第一篇工程熱力學第一章基本概念1-1

熱機、工質、熱源與熱力系統熱機：能將熱能轉換為機械能的機器。如蒸汽機、蒸汽輪機、燃氣輪機、內燃機和噴氣發動機等。

工質：實現熱能和機械能之間轉換的媒介物質。

熱源：本身熱容量很大，且在放出或吸收有限量熱量時自身溫度及其它熱力學參數沒有明顯變化的物體。

例如：空氣、燃氣、水蒸氣、等。例如：鍋爐、循環水池、大氣等。提供熱量的熱源稱為高溫熱源；吸收熱量的熱源稱為低溫熱源。熱力系統：

在工程熱力學中，通常選取一定的工質或空間作為研究的對象，稱之為熱力系統，簡稱系統。系統以外的物體稱為外界或環境。系統與外界之間的分界面稱為邊界。

邊界閉口系統（1）閉口系統：

與外界無物質交換的系統。系統的質量始終保持恒定，也稱為控制質量系統。

外界（2）開口系統：

與外界有物質交換的系統。系統的容積始終保持不變，也稱為控制容積系統。

進口出口（3）絕熱系統：

與外界沒有熱量交換的系統。（4）孤立系統：

與外界

既無能量（功、熱量）交換又無物質交換的系統。1-2

平衡狀態及基本狀態參數1.平衡狀態（1）熱力狀態：

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。

（2）平衡狀態：

系統內部各處的宏觀性質均勻一致、不隨時間而變化的狀態稱為平衡狀態。

系統內部不存在熱量傳遞，即各處的溫度均勻一致的狀態稱為熱平衡狀態。（4）非平衡狀態：

系統內部存在不平衡勢（溫差或壓差），因此存在能量或質量傳遞的宏觀物理狀況。非平衡狀態不能用狀態參數來描寫。

狀態參數的特點：（3）狀態參數：

用于描述系統平衡狀態的物理量稱為狀態參數，如溫度、壓力、比體積等。狀態確定，狀態參數的數值也確定，反之亦然。2.基本狀態參數

工程熱力學中常的狀態參數有壓力、溫度、比體積、比熱力學能、比焓、比熵等，其中可以直接測量的狀態參數有壓力、溫度、比體積，稱為基本狀態參數。

（1）壓力單位面積上所受到的垂直作用力（即壓強）單位:Pa（帕），1Pa=1N/m2，

1MPa=103kPa=106Pa

常用壓力單位：

1bar（巴）=105

Pa

1atm（標準大氣壓）

=1.013

105

Pa

1at（工程大氣壓）

=0.981

105

Pa

1mmH2O（毫米水柱）

=9.81Pa1mmHg（毫米汞柱）

=133.3Pa壓力測量：絕對壓力p、大氣壓力pb、表壓力pe、真空度pv

只有絕對壓力p才是狀態參數。（2）溫度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部微觀粒子熱運動的強弱。當兩個溫度不同的物體相互接觸時，它們之間將發生熱量傳遞，如果沒有其它物體影響，這兩個物體的溫度將逐漸趨于一致，最終將達到熱平衡（即溫度相等）。所以溫度是熱平衡的判據。1）溫度的物理意義溫度相等熱平衡2）熱力學第零定律：

如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于熱平衡，則這兩個物體彼此也必處于熱平衡。熱力學第零定律是溫度測量的理論依據。ABC3）溫標：溫度的數值表示法。

建立溫標的三個要素：

a.選擇溫度的固定點，規定其數值；b.確定溫度標尺的分度方法和單位；c.選擇某隨溫度變化的物性作為溫度測量的依據。攝氏溫標:

在標準大氣壓下，純水的冰點溫度為0℃

，純水的沸點溫度為100℃，純水的三相點（固、液、汽三相平衡共存的狀態點）溫度為0.01℃。瑞典天文學家攝爾修斯（Celsius）于1742年建立。用攝氏溫標確定的溫度稱為攝氏溫度，用符號t表示，單位為℃。

選擇水銀的體積作為溫度測量的物性，認為其隨溫度線性變化，并將0℃

和100℃溫度下的體積差均分100份，每份對應1℃。

用熱力學溫標確定的溫度稱為熱力學溫度，用符號T表示，單位為K（開）。熱力學溫標（絕對溫標）:

英國物理學家開爾文（Kelvin)在熱力學第二定律基礎上建立，也稱開爾文溫標。熱力學溫標取水的三相點為基準點，并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當于水的三相點溫度的1/273.16.。熱力學溫標與攝氏溫標的關系：溫差:1K=1℃t=T

–273.15K國際單位制（SI）采用熱力學溫T度作為基本狀態參數。4)溫度的測量a.接觸式:水銀溫度計、酒精溫度計熱電偶、電阻溫度計等。b.非接觸式:光學輻射高溫計激光全息干涉儀CARS（相干反斯托克斯喇曼光譜）法（3）比體積定義：單位質量的工質所占有的體積，用符號v表示，單位為m3/kg。密度：單位體積工質的質量，用符號

表示。單位為kg/m3。

比體積和密度二者相關，通常以比體積作為狀態參數。1-3

狀態方程與狀態參數坐標圖（1）狀態公理對于和外界只有熱量和體積變化功（膨脹功或壓縮功）的簡單可壓縮系統，只需兩個獨立的參數（如p、v；p、T或v、T）便可確定它的平衡狀態。

（2）狀態方程式表示狀態參數之間關系的方程式稱為狀態方程式。如：（2）狀態參數坐標圖在以兩個獨立狀態參數為坐標的平面坐標圖上，每一點都代表一個平衡狀態。以獨立狀態參數為坐標的坐標圖。1-4

準平衡過程和可逆過程

（1）熱力過程系統由一個狀態到達另一個狀態的變化過程。

（2）準平衡過程（準靜態過程）

所經歷的每一個狀態都無限地接近平衡狀態的過程。在狀態參數坐標圖上，準平衡過程可以近似地用連續的實線表示。

在系統內外的不平衡勢（如壓力差、溫度差等）較小、過程進行較慢、弛豫時間非常短的情況下，可以將實際過程近似地看作為準平衡過程。pv12（3）可逆過程

如果系統完成了某一過程之后可以沿原路逆行回復到原來的狀態，并且不給外界留下任何變化，這樣的過程為可逆過程。實際過程都是不可逆過程，如傳熱、混合、擴散、滲透、溶解、燃燒、電加熱等。可逆過程是一個理想過程。可逆過程的條件：準平衡過程＋無耗散效應。1-5

功量與熱量

1.功量與示功圖

(1)膨脹功

工質在體積膨脹時所作的功稱為膨脹功。

符號：W

單位：W或kJ

對于微元可逆過程，對于可逆過程1～2：單位質量工質所作的膨脹功用符號w表示，單位為J/kg或kJ/kg。(2)示功圖（p-v圖）

功是過程量而不是狀態量。膨脹：dv>0,w>0壓縮：dv

<

0,w<0

w的大小可以p-v圖上的過程曲線下面的面積來表示。2.熱量與示熱圖

（1）熱量

系統與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱量。符號：Q；單位：J或kJ。

單位質量工質所傳遞的熱量用q表示，單位為J/kg

或kJ/kg。熱量正負的規定：系統吸熱：q>0;系統放熱：q<0。

熱量和功量都是系統與外界在相互作用的過程中所傳遞的能量，都是過程量而不是狀態量

在可逆過程中，系統與外界交換的熱量與功量的計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一樣是工質的狀態參數。

比熵的定義式：

（可逆過程）比熵的單位為J/(kg·K)

或

kJ/(kg·K)

。對于質量為m的工質，S