0-1熱能動力工程的重要地位人類社會的發(fā)展是和社會生產力的發(fā)展密切相關的，而社會生產力的一個重要組成部分就是為生產過程提供原動力的動力工程。動力工程不僅應該提供數量上足夠的原動力，而且所提供的原動力裝置應該功率大、重量輕、體積小。只有當原動力工程能充分滿足生產需要時，社會生產才能得到迅速的發(fā)展，從而推動熱能動力工程是利用熱能轉化成為機械能而獲得生產所需原動力的。它最初出現于18世紀，當時生產規(guī)模已日趨擴大，所用機械也日益增多，而所用的原動力還停留在人力、畜力等原始水平，嚴重地阻礙了生產的發(fā)展。在生產發(fā)展的強烈推動下，1784年瓦特制成了一種通用的蒸汽機，為生產提供了一種強有力的動力裝置，開始了熱能動力工程的新紀元。蒸汽機的廣泛應用推動了生產飛速發(fā)展，從而掀起了歷史上著名的“工業(yè)革命”，徹底改變了原來自然經濟的小生產方式，奠定了工業(yè)化生產的牢固的在現代社會生產中，熱能動力工程的地位是極為重要的。今天，工農業(yè)各部門及人民生活所消耗的電力絕大部分是由熱能動力的發(fā)電廠所生產的電能提供的；各生產部門中直接用于驅動機械設備的原動機幾乎全部是汽輪機、內燃機、燃氣輪機等熱能動力裝置；在人類征服宇宙空間的偉大斗爭中，也正是熱能動力家族中的一員——強大的火箭發(fā)動機建立了功勛?？傊瑢τ诂F代的社會生產的發(fā)展，熱能動力工程起著十分重要的保證作隨著社會生產的發(fā)展，熱能動力工程本身也在進步，特別是面對未來生產發(fā)展對原動力需要迅速增加的趨勢，熱能動力工程正在積極地向采用原子能和太陽能等新能源的方向努力前進。從20世紀50年代起，人們就開始研究利用原子核反應產生的巨大熱能作為熱能動力裝置的能源，并且已經取得了很大的成就。現在，利用濃縮的鈾235發(fā)生核反應所產生的能量為能源的核電廠，已經在許多地方建立起來和正式發(fā)電。我國已經掌握了設計、制造、運行核電廠的技術。由于熱核反應可產生更巨大的能量，特別是熱核反應物質氘的儲量極大，可在相當長的時期內為熱能動力工程提供穩(wěn)定的能源，因此人們特別重視熱核反在地球表面上，按太陽光垂直照射的面積計算，在每平方米面積上太陽能提供的功率可達數百瓦至一千瓦左右。太陽能幾乎是一個永遠不會枯竭的能源，而且太陽能到處可取又無任何污染。因此，長期以來人們對太陽能利用進行了許多研究工作，現在已經建立了幾個以太陽能為能源的試驗性熱能動力裝置?？梢灶A見，隨著社會生產的發(fā)展，熱能動力工程必將不斷趨于完善并在新的0-2能量轉換裝置工作過程簡單介紹本節(jié)將簡單介紹蒸汽動力裝置、內燃機、燃氣輪機汽壓縮制冷裝置的工作過程，以便后面各章討論這些裝置中能量蒸汽動力裝置是最早得到應用的一種熱能動力裝置。由于它可以燃用固體燃料，甚至燃用廉價的劣質燃料，又可以制成功率很大的機組(例如：其鍋爐每小時可生產數百噸甚至上千噸的高溫高壓水蒸氣，其汽輪機的單機功率可達數十千瓦甚至上千兆瓦)，因此蒸汽動力裝置現在仍然是一種極重要的動力設備，特別是在大型固定式動力設備方面。它主要用作熱力發(fā)電廠的動力圖0-1為簡單蒸汽動力裝置的示意圖。它由鍋爐、汽輪機、冷凝器及給水泵四部分組成。水蒸氣是蒸汽動力裝置的工作物質，稱為工質。鍋爐是水蒸氣的發(fā)生器。鍋爐產生的高溫高壓的過熱蒸汽首先送入蒸汽輪機作功。在汽輪機中(如圖0-2所示)，使汽輪機輸出機械功，驅動發(fā)電機發(fā)電。從汽輪機排出的乏汽被其體積驟降為原體積的萬分之一左右，因而在冷凝器中及汽輪機脹，從而能推動渦輪作出更多的機械功。從冷凝器出來的冷凝水經給水泵加壓后重新送回鍋爐，受熱產生蒸汽。在鍋爐中，供燃料燃燒用的空氣從大氣吸入后，先在鍋爐的空氣預熱器中受熱提高溫度，然后送入爐膛和燃料混合并進行燃燒，把燃料的化學能轉變成熱能，產生高溫的煙氣。及水冷壁等蒸發(fā)受熱面，受熱汽化而產生水蒸氣，再進一步在過熱器中繼續(xù)受熱升高溫度成為過熱水蒸氣。于是，過熱水蒸氣又輕、體積小、使用方便、熱效率高，因而得到廣泛的應用，特別是在交通運輸工具和移動式中小型機械上都應用內燃機作為動力設備?，F代用于船舶、機車及發(fā)電的大型內燃機的單機功率已達圖0-3為柴油機的示意圖。其工作過程分為吸氣、壓縮、燃燒、膨脹及排氣幾個階段。吸氣開始時進氣閥打開，排氣門關閉，活塞向下運動把空氣吸入氣缸。活塞到達下死點，即活塞位移的最低點時，進氣閥關閉，吸氣過程結束。然后關閉進氣閥，活塞向上運動壓縮氣缸內的空氣，而使空氣的壓力和溫度不斷增高。當活塞運動到接近上死點，即活塞位移最高點時，噴油嘴適時地把適量柴油噴入氣缸。由于這時氣缸中的溫度已超過柴油的自燃溫度，因而當活塞到達上死點時，柴油正好開始猛烈燃燒。燃燒過程進行得很快，當活塞稍微離開上死點時，燃燒過程已結束。接著燃燒產生的高溫高壓燃氣發(fā)生膨脹，推動活塞向下運動并輸出機械功?；钊竭_下死點時排氣閥打開。因氣缸內氣體的溫度和壓力還比較高，故當排氣閥打開時立即有一部分氣體沖出氣缸排入大氣，使氣缸壓力降至大氣壓力。接著，在活塞向上運動時氣缸內剩余的氣體被活塞排出氣缸至大氣中，直到活塞到達上死點時排氣完畢。當活塞再一次自上死點向下運動時又重新吸汽油機的工作過程基本上和柴油機差不多。對汽化器式或進氣道燃油噴射式汽油機，汽油預先在化油器內或進氣道內霧化并和空氣混合成可燃氣體，在吸氣過程中一起被吸入氣缸。在壓縮終了活塞接近上死點時，混合氣體的溫度仍低于其自燃溫度，必須用電火花點燃后才開始燃燒過程。其他過程則和上述柴油機的燃氣輪機裝置是20世紀40年代后才得到迅速發(fā)展的熱能動力裝置。由于它是輪機式機械，具有轉速高及工質流量大的優(yōu)點，因此燃氣輪機裝置每單位功率的機體重量及體積都比內燃機正是這些因素使得它首先在航空上得到應用，燃氣輪機裝置和噴氣技術相結合而成的航空用渦輪噴氣發(fā)動機，已成為航空發(fā)動機最主要的型式。此外，燃氣輪機也常用作艦船動力設備及發(fā)電裝圖0-4為燃氣輪機裝置的示意圖。它由壓氣機、燃燒室及渦輪機三部分組成。它由大氣吸入空氣后，在軸流式或離心式壓氣機中對空氣進行增壓，提高空氣的壓力及溫度。經增壓后的空氣送至燃燒室，一部分空氣供噴入燃燒室的燃料進行燃燒用，另一部分空氣則用于和燃燒生成的高溫燃氣混合，以降低燃氣的溫度，使進入渦輪機的燃氣溫度和渦輪葉片允許的最高溫度相適合。當燃氣進入渦輪機后，先在噴管中提高過渦輪的葉片，推動渦輪轉動并輸出機械功，其工作過程與汽輪制冷就是以消耗機械功或其它能量為代價，使物體獲得低于廣泛。由于制冷實際上也是熱能和其它能量間進行轉換，故也屬蒸氣壓縮制冷裝置是常用的一種制冷裝置。圖0-5為蒸氣壓縮制冷裝置的示意圖。高壓常溫的液體工質先通過節(jié)流閥節(jié)流降壓，使溫度降低到所需的低溫。然后把低溫的液體工質送入庫的蒸發(fā)器中，便可從冷藏庫內其它物體吸熱而使這些物體處于低溫。當低溫的液體工質吸熱后，便汽化成為低壓的蒸氣。于是再送入壓氣機壓縮提高壓力，經冷凝器冷卻降溫，重新得到高壓綜合上面所述各種熱能動力裝置的工作過程可知：為實現熱能轉換為機械能，總是利用工質吸收燃料燃燒產生的熱能，使工質體積膨脹推動機器而作機械功，但為了連續(xù)地實現這種能量轉換，必須接著使工質向環(huán)境放熱或排出廢氣，以便重新開始新的從上述蒸氣壓縮制冷裝置的工作過程可以看到：通過降程可使常溫的工質達到所需的低溫，并用來制冷。但為了連續(xù)地實現制冷，必須消耗機械功壓縮工質提高其壓力，然后經過冷卻，即向環(huán)境放熱而使工質恢復高壓常溫的狀態(tài)，以便重新通過為了合理地設計各種能量轉換的設備，必須掌能轉換的規(guī)律，以及掌握能量轉換過程的分析方法，這些正是工0-3工程熱力學的研究對象及研究方法熱力學也稱經典熱力學，是研究熱能的性質以及熱能和其它雖然人類很早就在生產和生活中利用了各種熱現象，但直到19世紀中下葉才認識熱的本質并相繼確立熱力學第一定律和熱力學第二定律。以無數實踐經驗為基礎而總結得到的這兩條基本定律，是整個熱力學理論的基礎。以熱力學兩條定律為基本依據，經過研究又得到了各種熱現象的具體規(guī)律，從而形成了一門完整的學科——熱力學。