第一章 基本概念及定义.pptx

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1、工程热力学工程热力学(双语双语)（Engineering Thermodynamics)华东理工大学华东理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 周帼彦周帼彦(教授教授)曹军曹军 (讲师讲师)University of Glasgow School of Mechanical and Power EngineeringProf.John Howell 个人简介个人简介2000年年9月月 2009年年1月月 上海交通大学上海交通大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 本本、硕硕、博博2008年年10月月 2013年年2月月 日本富士施乐公司日本富士施乐公司 东京研发总部东京研发总部 电

2、子纸电子纸(E-paper)技术实验室技术实验室 2013年年5月月 至今至今 华东理工大学华东理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 讲师讲师 研究方向：研究方向：微能源化工系统中的传递及反应过程。微能源化工系统中的传递及反应过程。曹军曹军 1981年年生生 动力动力工程及工程热物理专业工程及工程热物理专业 工学工学博士博士联系方式：联系方式：Email:热力学热力学热力学热力学 Thermodynamics 研究物质的能量，能量传递和转换以及研究物质的能量，能量传递和转换以及能量与物质性质之间普遍关系的科学。能量与物质性质之间普遍关系的科学。神雕侠侣神雕侠侣射雕英雄传射雕英雄传倚天

3、屠龙记倚天屠龙记传热学传热学工程热力学工程热力学数值传热学数值传热学热力学热力学我国热力学领域的大师我国热力学领域的大师陶文铨陶文铨 院士院士西安交通大学西安交通大学王补宣院士王补宣院士清华大学清华大学过增元院士过增元院士清华大学清华大学郑平院士郑平院士上海交通大学上海交通大学工程热力学所属学科工程热力学所属学科工程热物理工程热物理热能工程热能工程动力机械及工程动力机械及工程流体机械及工程流体机械及工程制冷与低温工程制冷与低温工程化工过程机械化工过程机械华东理工大学华东理工大学全国重点学科全国重点学科动力工程动力工程与与工程工程热热物理物理教材及其著者教材及其著者童钧耕童钧耕 先生先生授课内容

4、授课内容中文中文部分部分0-0-绪论绪论1-1-基本概念及定义基本概念及定义3 3 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质4 4 气体和蒸汽的基本热力过程气体和蒸汽的基本热力过程5 5 热力学第二定律热力学第二定律2-2-热力学第一定律热力学第一定律英文部分英文部分7 7 气体与蒸汽的流动气体与蒸汽的流动9 9 气体动力循环气体动力循环10 10 蒸汽动力装置循环蒸汽动力装置循环11 11 制冷循环制冷循环12 12 理想气体混合物及湿空气理想气体混合物及湿空气8 8 压气机的热力过程压气机的热力过程u课时安排：课时安排：1616次课次课(32(32学时）学时）u中文上课：中文上课：第第1-81-8

5、周周 每周二每周二上午上午第第3-43-4节节 共共7 7次课次课u英文上课：英文上课：9 9月月2828日，日，9 9月月2929日，日，9 9月月3030日，日，1010月月8 8日，日，1010月月9 9日日 5 5个工作日内完成个工作日内完成3 3次次 共共3 3次次 10 10月月2222日，日，1010月月2323日日 2 2个工作日内完成个工作日内完成 1 1次次 共共1 1次次 第第9 9周，第周，第1010周周 周二上午周二上午 3-43-4节节 共共2 2次次 第第9 9周，第周，第1010周分别再增加周分别再增加1 1次。次。共共2 2次次,累计累计8 8次课次课u 中文

6、上课中文上课 第第1111周周 周二上午周二上午 3-43-4节节(总结总结)合计合计8 8次课次课 关于排课安排关于排课安排u考试：考试：第第1313周周(11(11月月2323日日)闭卷闭卷u题目：题目：满分满分100100分，分，中英文各占中英文各占5050分分最终成绩最终成绩(满分满分100分分)课后作业课后作业10分分课堂出勤课堂出勤10分分期末考试期末考试80分分(换算换算)关于上课及成绩关于上课及成绩工程热力学工程热力学 之之绪绪 论论机械与动力工程学院机械与动力工程学院曹军曹军2015年年9月月1日日 内容内容0-1 0-1 热能及其利用热能及其利用0-3 0-3 工程热力学的

