某個能源獲取熱能，使它具有高能量而對機器作功，最后把余下的熱能排向大氣或冷卻水，我們把實現熱能轉化為機械能的媒介

6、物質叫做工質。例如燃氣是內燃機的工質，水和水蒸汽是蒸汽動力裝置的工質。作為工質的物質必須具有良好的膨脹性和良好的流動性。熱能動力裝置所用的工質為氣態物質，如空氣、燃氣和蒸汽。1.2.2 熱源供給工質熱能的物體叫做熱源，或稱高溫熱源；接受工質排出熱能的物體叫做冷源，或稱低溫熱源。熱能動力裝置的工作可以被概括成為工質從高溫熱源吸取熱能，將其中的一部分轉化為機械能而作功，并把余下的另一部分傳給低溫熱源的過程。1.2.3 熱力系統在分析熱力現象時，根據所研究的問題的需要，選取某一定范圍內的物體作為研究對象。這種被人為指定的作為研究對象的物體稱為熱力系統，簡稱系統。系統之外的物體稱為外界。系統與外界之間

7、的分界面叫做邊界。邊界可以是實際存在的，也要以是假想的；可以是固定的，也可以是尺寸和形狀變化的，或者是運動著的。例如當取汽輪機中的工質(蒸汽)作為熱力系統時，工質和汽缸之間存在著實際的邊界，而進口前后或出口前后的工質之間卻并無實際的邊界，此外可人為地設想一個邊界把系統中的工質和外界分隔開來 見圖1-4(a)。又如當取內燃機氣缸中的工質(燃氣)作為熱力系統時，工質和氣缸壁之間的邊界是固定不動的，但工質和活塞之間的邊界卻可以移動而不斷改變位置見圖1-4(b)。圖1-4根據熱力系統和外界之間的能量和物質交換情況，熱力系統可分為各種不同的類型。閉口系統(簡稱閉系)：系統與外界可以交換能量，但沒有物質的

8、交換。例如圖1-4(b)所示的系統。此類系統的特點是沒有物質穿過邊界，其內部的質量將恒定不變。所以，有時亦將閉口系統相應地稱為“控制質量”。開口系統(簡稱開系)：系統與外界既可以有能量的交換，又可以有物質的交換。例如圖1-4(a)所示的系統。由于有物質穿過邊界，因而這類系統內部的質量，可以保持恒定或發生變化。對于開口系統來說，邊界所規定的是系統所占有的空間范圍，因此有時亦將開口系統相應地稱為“控制容積”。簡單熱力系統：系統與外界只交換熱量和一種形式的功。熱能動力工程中最常用的工質(如燃氣、水蒸汽等)是一些可壓縮流體。由可壓縮流體組成的系統，如果與外界只有膨脹功或壓縮功的交換，則此種系統稱為簡單

9、可壓縮系統。本書中所研究的熱力系統大部分是簡單可壓縮系統。絕熱系統：系統與外界沒有熱量交換。如果某些實際的熱力系統，在某段時間內與外界的傳熱量很少，對于系統的能量平衡和能量轉換所起的作用可忽略不計，則這樣的系統可以近似地看作絕熱系統。孤立系統：系統與外界既無能量交換又無物質交換。如果某些系統與外界各方面的相互作用都很微弱，由此對系統所產生的影響可忽略不計，則這樣的系統可近似地看作孤立系統。熱力系統是我們所研究的具體對象的范圍，因而研究任何一個熱力學問題時，都必須首先明確所考慮的系統及其邊界所在。系統的選取應根據所研究問題的實際情況，并以方便解決問題為原則。系統選取的方法對研究問題的結果并無影響

10、，只是與解決問題時的繁簡程度有關。1.3 工質的熱力狀態及其基本狀態參數1.3.1 狀態及狀態參數熱力系統在某一瞬間所呈現的宏觀物理狀況稱為系統的熱力狀態，簡稱狀態。用來描述和說明系統所處狀態的一些宏觀物理量(如壓力、溫度等)則稱為狀態參數。如果系統由工質組成，則系統內工質在某瞬間所呈現的宏現物理狀況常直接稱為工質的狀態，描述工質狀態的參數就稱為工質的狀態參數。常用的狀態參數有壓力、溫度、比容、內能、焓、熵等。其中前三個參數可以直接測量，稱為基本狀態參數。其它的狀態參數可根據基本狀態參數間接計算得到。本節先介紹三個基本狀態參數。1.3.1.1壓力垂直作用在物體單位面積上的力稱為壓力(即壓強)。