它涉及的范圍包括物理、化學及工程等熱力學采用宏觀的研究方法，即完全從直接觀察的宏觀現象出發(fā)描述客觀規(guī)律。這種方法，首先把物質看成連續(xù)的整體，采用一些宏觀物理量來描述物質所處的狀況，并通過實驗找出所研究現象中的一些可測定的物理量的變化關系。由于可測定的物理量是有限的，實驗所得的關系也往往是不全面的，因此還必須根據熱力學基本定律導出各宏觀物理量之間固有的內在關系。把這些普遍關系和實驗結果相結合，便可求得所研究現象中各種物理研究熱現象的微觀理論稱為統(tǒng)計熱力學，它應用力學的規(guī)律來研究單個分子的運動，然后用統(tǒng)計方法來說明大量分子紊亂運動的統(tǒng)計平均性質，從而找出宏觀熱現象所服從的基本規(guī)律。因此，統(tǒng)計熱力學能夠從物質內部分子運動的微觀機理更好地說明宏觀熱現象的物理實質。但它的分析過程較為復雜、抽象，不像工程熱力學是熱力學的一個分支，它著重研究與熱能工程有關的熱能和機械能相互轉換的規(guī)律。它在闡明熱力學兩條基本定律的基礎上，著重應用這兩個定律分析熱能工程中有關的各種熱力過程及熱力循環(huán)，從理論上研究提高熱能和機械能轉換有效程度的途徑。此外，能量轉換過程所用工質的熱力性質，也是工程熱力學研究的重要內容之一。工程熱力學的研究范圍還擴大到了諸如燃燒現象等包括化學反應的熱現象即化學熱力學的領域。工程熱力學主要采用宏觀的研究方法，但在必要時為了更好地說明現象的物理實質，也適當引用物質分子運動的微觀概念及工程熱力學是熱能工程的基礎理論之一。它既是熱能工程各專業(yè)學科的基礎，又是對熱能工程問題進行熱力學分析所必需的理論知識。對于每個學習熱能工程的學生及從事熱能工程工作的人員，只有很好地掌握工程熱力學的基本理論并具備進行熱力

在分析能量轉換過程時，按照熱力學的宏觀方法根據轉換過程中有關物質的狀態(tài)變化特點來確定能量轉換的規(guī)基本的概念及定義，以及從熱力學觀點重新認識概念。凝結成水。這個過程中，實現熱能和機械能轉換的工質是水蒸①對于本章中學生已熟悉的內容，教學時可根據具體情況適當取舍。為外界。在進行熱力學分析時，對于熱力學系統(tǒng)在能量轉換過程中的行為及變化規(guī)律，要作詳細分析，而對于外界一般只籠統(tǒng)地考察它們和熱力學系統(tǒng)間相互作用時所傳遞的各種能量與質量。熱力學系統(tǒng)和外界之間的分界面稱為邊界。根據具體問題，邊界可以是實際的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移動的。當熱力學系統(tǒng)和外界間發(fā)生相互作用時，必然有能量和質量穿越邊界，因而可以在邊界上判定熱力學系統(tǒng)和外界間傳遞能量和質量的形式及數量。實際上，也只有在邊界上才能判定系統(tǒng)和外界間是否有能量和質量的交換。由于熱力設備是通過工質狀態(tài)變化而實現能量轉換的，且其變化規(guī)律決定了過程的特點，故在分析熱力設備的工作時經常取工質作為熱力學系統(tǒng)，而把高溫熱源、低溫熱源等其他物體取作外界。熱力學系統(tǒng)按其和外界是否發(fā)生物質交換可分為閉口系統(tǒng)及開口系統(tǒng)。若一個熱力學系統(tǒng)和外界不發(fā)生物質交換，就稱為閉口系統(tǒng)。如圖1~1所示，工質在氣缸中受熱膨脹而推動活塞及重物作功。這時若取工質為一個熱力學系統(tǒng)，而取活塞、重物及熱源為外界，則當系統(tǒng)膨脹對外界作功時，系統(tǒng)的邊界隨活塞一起移動，沒有任何物質穿越邊界進入或離開系統(tǒng)，因而這個熱力學系統(tǒng)為閉口系統(tǒng)。閉口系統(tǒng)中包含的物質是固定的，故也稱閉口系統(tǒng)為控制質量。若一個熱力學系統(tǒng)和外界間有物質交換，就稱為開口系統(tǒng)。門熱源如圖1-2所示，有一臺渦輪機，工質不斷從進口流入，在其中膨脹推動葉輪旋轉對外界作功，然后從出口流出。這時若取渦輪機外殼及進、出口截面(假想邊界)所包圍空間中的工質為一個熱力學系統(tǒng)，則因系統(tǒng)和外界間不斷通過進口和出口處的邊界交換物質，故這個系統(tǒng)為開口系統(tǒng)。開口系統(tǒng)中的物質的量是可以改變的。由于開口系統(tǒng)所占據的空間是固定的，故也稱開口系統(tǒng)為控若一個熱力學系統(tǒng)和外界間既無能量交換又無質量交換，則稱為孤立系統(tǒng)。例如把進行能量交換的一切有關物質如工質、高溫熱源、低溫熱源、耗功設備等一起取作一個熱力學系統(tǒng)，則由于該系統(tǒng)和外界不發(fā)生任何能量和質量的交換，因此它就是一個熱力學系統(tǒng)的選取，取決于分析問題的需要及分析方法上的方便。例如對圖0-3所示活塞式內燃機的熱力分析，常取氣缸內部的氣體作為研究對象，即熱力學系統(tǒng)。內燃機工作時，其氣缸內的工質有流進、流出，應作為開口系統(tǒng)進行分析。但內燃機的主要熱功轉換過程是在其進氣門、排氣門均關閉的條件下進行的，因而在適當簡化的條件下也可將其作為閉口系統(tǒng)來研究。在實現能量轉換的過程中，系統(tǒng)本身的狀況總是在不斷地發(fā)生變化。為了描述系統(tǒng)的變化，就需要說明變化過程中系統(tǒng)所經歷的每一步的宏觀狀況。熱力學中把熱力學系統(tǒng)所處的宏觀狀況稱為系統(tǒng)的熱力學狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。系統(tǒng)的狀態(tài)常用一些物理量來描述，這種物理量稱為狀態(tài)參數。最基本的狀態(tài)參數有3個，即溫度、壓力和比體積(以前稱為比容),稱為基本狀態(tài)參數。它們都是可以測量的物理量。由狀態(tài)參數的定義可知：對應于某個給定的狀態(tài)，所有狀態(tài)參數都應有各自確定的數值，反之一組數值確定的狀態(tài)參數可以確定一個狀態(tài)；狀態(tài)參數的數值僅決定于系統(tǒng)的狀態(tài)，而與達到該狀態(tài)所經歷的途徑無關。例如系統(tǒng)由某個狀態(tài)1變化到另一個狀態(tài)2,不管經過什么途徑，其壓力變化總相應地，微元變化時壓力的微增量dp具有全微分的性質，即有下面逐個介紹比體積、壓力和溫度這3個基本狀態(tài)參數的含一、比體積比體積是描述熱力學系統(tǒng)內部物質分布狀況的狀態(tài)參數。它表明單位質量物質所占有的體積，其符號為v,單位為m3/kg。按單位體積物質的質量稱為密度，符號為p,單位為kg/m3。由定義可知，密度和比體積互為倒數，即有二、壓力(壓強)壓力是描述流體物質組成的熱力學系統(tǒng)內部力學狀況的狀態(tài)參數。流體的壓力，也稱壓強，是流體在單位面積上的垂直作用力，符號為p。根據力學原理，若作用于物體上的各力所組成的力系平衡，則物體的運動狀況保持不變。熱力學中稱該物體處于力平衡狀態(tài)。對于氣態(tài)物質組成的熱力學系統(tǒng)，重力場及電磁力場的作用通?？梢院雎圆挥?，因而當氣體內各處的壓力相同時熱力學系統(tǒng)內部就處于力平衡的狀態(tài)。壓力也稱絕對壓力。工業(yè)上，壓力容器的受力情況主要取決于其中流體的絕對壓力和環(huán)境大氣壓力的差值，故采用這個差值作為設備工作壓力的指標，測壓表(計)測量的也是這個差值。通常，把流體壓力高出大氣壓力的差值稱為表壓，以符號Pe表示。若大氣壓力為Pb,則這時流體的絕對壓力為流體壓力低于大氣壓力的差值稱為真空度，以符號p、表示，則流體的絕對壓力為表壓、真空度和絕對壓力間的上述關系如圖1-3所示。根據上述關系，即使流體的絕對壓力不變，由于大氣壓力的變化，表壓或真空度也會發(fā)生變化。因此，只有流體的絕對壓力才能作為描述p=p+p.pp=pe-pp=0-T丸T丸十上流體狀態(tài)的狀態(tài)參數。壓力的單位為Pa(帕),因其單位量值較小，工程上常用MPa(兆帕)作壓力的單位，并有此外，曾經得到廣泛應用、目前仍能見到的其他壓力單位還mmH?O(毫米水柱，4℃)等。書后的附表10給出了各種壓力單位的換算關系。 