7、主要内容及研究方法工程热力学的主要内容及研究方法0-2 0-2 热力学发展简史热力学发展简史 能源利用与社会发展能源利用与社会发展u 人类社会的发展史即是对能源的利用史。人类社会的发展史即是对能源的利用史。u 人类的生存离不开对能源的利用。人类的生存离不开对能源的利用。u 对高效清洁能源的开发和利用水平是综合对高效清洁能源的开发和利用水平是综合国力的体现之一。国力的体现之一。人类社会发展与能源利用人类社会发展与能源利用海湾战争海湾战争1991.1.17-热能利用与技术进步热能利用与技术进步“泽泽中有火中有火”,“,“上火下泽上火下泽”。-西周西周易经易经：“石油气味和雄硫同，故杀虫治疮石油气味

8、和雄硫同，故杀虫治疮”。-明明 李时珍李时珍 本草纲目本草纲目“石漆，高奴县石脂水，水腻浮上，如漆，石漆，高奴县石脂水，水腻浮上，如漆，采以膏车及燃灯，极明采以膏车及燃灯，极明”。-唐唐段段成成武武酉阳杂俎酉阳杂俎.卷十卷十.物异类物异类“鄜鄜(fu)(fu)、延境内有石油，旧说延境内有石油，旧说高奴县出脂水高奴县出脂水，即此也。生于水际沙石，与，即此也。生于水际沙石，与泉水相杂，惘惘泉水相杂，惘惘而而出出颇颇似淳漆，然之如麻，但烟甚浓，所沾幄幕皆黑似淳漆，然之如麻，但烟甚浓，所沾幄幕皆黑。余余疑其烟可用，试扫其煤以为墨，黑光如漆，松墨不及疑其烟可用，试扫其煤以为墨，黑光如漆，松墨不及也也此此

9、物后必大行于物后必大行于世，自余始为之。盖石油至多，生于地中无穷，不若松木有时而竭世，自余始为之。盖石油至多，生于地中无穷，不若松木有时而竭。-宋宋沈括沈括 梦溪笔谈梦溪笔谈我国的热能利用史我国的热能利用史-石油石油清洁能源利用清洁能源利用-太阳能及风能太阳能及风能新疆新疆阿拉山口阿拉山口 (世界世界七大风口七大风口之一之一)太阳能太阳能利用利用华东理工大学开发的华东理工大学开发的鄂尔多斯单鄂尔多斯单炉日处理煤炉日处理煤25002500吨吨多多喷嘴对置式水煤浆气化工业装置喷嘴对置式水煤浆气化工业装置 清洁能源利用清洁能源利用-煤气化工业装置煤气化工业装置工程热力学工程热力学 第一章第一章 基本

10、概念及定义基本概念及定义(1)(1)机械与动力工程学院机械与动力工程学院 曹曹 军军2014年年9月月3日日 内容内容1-1 1-1 热能和机械能的相互转换热能和机械能的相互转换1-4 1-4 平衡状态，状态方程式，坐标图平衡状态，状态方程式，坐标图1-3 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数1-2 1-2 热力系统热力系统1-7 1-7 热力循环热力循环1-6 1-6 过程功和热量过程功和热量1-5 1-5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程1-8 1-8 本章小结本章小结1-11-1 热能和机械能的相互转换热能和机械能的相互转换能源的能源的分类分类能源

11、能源风风能能水水利利能能燃燃料料化化学学能能太太阳阳能能地地热热能能原原子子能能生生物物质质能能机械能机械能热能热能u能量的利用过程即为能量的能量的利用过程即为能量的传递和转化传递和转化过程。过程。u经过经过热能热能形式利用的能量，世界平均形式利用的能量，世界平均85%，我国，我国90%以上以上。u热能的利用方式：热能的利用方式：直接热利用直接热利用及及热能的动力利用热能的动力利用能量转换装置的分类能量转换装置的分类能量转能量转换装置换装置热能动力装置热能动力装置制冷装置及热泵制冷装置及热泵燃料电池等燃料电池等热能热能机械能机械能机械功机械功(电能等电能等)热能转移热能转移化学能化学能机械能机

12、械能(电能电能)燃料化学能燃料化学能热能热能锅锅 炉炉核电站核电站能量转换能量转换装置装置-化学能化学能热能热能 24学时，教科书前学时，教科书前5章章一共教室上课一共教室上课11次课，实验课次课，实验课1次。次。核电站的发电流程示意图核电站的发电流程示意图能量转换能量转换装置装置-核电站核电站能量转换装置能量转换装置-发动机发动机燃料化学能燃料化学能机械能机械能能量转换装置能量转换装置-国际空间站太阳能帆板国际空间站太阳能帆板太阳能太阳能 电能电能能量转换装置能量转换装置-阳光动力阳光动力2号号太阳能太阳能 电能电能 机械能机械能能量转换能量转换装置装置-空调空调电能电能 热能转移热能转移能

