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變化特點來確定能量轉換的規基本的概念及定義，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，對于熱力學系統在能量轉換過程中的行為及變化規律，要作詳細分析，而對于外界一般只籠統地考察它們和熱力學系統間相互作用時所傳遞的各種能量與質量。熱力學系統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。當熱力學系統和外界間發生相互作用時，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變化而實現能量轉換的，且其變化規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，而把高溫熱源、低溫熱源等其他物體取作外界。熱力學系統按其和外界是否發生物質交換可分為閉口系統及開口系統。若一個熱力學系統和外界不發生物質交換，就稱為閉口系統。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，而取活塞、重物及熱源為外界，則當系統膨脹對外界作功時，系統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，因而這個熱力學系統為閉口系統。閉口系統中包含的物質是固定的，故也稱閉口系統為控制質量。若一個熱力學系統和外界間有物質交換，就稱為開口系統。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，則因系統和外界間不斷通過進口和出口處的邊界交換物質，故這個系統為開口系統。開口系統中的物質的量是可以改變的。由于開口系統所占據的空間是固定的，故也稱開口系統為控若一個熱力學系統和外界間既無能量交換又無質量交換，則稱為孤立系統。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，則由于該系統和外界不發生任何能量和質量的交換，因此它就是一個熱力學系統的選取，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。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來研究。在實現能量轉換的過程中，系統本身的狀況總是在不斷地發生變化。為了描述系統的變化，就需要說明變化過程中系統所經歷的每一步的宏觀狀況。熱力學中把熱力學系統所處的宏觀狀況稱為系統的熱力學狀態，簡稱狀態。系統的狀態常用一些物理量來描述，這種物理量稱為狀態參數。最基本的狀態參數有3個，即溫度、壓力和比體積(以前稱為比容),稱為基本狀態參數。它們都是可以測量的物理量。由狀態參數的定義可知：對應于某個給定的狀態，所有狀態參數都應有各自確定的數值，反之一組數值確定的狀態參數可以確定一個狀態；狀態參數的數值僅決定于系統的狀態，而與達到該狀態所經歷的途徑無關。例如系統由某個狀態1變化到另一個狀態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個基本狀態參數的含一、比體積比體積是描述熱力學系統內部物質分布狀況的狀態參數。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內部力學狀況的狀態參數。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。對于氣態物質組成的熱力學系統，重力場及電磁力場的作用通常可以忽略不計，因而當氣體內各處的壓力相同時熱力學系統內部就處于力平衡的狀態。壓力也稱絕對壓力。工業上，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丸十上流體狀態的狀態參數。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熱力學系統的狀態及基本狀態參數·15·三、溫度熱程度。則只要不改變它們各自的狀態，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平衡狀態和狀態參數坐標圖熱力學分析中所涉及的熱力學系統的狀態，通常都要求是熱力學平衡狀態，簡稱平衡狀態。如果熱力學系統內同時存在熱平衡、力平衡，對于有化學反應的系統還同時存在化學平衡，則熱力學系統所處的狀態就稱為熱力學平衡狀態。當系統中存在各種平衡條件時，只要沒有外界影響，系統的狀態就不會發生變化。因而，在不受外界影響的條件下，如果系統的狀態不隨時間而變化，則系統就處于平衡狀態。一個處于熱力學平衡狀態的系統，由于其內部存在熱平衡， 故系統內一定具有均勻一致的溫度。又由于其內部存在力平衡，故系統內具有確定不變的壓力分布，而對于氣態物質組成的熱力學系統，因重力場及電磁力場的作用通常可忽略不計，故系統內具有均勻一致的壓力。工程上常見的系統大都是氣態物質組成的系統，于是整個系統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。本書后面所討論的大部分系統都屬于這類系在平衡狀態下，表示系統狀態的各狀態參數，并不是都可以單獨地自由確定其數值的。經驗表明：系統從一個平衡狀態變化到另一個平衡狀態，完全取決于系統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所處平衡狀態所需的獨立狀態參數的數目，就等于系統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物質組成的系統，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容積變化所作的功兩種，因此只有兩個獨立的狀態參數。也就是說，只要確定兩個獨立狀態參數的數值，其他參數的值也就隨之確應用兩個獨立狀態參數可以組成狀態參數坐標圖，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參數就可確定其狀態的系統來說，即可代表系統的一個平衡狀態，而點2(P?,V?)則代表另一個平衡如果熱力學系統內部不存在熱平衡或力平衡等各種平衡條件，則系統內各部分會自發地發生熱的相互作用或力的相互作用，使系統狀態發生變化，并趨于平衡狀態。當系統處于不平衡狀態時，其狀態難以用簡單的數值表示，也無法在狀態參數坐標在平衡狀態下，由氣態物質組成的系統，只要知道兩個獨立的狀態參數，系統的狀態就完全確定，即所有的狀態參數的數值完全確定。這說明，狀態參數之間存在著確定的函數關系。