1-2熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)及基本狀態(tài)參數·15·三、溫度熱程度。則只要不改變它們各自的狀態(tài)，使A、B兩物體相接觸，可以看度，以T來表示，單位為K(開)。國際上規(guī)定采用水的三相點溫氏溫度的定義式為即0℃相當于273.15K,而0K相當于-273.15℃。工程上，為了簡化，有時采用以下的近似計算式：室溫為25℃,試求這時的大氣壓力，并采用下列各單位表示：hoc=758.3mmHg×(1-0.000172×25)=7P?=755mmHg×133.32Pa/mmHg=1.1-3平衡狀態(tài)和狀態(tài)參數坐標圖熱力學分析中所涉及的熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)，通常都要求是熱力學平衡狀態(tài)，簡稱平衡狀態(tài)。如果熱力學系統(tǒng)內同時存在熱平衡、力平衡，對于有化學反應的系統(tǒng)還同時存在化學平衡，則熱力學系統(tǒng)所處的狀態(tài)就稱為熱力學平衡狀態(tài)。當系統(tǒng)中存在各種平衡條件時，只要沒有外界影響，系統(tǒng)的狀態(tài)就不會發(fā)生變化。因而，在不受外界影響的條件下，如果系統(tǒng)的狀態(tài)不隨時間而變化，則系統(tǒng)就處于平衡狀態(tài)。一個處于熱力學平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，由于其內部存在熱平衡， 故系統(tǒng)內一定具有均勻一致的溫度。又由于其內部存在力平衡，故系統(tǒng)內具有確定不變的壓力分布，而對于氣態(tài)物質組成的熱力學系統(tǒng)，因重力場及電磁力場的作用通常可忽略不計，故系統(tǒng)內具有均勻一致的壓力。工程上常見的系統(tǒng)大都是氣態(tài)物質組成的系統(tǒng)，于是整個系統(tǒng)可用一組具有確定數值的溫度、壓力及其他參數來描述其狀態(tài)。本書后面所討論的大部分系統(tǒng)都屬于這類系在平衡狀態(tài)下，表示系統(tǒng)狀態(tài)的各狀態(tài)參數，并不是都可以單獨地自由確定其數值的。經驗表明：系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)變化到另一個平衡狀態(tài)，完全取決于系統(tǒng)和外界間的能量傳遞。因各種能量傳遞的方式都是獨立進行的，故而確定熱力學系統(tǒng)所處平衡狀態(tài)所需的獨立狀態(tài)參數的數目，就等于系統(tǒng)和外界間進行能量傳遞方式的數目。對于工程上常見的氣態(tài)物質組成的系統(tǒng)，當沒有化學反應時，它和外界間傳遞的能量只限于熱量和系統(tǒng)容積變化所作的功兩種，因此只有兩個獨立的狀態(tài)參數。也就是說，只要確定兩個獨立狀態(tài)參數的數值，其他參數的值也就隨之確應用兩個獨立狀態(tài)參數可以組成狀態(tài)參數坐標圖，如圖1-4所示的壓力-比體積坐標圖，簡稱壓容圖或p-v圖。對于只要兩個獨立狀態(tài)參數就可確定其狀態(tài)的系統(tǒng)來說，即可代表系統(tǒng)的一個平衡狀態(tài)，而點2(P?,V?)則代表另一個平衡如果熱力學系統(tǒng)內部不存在熱平衡或力平衡等各種平衡條件，則系統(tǒng)內各部分會自發(fā)地發(fā)生熱的相互作用或力的相互作用，使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，并趨于平衡狀態(tài)。當系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài)時，其狀態(tài)難以用簡單的數值表示，也無法在狀態(tài)參數坐標在平衡狀態(tài)下，由氣態(tài)物質組成的系統(tǒng)，只要知道兩個獨立的狀態(tài)參數，系統(tǒng)的狀態(tài)就完全確定，即所有的狀態(tài)參數的數值完全確定。這說明，狀態(tài)參數之間存在著確定的函數關系。狀態(tài)參數之間的各種函數關系，統(tǒng)稱為熱力學函數。其中溫度、壓力和比體積三個基本狀態(tài)參數間的函數關系式是最基本的關系式，稱為狀態(tài)方程式，并可表示為或寫成對某一狀態(tài)參數的顯函數形式：理想氣體狀態(tài)方程式，或稱克拉貝龍方程式，是大家所熟悉的一個狀態(tài)方程式。它由波義耳-馬略特定律、蓋呂薩克定律等實驗定律導得。對1mol的理想氣體有pVm=RT(1-7)式中：Vm為1mol理想氣體所占有的容積，稱為摩爾體積，m3/mol;R稱為摩爾氣體常數。根據阿伏加德羅定律可推得：在同溫同壓下，任何理想氣體的摩爾體積都相同。于是由式(1-7)可知，對于任何理想氣體，其R的數值相同。根據物理標準狀態(tài)，即po=101325Pa及T?=273.15K,并利用該狀態(tài)下理想氣體摩爾體積的數值Vmo=22.4141×10-3m3/mol,由式(1-7)可以求得摩爾氣體常數的值為①“mol”是“物質的量”的單位。熱力學中把含有的分子數與0.012kg碳12的原子數(即阿伏加德羅常數6.0228×10?)相等時氣體的量定義為1mol,物質的量的定1mol理想氣體的質量稱為摩爾質量，以M表示，其單位為kg/mol。由摩爾的定義可知，1kmol氣體的質量的數值等于各種氣體的相對分子質量M,。若以M除式(1-7)等號兩側，則可得適用于1kg理想氣體的狀態(tài)方程式式中，Rg=R/M稱為氣體常數。因摩爾質量M隨氣體種類而異，故氣體常數Rg的數值和氣體的種類有關。本書附錄中的附表1列有各種常用氣體的氣體常數Rg的數值。對于物質的量為n(單位為mol)的理想氣體，由式(1-pV=nRT(1-10)pV=mRT(1-11)理想氣體狀態(tài)方程式，反映出了在平衡狀態(tài)下氣體的溫度、壓力及比體積間的基本關系，其形式簡單，便于實用計算，特別是式(1-7)及式(1-10)不包含與氣體種類有關的量，因而在熱力學的分析及計算中非常有用。完全遵守理想氣體狀態(tài)方程式的氣體才可稱做理想氣體。根據分子運動學說，這種氣體的分子是本身不占有體積的完全彈性的質點，且分子間沒有內聚力。由此可見，理想氣體僅是一種理想的模型。實際上，當壓力比較低或溫度比較高①,使氣體的比體積變得比較大，而相應的分子本身的體積和分子間內聚力的影響比較小時，氣體的狀態(tài)參數之間的關系就基本上符合理想氣體狀態(tài)方程式。歷史上就是根據對這種情況下各類氣體所作的大量實驗，建立了波義耳-馬略特定律、蓋呂薩克定律等實驗定律，并總結得到了理想氣體狀態(tài)方程式。熱能工程中常用的氧、氮及空氣等，在通常的溫度及壓力下均可當作理想氣體，按理想氣體狀態(tài)方程式進行分析，甚至像燃氣(因其溫度較高)及空氣中包含的水蒸氣(因其分壓力很低)也可作為理想氣體處理。例1-2儲氣瓶中裝有C?H?氣體1kg,瓶的容積為50L。現室溫為pV=mR?T當用去一部分壓縮空氣后，罐內空氣的壓力p?降為0.9MPa。設室溫為 1-5熱力過程和準靜態(tài)過程過程。如圖1-5所示的由氣缸中氣體組成的熱力學系統(tǒng)，當活塞先發(fā)生膨脹而壓力降低，接著其余部分氣體也逐步發(fā)生膨脹降完成了一個熱力過程。再如圖1-6所示的由封閉容器中氣體組成并相互處于熱平衡，保持溫度為T。這時系統(tǒng)本身也處于平衡狀態(tài)。若把容器移至溫度為T+△T的恒溫熱源處，則氣體受熱而升至T+△T時，系統(tǒng)和熱源間達到熱平衡，系統(tǒng)本身也達到一 所需的時間，即所謂弛豫時間非常短。尤其像一般往復運動的機器，其氣缸內部空間很小，活塞運動速度僅每秒十余米，因此當機器工作時氣體工質內部能及時地不斷建立平衡狀態(tài)，而工質的變化過程很接近準靜態(tài)過程。即使在氣流速度較高、狀態(tài)變化較快的渦輪式機器中，當它穩(wěn)定工作時，氣流中氣體狀態(tài)的變化仍可近似地按準靜態(tài)過程進行分析。