13、量转换装置能量转换装置-燃料电池燃料电池化学能化学能 电能电能H2O2H2O工程热力学关注的能量工程热力学关注的能量转换转换装置装置能量转能量转换装置换装置热能动力装置热能动力装置制冷装置及热泵制冷装置及热泵燃料电池等燃料电池等热能热能机械能机械能机械功机械功(电能等电能等)热能转移热能转移化学能化学能机械能机械能(电能电能)热能动力装置热能动力装置(热机热机)的类型的类型热能动力装置热能动力装置(Thermal power plant)从燃料燃烧中获得从燃料燃烧中获得热能热能并利用热能得到并利用热能得到动力动力的整套设备的整套设备。热能动力热能动力装置装置蒸汽蒸汽动力装置动力装置Steam

14、power plant燃气燃气动力装置动力装置Combustion gas power plant内燃机内燃机(Internal combustion gas engine)燃气轮机燃气轮机(Gas turbine power plant)喷气发动机喷气发动机(Jet power plant)热电厂热电厂(Thermal power plant)核电站核电站(Nuclear power station)蒸汽动力装置蒸汽动力装置汽轮机汽轮机锅炉锅炉冷凝冷凝装置装置作功作功 水水过热蒸汽过热蒸汽乏汽乏汽汽轮机汽轮机核反核反应堆应堆冷凝冷凝装置装置作功作功 水水过热蒸汽过热蒸汽乏汽乏汽热电厂热电厂核

15、电站核电站热能动力装置热能动力装置(热机热机)的共同本质的共同本质（1 1）具有）具有 热源热源(高温热源，低温热源高温热源，低温热源)及及工质工质；(2)2)具有具有 吸热吸热膨胀作功膨胀作功排热排热 过程。过程。对工质的要求对工质的要求物质三态中物质三态中气态气态最适宜最适宜。1 1）膨胀性）膨胀性 2 2）流动性）流动性 3 3）热容量）热容量 4 4）稳定性，安全性）稳定性，安全性 5 5）对环境友善）对环境友善 6 6）价廉，易大量获取）价廉，易大量获取工质工质(Working substance;Working medium)定义：定义：实现热能和机械能相互转化的实现热能和机械能相

16、互转化的媒介物质媒介物质。u 依靠工质在热机中的状态变化（如膨胀）才能获得功依靠工质在热机中的状态变化（如膨胀）才能获得功u 做功通过工质才能传递热做功通过工质才能传递热常见工质常见工质水蒸汽水蒸汽燃气燃气制冷剂制冷剂 氨氨 氟利昂氟利昂 R134a R134a 碳氢制冷剂等碳氢制冷剂等热源热源(Heat source;Heat reservoir)定义：定义：与工质进行热交换的物质系统。与工质进行热交换的物质系统。高温热源高温热源 热源热源（heat source):工质从中吸取热能工质从中吸取热能热源热源低温热源低温热源 冷源（冷源（heat sink）：）：接受工质排出的热能接受工质排出

17、的热能恒温热源（恒温热源（constant heat reservoir):大气环境大气环境热源热源变温热源变温热源（variable temperature heat reservoir）热能机械能的转换过程热能机械能的转换过程 举例举例蒸汽机蒸汽机锅炉锅炉冷凝冷凝装置装置作功作功水循环水循环(工质工质)(高温热源高温热源)(低温热源低温热源)液态水液态水过热蒸汽过热蒸汽乏汽乏汽液态水液态水1-21-2 热力系统热力系统热力系统热力系统(Thermodynamic system)定义：定义：人为人为分割出来，作为热力学研究对象的分割出来，作为热力学研究对象的有限有限物质系统。物质系统。热力系

18、统热力系统边界边界外界外界边界：边界：系统系统与外界的分界面（线与外界的分界面（线）:与与体系发生体系发生质、能质、能交换的物系。交换的物系。1 1）系统与外界的人为性）系统与外界的人为性2 2）外界与环境介质有所区别）外界与环境介质有所区别3 3）边界可以是：）边界可以是：a a）刚性的或可变形的）刚性的或可变形的 或有弹性的或有弹性的 b b）固定的或可移动的）固定的或可移动的 c c）实际的或虚拟的）实际的或虚拟的系统，边界及外界的特点系统，边界及外界的特点热力系统热力系统(Thermodynamic system)与外界与外界有质量有质量交换：交换：开口系统开口系统 没有质量没有质量交