11、壓力的測量一般用彈簧管式壓力計及測量微小壓力的U形管壓力計。因壓力計本身處在大氣壓力作用下，因此所測得的壓力是工質的真實壓力與大氣壓力之差，叫做表壓力。工質的真實壓力或絕對壓力和大氣壓力、表壓力的關系是：當絕對壓力大于大氣壓力見圖1-5(a)時，如工質的絕對壓力低于大氣壓力見圖1-5(b)，則式中表示測得的差數，稱為真空度，此時測量工質壓力的儀表叫做真空計。絕對壓力、表壓力、真空度和大氣壓力之間的關系，可用圖1-6說明。圖1-6作為工質狀態參數的壓力是絕對壓力。壓力的單位由力和面積所取的單位而定。在國際制中，力的單位是牛頓(N)，面積的單位是平方米，則壓力的單位是牛頓米2，稱為帕斯卡，中文代號

12、“帕”，國際代號Pa，即1Pa工程實用中，以為壓力單位常嫌大小，讀數不方便，故常取千帕(kPa)、兆帕及巴作為實用單位，它們與帕的關系為 （11）壓力的大小也可以用液柱高度表示。若液柱高度為h，則此液柱作用在底面積上的壓力為 （12）式中為液體密度，為重力加速度。對于選定的液體(通常是水或汞)，視為常數，這樣，液柱的高度與產生的壓力成正比，所以，可用液柱的高度代表壓力的大小，也就是，可以用單位高度的液柱所產生的壓力作為度量壓力的單位。常用的有毫米汞柱和毫米水柱。水的密度：（時）。由式(1-2)可得出或 在一般工程計算中，常忽略液體密度隨溫度的變化。如要求精確計算，需將在大氣溫度為時所測得的汞柱

13、高度h，按下式換算成0時的汞柱高度 （13）物理學中，將緯度海平面上的常年平均氣壓定作“標準大氣壓”或稱為“物理大氣壓”，以此作為度量壓力的一種單位。它與其它單位的換算關系如下：在工程制中，力的單位為公斤力，面積的單位為平方米，因而壓力的單位為公斤力米2。此單位在工程實用中亦嫌太小，故常取工程大氣壓作為壓力單位，即它與其它單位的換算關系為 例11從氣壓計上讀得當地大氣壓是755毫米汞柱（mmHg ），將它換算成：帕（Pa）物理大氣壓（atm）；公斤力米3（kgfm3）；工程大氣壓（at）；毫巴（mbar）。解（1） （2） （3） （4） （5） 例12若測出容器內氣體的表壓力為2.50bar

14、，當場大氣壓力同上題，問容器內氣體的絕對壓力為多少？解 1.3.1.2溫度表征物體冷熱程度的物理量稱為溫度。為了進行溫度測量，需要有溫度的數值表示法，即需要建立溫度的標尺，我們把溫度的標尺叫做溫標。國際制采用熱力學溫標為基本溫標。用這種溫標確定的溫度稱為熱力學溫度，符號為T，單位為開爾文，中文代號“開”，國際代號“K”。熱力學溫標選取水的三相點（水的固、液、汽三相平衡共存的狀態）為基本定點，并定義它的溫度為273.16K，也就是定義熱力學溫度的單位開爾文所代表的溫度間隔等于水三相點熱力學溫度的1273.16 。與熱力學溫標并用的還有熱力學攝氏溫標，簡稱攝氏溫標。它所確定的溫度稱為攝氏溫度，用t