在狀態(tài)參數坐標圖上，準靜態(tài)過程可表示為一條曲線。如圖1-7所示的pv圖，曲線1-2即表示一P個準靜態(tài)過程。如果系統(tǒng)由狀態(tài)1'到2'的變化經歷的不是準靜態(tài)過程，即過程中系統(tǒng)經歷的是一系列不平衡狀態(tài)，則除I'及2′兩個平衡狀態(tài)外，整個過程經歷的狀態(tài)無法表示在p-v圖上，而僅能在1'及2'兩點間連以虛圖1-7準靜態(tài)過程和非準力學中把物體通過力的作用而傳遞的能量稱之為功，并定義功等于力F和物體在力作用方向上的位移△x的乘積，即W=F△x按此定義，氣缸中氣體膨脹推動活塞及重物升起時氣體就作功；渦輪機中氣體推動葉輪旋轉時氣體也作功。這類功都屬于機械功。但除此之外，還有許多其他形式的功，它們并不直接地表現為力和位移，但能通過轉換全部變?yōu)闄C械功，因而它們和機械功是等價的。例如電池對外輸出電能，即可認為電池對外輸出電功。于是，根據能量轉換的觀點，熱力學中功的定義如下：功是熱力學系統(tǒng)和外界間通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現為舉起重物。必須注意，功是通過邊界而傳遞的能量，所以系統(tǒng)本身宏觀運動的動能及離地一定高度的重力位能等系統(tǒng)本身直接由系統(tǒng)容積變化和外界發(fā)生作用而傳遞的功稱為容積變化功，或直接稱為膨脹功及壓縮功。如圖1-8所示的熱力學系統(tǒng)，當氣體發(fā)生膨脹而推動活塞升起時，系統(tǒng)即對外界作膨脹功。在微元過程中，設在邊界上活塞所受推力為F,而位移為dx,則系統(tǒng)對外界作的膨脹功為δW=Fdx界上活塞所受推力F可表示為系統(tǒng)圖1-8的壓力p和活塞面積A的乘積，即F=pA。于是可得微元準靜態(tài)過程中系統(tǒng)對外界所作膨脹功的若該系統(tǒng)中氣體的質量為m,則按1kg氣體計算的膨脹功為當準靜態(tài)過程中系統(tǒng)的壓力p隨容積V或比體積v變化的函數關系p=p(V)已知時，即可按上述公式通過積分來計如過程中系統(tǒng)狀態(tài)變化的關系為pv=P?V?=常量，則該過程中系 系統(tǒng)所作的容積變化功。如圖1-9所示，若在準靜態(tài)過程1-線上取一微段a-b,則該段下面的陰影部分的面積即可代表微元面的面積代表準靜態(tài)過程1-2中系統(tǒng)所作的容積變化功。采用p-v圖表示容積變化功形象直觀，故常用于如圖1-10所示，自狀態(tài)1到狀態(tài)2可以有許多不同的過程，相應地各過程曲線下的面積代表的各過程中系最后必須指出，當過程中存在摩擦、擾動等現象時，必然引起功的耗散，且狀態(tài)變化的情況也較為復雜，因而除簡單情況外，不深入考慮各種功耗散因素對系統(tǒng)作功的影響。而上述功的計算公式及圖示分析，也只適用于不存在功耗散現象的準靜態(tài)過程。實際上，除特別指明外，熱力學中一般都是分析不存在功耗散現象的準靜態(tài)過程，并稱這類過程為可逆過程。有關可逆過程的內容將在第五章中詳細討論。例1-4設氣缸中氣體的壓力為4MPa,容積由500cm3膨脹至1000解已知：=(4×10?)Pa×(1×10-3-5×104)m31-11所示：過程1-2’為水平線，而過程1-2”為雙曲線。顯然。曲線1-2'下面的=20×10?Pa×(1000-500)×物體間除了以功的方式傳遞能量，還常以熱量的方式傳遞能量。熱力學中對熱量作如下定義：熱量是熱力學系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。根據氣體分子運動學說，可以對熱量的概念給予更明確的說明。如前所述，氣體的熱力學溫度乃是氣體分子平均移動動能的量度，故兩種氣體的溫度不同時，其分子平均移動動能就不相同。當這兩種氣體相接觸時，它們的分子在紊亂運動中相互碰撞，由動能大的分子向動能小的分子傳遞動能，于是溫度較高的氣體分子平均移動動能減小，而溫度較低的氣體分子平均移動動能增大，即由溫度較高的氣體向溫度較低的氣體傳遞了能量。這就是熱量傳遞的微觀實質。固態(tài)物質間熱量傳遞的過程也相類似，只是固態(tài)物質分子動能的傳遞形式有所不同而已。熱量和功都是系統(tǒng)和外界間通過邊界傳遞的能量，但兩者有著本質的差別：熱量是物體問通過紊亂的分子運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量；功則是物體問通過有規(guī)則的微觀運動或宏觀的運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。也正是由于這個差別，熱量不可能把它的全部效果表現為舉起重物，關于這一點將在第五章中詳細討論。應該注意，熱量和熱能是兩個不同的概念。熱能是指物體內分子紊亂運動即分子熱運動所具有的能量，故它是可儲存于物體的一種能量。而熱量則是兩物體間傳遞的熱能的數量，也稱傳熱量，因而不能說物體含有熱量。熱量也是過程量，故用Q1-2表示過程1-2中傳遞的熱量，用δQ表示微元過程中傳遞的微量的熱量。熱量的單位為J。按1kg物質計的熱量用q1?2及δq表示，其單位為J/kg。通常規(guī)定，系統(tǒng)吸熱時熱量為正，系統(tǒng)放熱時熱量為負。熱力學系統(tǒng)和外界間進行的各種能量傳遞過程所遵循的規(guī)律是類似的，因而可以采用類似的關系來描述各種方式的能量傳遞作用。類比于物體在力的作用下其空間位置發(fā)生變化而傳遞機械功的現象，熱力學中引用勢和狀態(tài)坐標兩類狀態(tài)參數，把各種能量傳遞過程都描述為系統(tǒng)在勢參數的作用下，狀態(tài)坐標發(fā)生變化而實現的與外界間的能量傳遞過程。所謂勢，就是推動能量傳遞的作用力，其數值的大小直接地決定能量傳遞作用的強度。而所謂狀態(tài)坐標，乃是其變化可作為衡量某種能量傳遞作用的標志。例如，當系統(tǒng)和外界間傳遞容積變化功時，推動作功的勢是壓力，狀態(tài)坐標是比體積，比體積的變化則是衡量作功的標志：比體積增大系統(tǒng)對外作功，比體積減小外界對系統(tǒng)作功；比體積不變，則無論狀態(tài)發(fā)生何種變化，系統(tǒng)和外界無容積變化功的交換。與此類似，當系統(tǒng)和外界傳遞熱量時，系統(tǒng)的溫度是推動熱量傳遞的勢，而作為傳遞熱量作用的狀態(tài)坐標必然有一個狀態(tài)參數，這個狀態(tài)參數稱為熵，其符號為S,單位為J/K。類比于無耗在無耗散現象的準靜態(tài)過程中也即可逆過程中，系統(tǒng)和外界傳由該式可知，系統(tǒng)吸熱時它的熵增大；系統(tǒng)放熱這里，s為1kg工質的熵，稱為比熵。式(114)、(114a)及式(1-15)、(1-15a)對于系統(tǒng)和外界間傳遞熱量的分析有很重要的作如圖1-13所示，T-s圖和p-v圖一樣，圖上一個點可代狀態(tài)，一條曲線可代表一個準靜態(tài)過程。類似于在p-v圖上表示容積變化功,在T-s圖上，曲線1-2下面的面積可以表示無耗散現象的準靜態(tài)過程，即可逆過程中系統(tǒng)和外界傳遞的熱量，即。當s?>s?時表示系統(tǒng)吸熱；當s?<s時表示系統(tǒng)放熱。溫熵圖給分析系統(tǒng)和外界傳遞的熱量帶來很大方便。根據點2之間可連接許多不同的過程曲線，各曲線下面的面積所代表的熱量顯然是不同的，從而說明系統(tǒng)和外界計算熱量時常采用物質的比熱容的概念。由物理學知：1kg及8qp=c,dT(1-16b)除比熱容c,及cy外，熱工計算中也常用摩爾熱容及容積熱容。摩爾熱容為1mol物質溫度升高1K(或1℃)所需Cpm及Cvm表示；容積熱容為標準狀態(tài)下1m3的氣體溫度升高1熱容和容積熱容的單位不同，分別為J/(kg.K)、J/(mol·K)和排入大氣。這類機器中，工質的變化比較復雜，不僅機器中每次循環(huán)工作都要重新吸入新鮮空氣，而且每次循環(huán)中工質的化學組成還要發(fā)生變化，由空氣變成燃氣。