狀態參數之間的各種函數關系，統稱為熱力學函數。其中溫度、壓力和比體積三個基本狀態參數間的函數關系式是最基本的關系式，稱為狀態方程式，并可表示為或寫成對某一狀態參數的顯函數形式：理想氣體狀態方程式，或稱克拉貝龍方程式，是大家所熟悉的一個狀態方程式。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，即po=101325Pa及T?=273.15K,并利用該狀態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)理想氣體狀態方程式，反映出了在平衡狀態下氣體的溫度、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，氣體的狀態參數之間的關系就基本上符合理想氣體狀態方程式。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，當活塞先發生膨脹而壓力降低，接著其余部分氣體也逐步發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。這時系統本身也處于平衡狀態。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，系統和熱源間達到熱平衡，系統本身也達到一 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，而工質的變化過程很接近準靜態過程。即使在氣流速度較高、狀態變化較快的渦輪式機器中，當它穩定工作時，氣流中氣體狀態的變化仍可近似地按準靜態過程進行分析。在狀態參數坐標圖上，準靜態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個準靜態過程。如果系統由狀態1'到2'的變化經歷的不是準靜態過程，即過程中系統經歷的是一系列不平衡狀態，則除I'及2′兩個平衡狀態外，整個過程經歷的狀態無法表示在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為機械功，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，所以系統本身宏觀運動的動能及離地一定高度的重力位能等系統本身直接由系統容積變化和外界發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，當氣體發生膨脹而推動活塞升起時，系統即對外界作膨脹功。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過程中系統對外界所作膨脹功的若該系統中氣體的質量為m,則按1kg氣體計算的膨脹功為當準靜態過程中系統的壓力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狀態變化的關系為pv=P?V?=常量，則該過程中系 系統所作的容積變化功。如圖1-9所示，若在準靜態過程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過程1-2中系統所作的容積變化功。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1到狀態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。固態物質間熱量傳遞的過程也相類似，只是固態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生相互作用而傳遞的能量；功則是物體問通過有規則的微觀運動或宏觀的運動發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。通常規定，系統吸熱時熱量為正，系統放熱時熱量為負。熱力學系統和外界間進行的各種能量傳遞過程所遵循的規律是類似的，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生變化而傳遞機械功的現象，熱力學中引用勢和狀態坐標兩類狀態參數，把各種能量傳遞過程都描述為系統在勢參數的作用下，狀態坐標發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，當系統和外界間傳遞容積變化功時，推動作功的勢是壓力，狀態坐標是比體積，比體積的變化則是衡量作功的標志：比體積增大系統對外作功，比體積減小外界對系統作功；比體積不變，則無論狀態發生何種變化，系統和外界無容積變化功的交換。與此類似，當系統和外界傳遞熱量時，系統的溫度是推動熱量傳遞的勢，而作為傳遞熱量作用的狀態坐標必然有一個狀態參數，這個狀態參數稱為熵，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過程中也即可逆過程中，系統和外界傳由該式可知，系統吸熱時它的熵增大；系統放熱這里，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，一條曲線可代表一個準靜態過程。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過程，即可逆過程中系統和外界傳遞的熱量，即。當s?>s?時表示系統吸熱；當s?<s時表示系統放熱。溫熵圖給分析系統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工作都要重新吸入新鮮空氣，而且每次循環中工質的化學組成還要發生變化，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變化過程來替代它。這時，把工質化學組成發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，周而復始地循環工作。熱力學中，把系統由初始狀態出發，經過一系列中間狀態后，重新回到初始狀態所完成的一個封閉的熱力過程，稱為熱力循環，或簡稱循環。若循環中系統經歷的是準靜態過程，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。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，外界對系統作功。于是整個熱力循環中系統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，系統吸熱；而在過程c-d-a中，熱量為負，系統放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