15、表示，單位為攝氏度，代號。這種攝氏溫標與舊的攝氏溫標不同，它是由熱力學溫標導出的。攝氏溫度按以下定義式確定 （14）這就是說，規定熱力學溫度273.15K為攝氏溫度的零點（t=0）,同時也規定了兩種溫度的單位與K所代表的溫度間隔相同。因而兩種溫度只是起點不同，用K表示的溫度差也可以用表示，即。在一些資料中，還常見到華氏溫標（符號t°F）和蘭氏溫標（符號T°R）。華氏溫標與攝氏溫標的換算關系為 （15）蘭氏溫標與華氏溫標的關系為 （16）從微觀的角度看，物體的冷熱程度取決于物體內部微粒運動的狀況。按分子運動理論，氣體的熱力學溫度與氣體分子的平均移動動能成正比。因此，如果氣體分

16、子的熱運動越劇烈，分子的平均移動動能越大，氣體的溫度也越高。可見，溫度標志著物體內部分子無規則熱運動的劇烈程度。1.3.1.3 比容單位質量的工質所占有的容積稱為比容，用符號表示。如果系統內工質的質量為mkg，所占有的容積為Vm3則比容為 （17）單位容積內工質的質量稱為密度，以符號表示。若質量為mkg的工質占有的容積為Vm3,則它的密度為 （18）顯然，比容與密度互為倒數，即或1.3.2平衡狀態熱力系統可能以各種不同的狀態存在，但不是任何情況下，系統的狀態都可以用確定的狀態參數來描述。例如，當系統內各部分工質的壓力、溫度不一致時，就無法用統一的狀態參數描述整個系統內全部工質的狀態，這種狀態稱

17、為不平衡狀態。處于不平衡狀態下的系統，由于各部分之間存在傳熱與相對位移，它的狀態必將隨時間而改變。如果沒有外界影響，隨著時間的推移，各部分之間的傳熱與位移必將逐漸減弱，最終系統各部分之間不再有熱量的傳遞，即系統達到了熱的平衡；各部分之間也不再有相對位移，即系統達到了力的平衡。當系統達到了熱與力的平衡后，若不受外界的影響，它的狀態不會自發地改變。如果系統內還存在化學反應，則尚應包括化學平衡。熱力學中定義：在沒有外界影響的條件下，如果系統的狀態不隨時間而改變，則系統所處的這種狀態稱為平衡狀態。由此可見，只有在系統內或系統與外界之間一切不平衡的作用都不存時，系統的一切宏觀變化方可停止，此時熱力系統所

18、處的狀態才是平衡狀態。需要注意的是，平衡熱力系統（狀態參數不隨時間而變）不同于均勻熱力系統（系統內各處一切狀態參數都是均勻的）。例如，密閉容器內水和蒸汽兩相平衡共存時，為平衡熱力系統。這里，水和蒸汽的壓力、溫度相同，但它們的比容不同，因而不是均勻熱力系統。反之，不平衡熱力系統則必定是不均勻熱力系統。由氣態工質組成的熱力系統，當它達到平衡狀態時，各部分具有相同的壓力、溫度和比容，即可將它作為均勻熱力系統處理。實際上，并不存在完全不受外界影響，狀態參數絕對保持不變的系統。因而，平衡狀態只是一個理想的概念。但在許多情況下，系統的實際狀態偏離平衡狀態并不遠，可將它作為平衡狀態處理，使分析計算大為簡化。

19、1.3.3狀態公理描述系統特性的參數有許多，它們之間有內在的聯系，當某些參數確定后，系統平衡狀態便完全確定，所有其它狀態參數也隨之有確定的值。那么，確定系統平衡狀態的獨立參數究竟需要幾個呢？實踐經驗表明，對于純物質系統，與外界發生任何一種形式的能量傳遞都會引起系統狀態的變化，且各種能量傳遞形式可單獨進行也可同時進行，于是歸納出一條狀態公理。即確定純物質系統平衡狀態的獨立參數n+1 （19）式中n表示傳遞可逆功的形式，而加1表示能量傳遞中的熱量傳遞。例如，對除熱量傳遞外只有膨脹功（容積功）傳遞的簡單可壓縮系統，n=1，于是確定系統平衡狀態的獨立參數為112。所有狀態參數都可表示為任意兩個獨立參數