為了便于進行熱力學分析，在舍棄一些次要的因素后，可以采用一個理想的循環(huán)變化過程來替代它。這時，把工質化學組成發(fā)生變化的燃燒過程改換成一個假想的加熱過程，并把排氣及吸氣過程合起來看作把工質送到機器外面大氣中冷卻的過程。于是，仍然得到和蒸汽動力裝置相同的工作方式，工質在經過一系列的變化后重新回復到初始狀態(tài)，周而復始地循環(huán)工作。熱力學中，把系統(tǒng)由初始狀態(tài)出發(fā)，經過一系列中間狀態(tài)后，重新回到初始狀態(tài)所完成的一個封閉的熱力過程，稱為熱力循環(huán)，或簡稱循環(huán)。若循環(huán)中系統(tǒng)經歷的是準靜態(tài)過程，則它可以在p-v及T-s圖上表示為一條封閉曲線。如圖1-15所示的封閉曲線a-b-c-d-a即代表一個熱力循環(huán)。按p-v圖，在過程a-b-c中比體積v增大，所以容積變化功為正，系統(tǒng)對外作功；而在過程c-d-a中比體積v減小，為負，外界對系統(tǒng)作功。于是整個熱力循環(huán)中系統(tǒng)所作的凈功應為該兩過程功的代數和，即它可用pv圖上循環(huán)曲線所包圍的面積表示。按T-s圖，在過程a-b-c中比熵s增大，過程的熱量正，系統(tǒng)吸熱；而在過程c-d-a中，熱量為負，系統(tǒng)放1-1試確定表壓力為0.1kPa時U形管壓力計中的液柱高度差。(1)液體為水，其密度為1000kg/m3;(2)液體為酒精，其密度為789kg/m3。1-2測量鍋爐煙道中真空度時常用斜管壓力計。如圖1-16所示，若a=30°,液柱長度l=200mm,且壓力計中所用液體為煤油，其密度為800kg/m3,試問煙道中煙氣的真空1-3在某高山實驗室中，溫度某U形管差壓計中的汞柱高度差為30cm,試問實際壓差為多少mmHg1-4某水塔高30m,該高度處大氣壓力為0.0986Mpa。若水的密度為1-5設地面附近空氣的溫度均相同，且空氣為理想氣體，試求空氣壓力隨離地面高度變化的關系。又若地面大氣壓力為0.1MPa、溫度為20℃,1-6某煙囪高30m,其中煙氣的平均密度為0.735kg/m3。若地面大氣壓力為0.1MPa、溫度為20℃,現假設空氣密度在煙囪高度范圍內為常數，1-7某容器中儲有氮氣，其壓力為0.6MPa、溫度為40℃。設實驗消耗去1kg氮，且溫度降為30℃時容器中壓力降為0.4MPa,試求該容器的容1-8利用真空泵為某設備抽真空，真空泵每分鐘的吸氣量為0.5m3。若設備中空氣壓力已達到0.1mmHg、溫度為—30℃,試求每分鐘真空泵可17℃。現用壓氣機向筒內充氣，壓氣機每分鐘吸氣0.2m3,大氣溫度為任何氣體。若用儲氣罐中的壓縮空氣給氣球充氣，充滿時氣球的容積為經歷了一個膨脹過程后溫度為100℃。設過程中氣體的狀態(tài)變化規(guī)律為pv12=p?v|2=常量，試求膨脹過程中氣體所作的膨脹功。1-18某種氣體在氣缸中進行一個膨脹過程，其容積由0.1m3增加到的摩擦力保持為1000N,而活塞面積為0.2m2時，扣除摩擦消耗后活塞所輸1-19有一橡皮氣球，當它內部的氣體壓力和大氣壓力同為0.1MPa時，氣球處于自由狀態(tài)，其容積為0.3m3。當氣球受太陽照射其內部氣體受熱時，容積膨脹10%,壓力上升為0.15MPa。設氣球壓力增加和容積的增加成正比，試求：(1)該膨脹過程在p-v圖上的過程曲線；(2)該過程中氣體所作1-20設某種氣體的狀態(tài)方程式為p(v-b)=RT,試導出定溫過程中該氣體所作容積變化功的計算公式，并分析有相同容積變化時，理想氣體定溫變化的容積變化功是大于還是小于該種氣體的功。1-21圖1-17所示為壓縮空氣驅動的升降工作臺示意圖。由儲氣罐來的壓縮空氣經閥門調節(jié)氣體的壓力后送入氣缸，在壓縮空氣的推動下活塞上升舉起工作臺。已知活塞面積為0.02m2,活塞及工作臺重5000N?；钊仙?00mm后開始和彈簧相接觸，繼續(xù)上升時將壓縮彈簧。設彈簧常數L儲氣罐圖1-17壓縮空氣驅動升降工作臺示意圖為10N/mm。若氣缸內氣體的表壓力達到0.3MPa時停止供氣，試求在舉升過程中氣體所作的功及彈簧所吸收的功。

熱力學第一定律是熱力學的基本定律。實質上它就是普遍的能量守恒和轉換定律應用于熱現象的一種表述形式。它闡明了熱能和其它能量形態(tài)轉換中能量守恒的原理。根據能量守恒和轉換定律建立的閉口系統(tǒng)能量方程式、開口系統(tǒng)能量方程式及穩(wěn)定流動能量方程式，就是熱力學第一定律的數學表達式，說明：自然界中物質所具有的能量，既不能創(chuàng)造也不能消滅，而只能從一種能量形態(tài)轉換為另一種能量形態(tài)，轉換中能量的總量守恒。這是長期以來人們生產實踐經驗的總結，而不是從任何其它的定律導出的，而且在生產和科學的實踐中，它還在不斷地得熱力學第一定律就是能量守恒及轉換定律用于熱能和其它能量形態(tài)轉換關系時的表述。它說明：熱能作為一種能量形態(tài)，可以和其它能量形態(tài)相互轉換，轉換中能量的總量守恒。在各種能量轉換中，熱能和機械能的轉換在人類生產的歷史上始終受到極大的關注，而那種企圖不消耗能量而獲取機械動力的所謂第一類永動機，都不可避免地歸于失敗，因而熱力學第一定律也常表述實際上，所有熱能動力裝置，或稱熱機，都必須利用燒所獲得的熱能來產生機械能。如前所述，在熱機中，熱能和機械能的轉換是通過適當的熱力循環(huán)而實現的。在進行一個熱力循環(huán)時，工質從外界接受一定的凈熱量，同時工質對外輸出一定的凈功。當然，在經歷一個熱力循環(huán)后，工質又回復到初始狀態(tài)，所以工質本身沒有發(fā)生改變。因而根據熱力學第一定律，熱力循環(huán)中，工質作為一個熱力學系統(tǒng)，它所接受的凈熱量應該等于對熱量和功的單位為焦耳，單位符號為J，因其單位量較小，故工程上常用千焦耳為單位，單位符號為kJ。單位時間所作的功稱為功率，其單位為瓦，單位符號為W。工程上則常用kW(千瓦)及MW(兆瓦)為單位。也曾采用過其它一些單位，本書附表10中列例2-1一臺10kW的柴油機，耗油量為每小時2kg。試求其廢氣及冷冷卻水帶走的熱量為Q2，每小時柴油機所作的功為W0。由熱力學第一定于是可得廢氣和冷卻水每小時所帶走熱量的數值Q2為熱力學第一定律的能量方程式是熱力學中最基本的方程式之一。它不僅是對熱力學系統(tǒng)進行能量分析的重要關系式，同時也是分析熱力學系統(tǒng)狀態(tài)參數變化關系的重要手段。它根據熱力學第一定律的能量守恒關系，集中反映了熱力過程中熱力學系統(tǒng)與系統(tǒng)內部各種形式能量的總和稱為系統(tǒng)的熱力學能(以前稱熱力學能是由系統(tǒng)熱力學狀態(tài)確定的系統(tǒng)本身的能量，是個狀態(tài)參數。按照氣體分子運動學說，氣體的熱力學能就是氣體分子和原子的動能和位能。其中分子的移動動能和轉動動能加上原子的振動動能組成氣體的內部動能，而氣體分子間的作用力形成的分子間的位能組成氣體的內部位能。這就是氣體熱力學能的微觀圖象。顯然，氣體內部動能僅和氣體的溫度有關，而氣體的內部位能主要和氣體的比體積有關。當氣體的溫度和比體積一定時，熱力學能即有確定的數值，因而氣體的熱力學能是一個狀態(tài)若系統(tǒng)中工質的質量為m，總熱力學能為U，則1kg工質的1(p,v)，u=u2(v,T)，u=u3(p,T)熱力學能的單位為J或kJ，比熱力學能的單位為J/kg一般來說系統(tǒng)的總能量E除了由系統(tǒng)熱力學狀態(tài)確定的系統(tǒng)本身的能量，即熱力學能U外，還包括由系統(tǒng)整體力學狀態(tài)確定對于一個閉口系統(tǒng)來說，熱力過程中它和外界間的能量交換，只限于通過邊界傳遞熱量Q和功W。在此同時，由于系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化，系統(tǒng)本身的能量也有變化。一般情況下，閉口系統(tǒng)不作整體位移，Ek與Ep的變化均為零。對于這身的能量E中，只有熱力學能U可能發(fā)生變化。于是根據熱力學第一定律的能量守恒原理，在微元熱力過程中系統(tǒng)的能量平衡可上述四個公式稱為閉口系統(tǒng)能量方程式。它們說明：閉口系統(tǒng)在熱力過程中從外界接受的熱量，一部分用于增加系統(tǒng)的熱力學上述公式中各項的正負號規(guī)定為：系統(tǒng)吸熱為正，放熱為在導出上述公式時，沒有對過程進行的條件作任何規(guī)定，故公式既可用于準靜態(tài)過程，也可用于非準靜態(tài)過程。但在用于非準靜態(tài)過程時，為了能確定初始狀態(tài)及終了狀態(tài)下系統(tǒng)的熱力學對外界所作的容積變化功可以用pdv的形式表示，于是上述式(2-在應用上述能量方程式時，必須注意適用的條例2-2在內燃機的壓縮過程中，氣體的熱力學能增加了370J，過程中Q1-2＝(U2－U1)＋W1-2W1-2＝Q1-2－(U2－U1)＝(－20J)－370W1-2為負值表示系統(tǒng)受壓縮接受外界的功，即壓縮氣體消2-3開口系統(tǒng)能量方程式許多能量轉換裝置工作時不斷有工質流過設備。分析這類裝置時，常采用開口系統(tǒng)即控制體的分析方法。圖2-1a、b所示分別為τ0和τ0+dτ兩時刻的開口系統(tǒng)。在dτ時間內系統(tǒng)進行的一個微元過程中，質量為δm1的微元工質經進口截面1-1流入，而質量為δm2的微元工質經截面2-2流出；同時系統(tǒng)從外界接受熱若采用單位時間流過的質量即質量流量用qm表示，質量流量qm的單位為kg/s，因微元過程經歷的時間間隔為dτ,于是上式可式中qm1及qm2分別為進、出口截面處工質的流量。該式稱為連續(xù)性方程式，它說明單位時間內開口系統(tǒng)中工質質量增加的數量根據熱力學第一定律，開口系統(tǒng)中總能量的增加來源于兩部分，一部分是系統(tǒng)由外界接受的熱量與系統(tǒng)對外作功兩者之差的凈能量；另一部分是流入和流出系統(tǒng)的工質所帶入系統(tǒng)的凈能開口系統(tǒng)和外界間所傳遞的功由以下兩部分組成：開口系統(tǒng)和外界間，通過進出口界面以外的邊界(一般為機器軸)所傳遞的如圖2-2所示，在進口截面有δm1的微元工質流入系統(tǒng)，則外界推動該微同樣，在出口截面處，系統(tǒng)為推動微元工質δm2流出系統(tǒng)消耗的推動功為p2v2δm2。于是開口系統(tǒng)對外若開口系統(tǒng)進、出口處1kg工質的總能量分別為e1及e2，則當微元工質δm1流入系統(tǒng)時帶入的能量為e1δm1，而微元工質2流出系統(tǒng)時帶出系統(tǒng)的能量為e2δm2。于是，微元過程中流2按式(2-2)有E＝U＋Ek＋Ep，而按力學原理，當工質的流速為cf為系統(tǒng)所作軸功的功率。上兩式稱為開口系統(tǒng)的能量方程式，它2-4穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動能量方程式一般能量轉換裝置經常是在穩(wěn)定條件下工作的。例如蒸汽動力裝置或燃氣動力裝置經常需保持穩(wěn)定的輸出功率；壓氣機輸出的壓縮氣體經常需保持穩(wěn)定的狀態(tài)及流量；制冷裝置從冷藏庫吸熱的功率經常需保持穩(wěn)定數值等。在這種穩(wěn)定工況下，系統(tǒng)所進行的能量轉換過程維持穩(wěn)定，不隨時間而變。對于一個開口系統(tǒng)來說，這時除了系統(tǒng)和外界間傳遞的熱量和功量保持穩(wěn)定不變外，在系統(tǒng)內各處及進口、出口截面處，工質的熱力學狀態(tài)和流速、流量均保持不變。這種過程稱為穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動過程，或在穩(wěn)定流動過程中，因開口系統(tǒng)內各處的狀態(tài)保持穩(wěn)定，故系統(tǒng)又因進、出口處工質的質量流量qm1、qm2以及系統(tǒng)內的質量流量qm均保持穩(wěn)定，于是可得到穩(wěn)定流動過程的連續(xù)性方程式為qm1＝qm2＝qm＝常量(2-7)該式說明：穩(wěn)定流動過程中，工質始終穩(wěn)定地以一定的流量經過根據開口系統(tǒng)的能量方程式(2-6a)，在穩(wěn)m[(u2-u1)＋(p2v2－p1v1)按每1kg工質流過開口系統(tǒng)時的能量平衡關系來表示穩(wěn)定流動能上述兩式說明：穩(wěn)定流動過程中，系統(tǒng)接受的熱量，一部分用于對外輸出軸功及凈推動功，另一部分則用于使流過系統(tǒng)的工質增穩(wěn)定流動能量方程式可應用于任何穩(wěn)定流動過程，甚至對于連續(xù)工作的周期性動作的能量轉換裝置，只要在平均單位時間所作的軸功、吸熱量以及工質的平均流量為常量，雖然它內部工質的狀態(tài)及流動情況是變化的，但這種周期性的變化規(guī)律不隨時間而變，所以仍然可以利用穩(wěn)定流動能量方程式分析其能量轉換關開口系統(tǒng)的熱力學分析中經常遇到u＋pv這個量。由于p、v及u都是狀態(tài)參數，故u＋pv這個量也是狀態(tài)參數，并可用h表h為1kg工質的焓，稱為比焓(質量焓)，習慣上有時也常稱為式中，H是質量為m(kg)的工質的焓，焓是狀態(tài)參數，因此它也可表示為任意兩個獨立狀態(tài)參數的對于流動工質來說，如前所述，pv表示用于推動工質流動的推動功，它總是伴隨著工質流動而一起進入或離開系統(tǒng)。當然，流動工質本身具有工質內部儲存的熱力學能。因此由流動工質的熱力學能及促使工質流動的推動功兩者所組成的焓，可認為是流焓并不能看作是工質儲存的能量。由圖2-3所示系統(tǒng)可以看出。當有微元工質δm進入該開口系統(tǒng)時，帶入系統(tǒng)的能量有微元工質的熱力學能uδm及外界所作的推動功pvδm。系統(tǒng)中能量的變化為熱力學能增加了dU0。因而按照熱力學第一定律，該這就是說，微元工質帶入系統(tǒng)的焓，轉換為系統(tǒng)工質的熱力學能而儲存于系統(tǒng)。反之，若有微元工質離開系統(tǒng)，則微元工質所帶走的焓，也將由系統(tǒng)工質的熱力學能轉換而成。因此，熱力學能是工質內部儲存能量的唯一形式，而焓則是隨工質流動跨越邊界根據能量方程式(2-4b)，對于無耗散的準該式普遍適用于各種無耗散的準靜態(tài)過程，是熱力學第一定律能在穩(wěn)定流動的情況下，開口系統(tǒng)和外界間傳遞的軸功保持穩(wěn)定，不隨時間而變。根據穩(wěn)定流動能量方程式，可以得到軸功與先通過工質容積膨脹而以容積變化功的形式轉換為機械能的。如把此式代入式(2-10)，便可得穩(wěn)定流動過程中工質狀態(tài)變化為無-g(z2－z1)(2-10a)該式說明：穩(wěn)定流動過程中開口系統(tǒng)所作軸功，是工質受熱而得到的相當于容積變化功的機械能，在扣除了推動工質流動的凈推EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up3(2),f)EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up3(2),f1)等式右側負號說明當壓力增高即dp為正時技術功為負，即外界對開口系統(tǒng)作技術功。反之，壓力降低即dp為負時技術功為正，系在p-v圖上，-vdp也如pdv一樣可用圖上的面積表示。如圖2-4所示，在過程線1-2上任取一微段a-b，可以認為該微段曲線a-b左側的陰影面積即等于－vdp；并按照積分關系可知，曲線1-2左側的面積等于-vd在許多情況下，能量轉換設備的進口和出口的離地高度相差不大，兩處工質的流速也較相近，所以進、出口工質的流動動能及重力位能的變化可以忽略不計。于是，由式(2-12-6穩(wěn)定流動能量方程式應用舉例這類設備的主要任務是傳遞熱量，如鍋爐、燃燒室、太陽能集熱器、空氣加熱器、熱水器、冷卻器及散熱器等各種熱交換器都屬此類，其示意圖如圖2-5所示。