20、的函數。1.3.4狀態方程根據狀態公理，純物質簡單可壓縮系統的三個基本狀態參有如下函數關系：以上三式建立了溫度、壓力、比容這三個基本狀態參數之間的函數關系，稱為狀態方程。它們也可合并為如下的隱函數形式1.3.5 坐標圖既然簡單可壓縮系統的平衡狀態可由任意兩個獨立參數確定，因此，人們常采用由兩個參數構成的平面坐標系來描述工質的狀態和分析狀態的變化過程，如圖17所示的圖，稱為坐標圖。圖中每一個點代表一個確定的平衡狀態。顯然，不平衡狀態沒有確定的狀態參數，不能在坐標圖上表示。圖171.36狀態參數的特性狀態參數是狀態的單值函數，只要系統內工質的狀態一經確定，則該狀態所對應的所有狀態參數的值都隨之而定

21、了。也就是說，狀態參數的值只取決于狀態，而與達到此狀態時所經歷的變化途徑無關。因此，確定狀態參數的函數為點函數。由此不難推論，狀態參數具有以下數學特性：當系統內工質由初狀態1變化到終狀態2時，任意一個狀態參數（x）的變化量等于在初、終狀態下該狀態參數的差值，而與如何從初態過渡到終態所經歷的途徑無關，即 （110）當系統內工質經歷一系列狀態變化而又回復到初始狀態時，其狀態參數的變化為零，即 （111）既然，狀態參數是與變化的路線無關的點函數，那么它們的微分為全微分。反之，如果某物理量具有上述數學特性，則該物理量也一定為狀態參數。狀態參數按其數值是否與系統內工質的質量有關，可分為兩類：凡與工質的質

22、量多少無關的參數，如壓力、溫度等，稱為強度參數。這類參數不具有可加性。例如，kg工質的壓力為1bar,2kg同狀態的同種工質的壓力并不等于2×1bar。凡與工質的質量有關的參數，如容積、內能、焓等，稱為廣度參數。這類參數具有可加性，在系統中它的總量等于它在系統各部分中分量之和。例如，總容積為各部分容積之和，或mkg工質的容積為1kg工質容積的m倍。單位質量的廣度參數，具有強度參數的性質。如果系統內物質的狀態參數均勻一致，那么，系統的廣度參數除以系統的總質量，即可得到強度參數。例如，對于容積為、質量為m的系統，比容即為強度參數。如果系統內各部分狀態不均勻，則廣度參數對質量的微商為強度參

23、數。例如，廣度參數對m的微商（某一點處的比容）為強度參數。1.4 工質的狀態變化過程1.4.1 準平衡過程熱力系統從一個狀態連續地變化到另一個狀態，它所經歷的全部狀態的總合稱為熱力過程，簡稱過程。熱能和機械能的相互轉化必需通過工質的狀態變化過程才能完成。工質在熱力設備中不斷進行吸熱、膨脹、壓縮等過程，使熱能不斷地轉化為機械能而作功。在實際設備中進行的這些過程都是很復雜的。首先，一切過程都是平衡被破壞的結果，系統與外界有了熱和力的不平衡才促使系統向新的狀態變化，故實際過程都是不平衡的。若系統在平衡被破壞后能自動回復平衡，且回復所需的時間，即所謂弛豫時間又很短，又若過程進行得十分緩慢，則在過程中系

24、統有足夠的時間來恢復平衡，隨時都不遠離平衡狀態，即過程中系統所經歷的一系列狀態都無限接近于平衡狀態，這種過程稱為準平衡過程。由此可見，系統在壓差作用下實現準平衡過程的條件是：系統和外界之間的壓差為無限小，即或 其中為系統的壓力，為外界壓力。系統在溫差作用下實現準平衡過程的條件是：系統和外界之間的溫差為無限小，即或 其中為系統的溫度，為外界溫度。在準平衡過程中，系統所經歷的各狀態對平衡狀態的偏離為無限小，因而，可看作平衡狀態。對于準平衡過程，可以應用狀態參數進行分析計算。在狀態參數坐標圖上，準平衡過程用連續的實線表示，如圖-中的曲線1-2。而不平衡過程，由于它所經歷的不平衡狀態沒有確定的狀態參數