它們wsEQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up5(2),f)EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up5(2),f1)1即系統(tǒng)接受的熱量等于工質的焓的增量，反渦輪機中工質膨脹而輸出軸功；壓氣機中消耗軸功壓縮工質，其示意圖如圖2-6所示。它EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up5(2),f)EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up5(2),f1)，Z21即在渦輪機中依靠工質的焓降而噴管中工質降壓膨脹而獲得高速，其示意圖如圖2-7所示。工質流過管道中截面突然縮小的部分而發(fā)生壓力降低的現象稱為絕熱節(jié)流，其示意圖如圖2-8所示。這種流動的EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(2),f)EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(2),f1)其空氣消耗量qm,a＝100kg/s。壓氣機入口空氣的焓h1＝290kJ/kg，出口的壓縮空=580kJ/kg；在燃燒室中壓縮空氣和燃料混合燃燒，燃燒生成的高溫燃氣的焓h3＝1250kJ/kg；高溫燃氣送入渦輪機中膨脹作功，作功后排出廢氣的焓h4＝780kJ/kg。試求：(1)壓氣機消耗的功率；(2)燃料的發(fā)熱量為43960kJ/kg時的燃料消耗量；(3)(2)若忽略燃料的質量，而按燃氣和空氣的流量相同計算，則加熱1kg(4)燃氣輪機裝置的總功率等于渦輪機發(fā)出的功率及壓氣機消耗功率之=1.80×104kW例2-4如圖2-10所示，有一儲氣罐，初始時其內部為真空，現連接于輸氣管道進行充氣。假設輸氣管內空氣的狀態(tài)始終保持穩(wěn)定，其焓為h。經過Δτ時間的充氣后，儲氣罐內空氣的質量達到m0，試求此時儲氣罐內輸氣管向系統(tǒng)充氣的空氣流量為qm，則按質量守恒定律的連續(xù)性方程式，儲氣罐內空氣質量m和流設送氣時間為Δτ=τ2-τ1，則按此時間段積分上式得為了分析儲氣罐內空氣熱力學能的變化，需要按開口系統(tǒng)能量方程式求解。在送氣過程中，工質的流動動能及重力位能可以忽略不計，且系統(tǒng).所以，根據式(2-6a)可把輸氣過程中系統(tǒng)能EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up6(τ),τ)τEQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up6(τ),τ)qmdτ=m0，及τ=τ1時U＝0，代入上式可以得到Q=△U＋W設式中各項可任意改變其正負號，試說明相應的能量轉換關系，并舉一二dU+δW，dU＋pdV，dU＋d(pV)2-5何謂穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動過程？試分析該過程中工質所經歷的狀態(tài)2-6一個充氣的玩具橡皮氣球放置于一真空容器中。若氣球突然爆2-7一個絕熱材料所制成的小瓶內盛有氣體，而小瓶放置在絕熱材料所制成的真空容器中。因小瓶密封不嚴，瓶內氣體慢慢逸出容器，直至瓶內、外氣體壓力相同為止。試分析漏氣停止時下述三部分在漏氣過程中所2-1一輛汽車在1.1h內消耗汽油37.5L，已知通過車輪輸出的功率為2-2一臺工業(yè)用蒸汽動力裝置，每小時能生產11600kg蒸汽，而蒸汽在汽輪機中膨脹作功輸出的功率為3800kW。如果該裝置每小時耗煤1450kg，煤的發(fā)熱量為30000kJ/kg，而在鍋爐中水蒸氣吸收的熱量為2550kJ/kg。試求：(1)鍋爐排出廢煙氣帶走的能量；(2)汽輪機排出乏汽帶2-3夏日室內使用電扇納涼，電扇的功率為0.5kW，太陽照射傳入的熱量為0.5kW。當房間密閉時，若不計人體散出的熱量，試求室內空氣每2-4某車間中各種機床的總功率為100kW，照明用100W電燈50盞。若車間向外散熱可忽略不計，試求車間內物體及空氣每小時熱力學能的變2-5人體在靜止情況下，每小時向環(huán)境散發(fā)的熱量為418.68kJ。某會場可容納500人，會場的空間為4000m3。已知空氣的密度1.2kg/m3，空氣的比熱容為1.0kJ/(kg·K)。若會場空氣溫度允許的最大溫升為15℃,試求會2-6有一個熱力循環(huán)，在吸熱過程中工質從高溫熱源吸熱1800J，在放熱過程中工質向低溫熱源放熱1080J，又在壓縮工質時外界消耗700J，2-7一個熱機循環(huán)由1-2、2-3及3-1三個過程組成。已知Q1-2＝10kJ，Q2-3＝30kJ，Q3-1＝－25kJ；ΔU1,2＝20kJ，ΔU3,1＝－20kJ，試求2-8為保持冷藏箱內的低溫不變，必須把環(huán)境傳入的熱量取出。若驅動制冷機所需的電流為3A，電源電壓為220V(假設電動機的功率因數已提高到1)，制冷機每小時排出的熱量為5024kJ，試求由環(huán)境傳入冷藏箱的熱2-9一熱交換器利用內燃機廢氣加熱水。若熱交換器中氣和水的流動可看作穩(wěn)定流動，且流動動能及重力位能的變化可忽略不計。已知水受熱后每秒鐘焓增加了25kJ，試分析熱交換器的能量轉換關系，并求廢氣焓值2-10一臺鍋爐每小時生產水蒸氣40t，已知供給鍋爐的水的焓為417.4kJ/kg，而鍋爐生產的水蒸氣的焓為2874kJ/kg。煤的發(fā)熱量30000kJ/kg。若水蒸氣和水的流速及離地高度的變化可忽略不計，試求當燃燒產生的熱量用于產生水蒸氣的比率即鍋爐效率為0.85時，鍋爐每小時的耗煤2-11有一臺空氣渦輪機，它所應用的壓縮空氣的焓為310kJ/kg，而排出空氣的焓為220kJ/kg。若空氣的流動為穩(wěn)定流動過程，且進、出口處2-12有一水槽，槽內使用一個泵輪以維持水作循環(huán)流動。已知泵輪耗功20W，水槽壁和環(huán)境溫度的溫差為ΔT，而槽壁和環(huán)境間每小時的熱交換量為{q}kJh=10.5{ΔT}K①。若環(huán)境溫度為20℃,試求水溫保持穩(wěn)定時2-13設某定量氣體為一閉口系統(tǒng)，若令該系統(tǒng)分別進行一個定壓過程及一個定容過程，而兩過程中系統(tǒng)焓的變化相同。已知系統(tǒng)熱力學能按2-14某壓氣機所消耗的功率為40kW，壓縮前空氣的壓力為0.1MPa、溫度為27℃,壓縮后空氣的壓力為0.5MPa，溫度為150℃。已知空氣熱力學能變化的關系式為{ΔU1,2}kJ/kg=0.716({T2}K-{T1}K)，若壓縮過程中空氣和外界沒有熱交換，且進、出口流動動能和重力位能的變化可忽2-15氣缸中空氣組成的熱力系統(tǒng)如圖2-11所示。氣缸內空氣的容積為800cm3，溫度為20℃,壓力和活塞外側大氣壓力相同，為0.1MPa。現向空氣加熱使其壓力升高，并推動活塞上升而壓縮彈簧。已知活塞面積為80cm2，彈簧系數為k=400N/cm，實驗得出的空氣熱力學能隨溫度變重量可忽略不計，試求使氣缸內空氣壓力達到0.32-16一真空容器，因密封不嚴外界空氣逐漸滲漏入容器內，最終使容器內的溫度、壓力和外界環(huán)境相同，并分別為27℃及101325Pa。設容器的容積為0.1m3，且容器中溫度始終保持不變，2-17有一壓縮空氣儲氣罐，容積為3m3。由于用戶消耗氣壓由3MPa①這是國家標準GB3103-93規(guī)定的數值方程式的表示方法。降為1.2MPa。假設氣體的比熱力學能僅為溫度的函數，供氣過程中罐內氣體的溫度保持和環(huán)境溫度相同，且氣流速度不高可忽略不計，試求供氣過試證：當氣體經過一個無耗散現象的準靜態(tài)絕