25、，因而不能表示在狀態參數坐標圖上。有時僅為了對比，在狀態參數坐標圖上，采用連接始末狀態點的虛線予以示意，如圖中虛線。但虛線上的點并不真正代表過程中間的狀態。圖1-8實際過程都是在有限的速度下進行的。嚴格地說，實際過程都是不平衡過程。但在適當條件下(取決于過程進行的速度與馳豫時間的長短)，可以近似地視為準平衡過程。例如，活塞式機械中，活塞移動的速度一般不超過10m/s，而氣體內部壓力波的傳播速度通常可達每秒幾百米。所以，對于這類機器中的氣體熱力過程，可以按照準平衡過程來研究。1.42可逆過程和不可逆過程圖所示的裝置中，取氣缸中的工質作為系統。工質向熱源吸熱，并膨脹作功。從狀態開始，工質經歷一準平

26、衡過程。假設機器是沒有摩擦損失的理想機器，因此，過程中工質所作的功全部用來推動飛輪，以動能的形式儲存于飛輪中。當工質到達狀態后，如果利用飛輪的動能推動活塞逆行，使工質沿原過程線逆向進行一準平衡的壓縮過程。由于正向、逆向過程中都沒有機械摩擦損失和工質內部的摩擦損失，因而壓縮過程所需要的功與原來膨脹過程所產生的功相等。此外，工質被壓縮的同時向熱源放熱，放熱量與膨脹時吸收的熱量相等。這樣，當工質回復到狀態時，機器與熱源也都回復到了原來的狀態。也就是說，過程中所涉及的一切恢復了原狀。上述準平衡過程所具有的這種特性稱為可逆性。圖1-9反之，如果過程是不平衡的，則由于工質內部的熱和力的不平衡，將引起各部分

27、工質間的相對移動而導致摩擦，使膨脹過程輸出的功減少，并使得將工質壓回原狀態所需的功增大。這樣，膨脹過程中儲存在飛輪中的機械能將不足以使工質從狀態壓回狀態，即工質恢復不了原狀。此外，由于系統內外熱的不平衡，工質吸熱時，熱源的溫度比工質的溫度高出一個有限(而不是無限小)值，當過程逆行時，溫度較低的工質，不可能將膨脹過程中吸收的熱量交還給熱源，因此，工質與熱源都不能恢復原狀。顯然，不平衡過程不具備可逆的特性。熱力學中，對于具有可逆特必性的過程，給予一個專門的名稱叫做可逆過程。其定義如下：當系統完成某一過程后，如果令過程逆向進行而能使過程中所涉及的一切(系統及外界)都回復到原始狀態，不留下變化，則此過

28、程稱為可逆過程。綜上所述，進行可逆過程需要滿足下述條件：過程進行中，系統內部、系統與外界之間以及過程所涉及到的外界各物體之間，熱與力的不平衡應為無限小。如果過程中存在相變和化學反應，則還應滿足相平衡及化學平衡的條件。過程中不存在耗散效應。所謂耗散效應是指由于摩擦、非彈性變形、電流流經電阻等使功不可逆地轉變為熱的現象。可見，可逆過程首先必須是平衡過程，同時在過程中不應包含任何耗散效應。反之，如果不符合上述兩個條件，過程就不具備可逆的特性，即為不可逆過程。凡是導致過程成為不可逆過程的因素(如摩擦、熱與力的不平衡等)，稱為不可逆因素。顯然，對于可逆過程，整個過程中系統以及與系統相互作用的外界都不存在不可逆因素。研究熱力過程就是要盡量設法減少不可逆因素，使其盡可能地接近可逆過程，可逆過程是一切實際過程的理想極限，是一切熱力設備力求接近的目標。研究可逆過程在理論上具有十分重要的意義。1.4.3可逆過程的功下面我們研究氣體工質在可逆過程中所作的功。設有m千克氣體工質在氣缸中作可逆膨脹，其變化過程由圖1-10中連續曲線1-2表示。由于膨脹是可逆的，所以工質的壓力與外界壓力隨時相等，外力就可以用系統內部狀態參數來表示，即圖