熱力學第一定律的能量方程式建立了熱力過程中能量平衡的基本關系。但是，能量轉換總是通過工質實現的，而不同性質工質的狀態(tài)變化特性是不相同的。因此，工質的熱力學性質的研究乃是熱力學的一個重要內容。從實際應用來說，為了求解工程技術問題，也必須知道工質的熱力學能、焓、熵及比熱容等各種計算公式。本章將討論理想氣體及理想氣體混合物的3-1理想氣體的熱力學能和焓理想氣體的熱力學能的性質，是1845年焦耳通過著名的焦耳實驗確定的。其實驗裝置的示意圖如圖3-1所示。兩個有閥門的相連的金屬容器，放置于一個有絕熱壁的水槽中，兩容器可以通過其金屬壁和水實現熱交換。實驗前先在A中充以低壓的空氣，而將B抽成真空。當整個裝置達到穩(wěn)定時先測量水(亦即空氣)的溫度，然后打開閥門，讓空氣自由膨脹充滿兩容器，當狀態(tài)又達到穩(wěn)定時再測量一次溫度。測量結果表明：空氣自由膨脹 前后的溫度相同。若把空氣取 作一個閉口系統(tǒng)，則按實驗情 況，兩金屬容器為剛性容器， 則氣體不可能對外作功，而系 統(tǒng)從作為外界的水所得到的熱 量亦為零。因此，按照熱力學 第一定律的能量平衡關系，自由膨脹前后，雖然氣體的容積和壓力都有變化，但系統(tǒng)的熱力學能不變。從而說明：只要空氣的溫上述實驗只有當空氣處于低壓狀態(tài)，而可以認為它具有理想氣體的性質時溫度才不變。用其它氣體做實驗結果也相同，因而上述結果可視為理想氣體的共同屬性，即理想氣體的比熱力學能僅僅和溫度有關，而和壓力及比體積無關。理想氣體的這一性u=f(T)按照氣體分子運動學說關于理想氣體的假說，其分子間沒有根據理想氣體比熱力學能的這個性質，對于同一種理想氣體，只要有相同的初態(tài)溫度和終態(tài)溫度，任何如圖3-2所示，2、3、4、5各點有相同的溫度，則由點1至各點的過程中，比熱力學能的變化都和定容過程1-2中比熱力學能的變化相同。按能量方程式并考慮比熱容的定義，可知(du)V=(δq)V=cVdT若用cV0表示理想氣體的比定容熱容，則對于理想氣體來只要知道比定容熱容cV0隨溫度變化的關系，便可利用上述公式于是對于同一種理想氣體，只要有相同的初態(tài)溫度和終態(tài)溫度，任何過程中其比焓的變化都相同。如圖3-2所示的各過程，其比焓的變化都和定壓過程1-5中比焓的變化相同。按能量方程式并若用cp0表示理想氣體的比定壓熱容，則對只要知道cp0隨溫度而變化的關系，便可利用上述公式計算理想熱力學計算中，一般只求比熱力學能和比焓的變化，而不必確定其絕對數值，故可人為地規(guī)定某狀態(tài)下比熱力學能或比焓的數值為零。通常規(guī)定熱力學溫度T為0K時的熱力學能u0為零，即理想氣體的比熱力學能及比焓僅為溫度的函數，于是可根據熱容的實驗數據及上述公式求得各種氣體在不同溫度下的比熱力學能及比焓的數值，制成理想氣體狀態(tài)下各種氣體的熱力性質表。利用表中所列數值便可準確地求取任意兩溫度間理想氣體比熱力學能和比焓的變化。本書附錄中附有幾種常用氣體的熱力性質表，3-2理想氣體的比熱容物質性質的重要熱力學參數之一，其實驗數據在熱力學分析 按照比熱容的定義，在沒有耗散現象的準靜態(tài)過程中，可得到比定容熱容(質量定容熱容)和比定壓熱容(質量定壓熱容)的表根據熱力學第一定律的能量方程式(2-4")及比熱力學能的全微分即比定容熱容等于單位質量的物質在定容條件下溫度升高1K時比熱力學能增加的數值。比熱力學能是物質的狀態(tài)參數，而由上式可知，比定容熱容也是僅和物質狀態(tài)有關的熱力學參數。由于原來按熱量定義熱容時未能直觀地反映這個性質，因而常直接應即比定壓熱容等于單位質量的物質在定壓條件下溫度升高1K時比焓增加的數值。比焓是物質的狀態(tài)參數，而由上式可知，比定壓熱容也是僅和物質狀態(tài)有關的熱力學參數，因而常直接應用式理想氣體的比熱力學能和比焓僅是溫度的函數，如前所述其即在任何過程中，單位質量的理想氣體的溫度升高1K時比熱力學能增加的數值即等于其比定容熱容的值，而比焓增加的數值即式。對于理想氣體，可以得到幾個簡單又很有用的關系式。根據 式中R為常量，等于8.314510J/(mol·K)。上述兩式說明，理想根據理想氣體的比熱容公式(3-5)及(3-6)，因為理想氣體的通常根據實驗數據把理想氣體狀態(tài)下各種氣體的熱容表示成EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up1(′),0)對于不同的氣體，a0、a1、a2、a3各有一定的值。按比定壓和比定容熱容的關系式(3-7)可知a0－aEQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up1(′),0)＝Rg。書后附表2中列定溫度范圍內，按照這些公式計算得到的任意指定溫度下氣體摩爾熱容的數值，稱為真實摩爾熱容值。將該經驗公式代入式(3-熱工計算中，為了簡化運算過程，常采用平均比熱容值EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(t),0)EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(t),0)EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(t),0)表3-1理想氣體狀態(tài)下氣體的平均定壓熱容cp,mEQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(t),0)N220------------------------------------------EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(t),0) EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(t),0)0------------------------------------------利用平均比熱容，便可把計算比熱力學能變化及比焓的變化時所表3-1，表3-2列有理想氣體狀態(tài)下各種常用氣體的平均比定壓熱實用中，在定性地分析或計算時，為了簡化運算過程比熱容看作定值，并把25℃時理想氣體狀態(tài)下各種氣體的實驗數據確定為定值比熱容的值。書后附表1中列有常用氣體的定值例3-1水力測功器用于測定發(fā)動機功率。當發(fā)動機帶動測功器轉子攪動機殼中的水而消耗功時，水獲得能量而溫度升高。設水流過測功器時的允許溫升最多不超過40℃。已知所測定的發(fā)動機的功率為80kW，試求流qm(h1?h2)h2－h(huán)1＝cpdT＝cp(T2－T1)例3-2在空氣加熱器中，空氣的溫度從27℃升高到327℃,而壓力保持不變。試求加熱1kg空氣所需的熱量：(1)按定值比熱容容隨溫度變化的經驗公式計算；(3)按平均比熱容表計算；(4)按空氣熱力 q1-2＝h2－h(huán)1＝cp0dT①由附表1查得空氣的比定壓熱容為1.004kJ/(kg·K)，因而可得加熱1kg=309J/g＝309kJ/kg=1.0212kJ/(kg·K)×327K－1.0045kJ/(kg·K)×27K=306.81kJ/kg由附表3得到：T1＝300K時h1＝300.19kJ/kg；①若空氣是在穩(wěn)定流動情況下流過加熱器，則當流動動能及重力位能的變化可忽略不計時，因加熱器無軸功輸出，故按穩(wěn)定流動能量方程式也可得到和該式完全一致的結果。數據及理論計算制成的，因此按兩者數據計算所得的結果最精確，且兩種計算的結果非常一致。實際上，由本例的計算結果看，即使在取值時帶入一定誤差，兩者結果的數值相差仍在0.1‰的范圍內。與這兩種方法的計算結果相比，根據比熱容經驗公式所得的計算結果，其誤差在1%左右；而按定值比熱容計算，3-3理想氣體的熵在第一章中，根據熱量和功的類比關系，說明系統(tǒng)存在一個可作為狀態(tài)坐標的狀態(tài)參數熵，在閉口可逆的條件下，可計算系統(tǒng)和外界傳遞的熱量。本節(jié)將利用熵的這一性質，來建立在沒有功耗散現象的準靜態(tài)過程，即可逆過程中，系統(tǒng)所接受的微量熱量除以系統(tǒng)的溫度所得的商，定義為系統(tǒng)的熵的微式中，下角標rev表示可逆過程。如前所述，可逆過程中系統(tǒng)的熵的變化是系統(tǒng)和外界間傳遞熱量的