19、换：交换：闭口系统闭口系统 没有没有热量热量交换：交换：绝热系统绝热系统既没有质量也没有既没有质量也没有热量热量交换：交换：孤立系统孤立系统开口开口系统系统空气进口空气进口燃料进口燃料进口废气出口废气出口闭口系统闭口系统绝热系统及孤立系统绝热系统及孤立系统绝热系统绝热系统孤立系统孤立系统热力系统分类热力系统分类(思考题思考题)红线内红线内 闭口绝热系闭口绝热系黄线内不包含电热丝黄线内不包含电热丝 闭口系闭口系黄线内包含电热丝黄线内包含电热丝 闭口绝热系闭口绝热系蓝线内蓝线内 孤立系孤立系刚性刚性绝热绝热气缸气缸-活塞系统，活塞系统，B B侧设有电热侧设有电热丝，请分析：丝，请分析：红线内红线内

20、 黄线内不包含电热丝黄线内不包含电热丝黄黄线内包含电热线内包含电热丝丝蓝蓝线内线内 分别是什么系统。分别是什么系统。1-31-3 工质工质的热力学状态的热力学状态 和基本状态参数和基本状态参数热力学状态和状态参数热力学状态和状态参数状态参数状态参数（State properties）描述物系所处描述物系所处平衡状态平衡状态的的宏观宏观物理量物理量 热力学状态热力学状态（State of thermodynamic system）工质工质在热力变化过程中的某一在热力变化过程中的某一瞬间瞬间所呈现的所呈现的宏观宏观物理状况物理状况特特 点点u状态参数是状态参数是宏观量宏观量，是大量粒子的统计平均效

21、，是大量粒子的统计平均效 应，只有应，只有平衡态平衡态才有状才有状态参数，系统有态参数，系统有多多个状态参数，如个状态参数，如u状态参数是状态参数是单值函数单值函数，值取决于给定的状态，而与如何到达这一状态，值取决于给定的状态，而与如何到达这一状态无关。无关。u广延量的广延量的比参数比参数具有强度量特性，不具备可加性具有强度量特性，不具备可加性状态参数的分类状态参数的分类状态参数状态参数强度量强度量Intensive property广延量广延量Extensive property温度，压力温度，压力 (与质量多少无关与质量多少无关)体积，热力学能，焓，熵体积，热力学能，焓，熵u工程热力学约定

22、：工程热力学约定：广延参数广延参数-大写字母，大写字母，比参数比参数-小写字母小写字母基本状态参数基本状态参数：温度温度T，压力，压力p，体积，体积Vu热力学温标热力学温标(T)Kelvin scale;Absolute temperature scale u国际摄氏温标国际摄氏温标（t）International Celsius temperature scale)基本基本状态参数状态参数-温度温度(Temperature)温度：温度：物质物质冷热程度冷热程度的标志。的标志。从微观上看，标志物质从微观上看，标志物质分子热运动分子热运动的激烈程度。的激烈程度。温标（温标（Temperature

23、 scale）温度的数值表示法温度的数值表示法水的三相点温度水的三相点温度绝对零度标准大气压下标准大气压下纯水沸点纯水沸点0 32 25 77 100 212 基本基本状态参数状态参数-温度温度(Temperature)摄氏摄氏(Centigrade)华氏华氏(Fahrenheit)t=5/9t -32t =9/5t +温度计温度计水银温度计水银温度计热电偶热电偶红外辐射测温仪红外辐射测温仪微通道荧光测温方法微通道荧光测温方法接触式测温接触式测温非接触式测温非接触式测温基本基本状态参数状态参数-压力压力(Pressure)压力：压力：单位面积上所受的垂直作用力。单位面积上所受的垂直作用力。(国

24、际单位：国际单位：Pa)Pa)分子分子运动学：气体的压力是大量气体分子撞击器壁的运动学：气体的压力是大量气体分子撞击器壁的平均结果平均结果。常用压力单位常用压力单位绝对压力绝对压力 p (absolute pressure)-真实压力真实压力 压力计所压力计所测得的压力测得的压力是工质的真实压力是工质的真实压力(绝对压力绝对压力)与环境介质压力之与环境介质压力之差差。基本基本状态参数状态参数-压力压力(Pressure)表压力表压力 pe (gauge pressure)：高于高于大气压力的大气压力的差数差数真空度真空度 pv (vacuum pressure)：低于低于大气压力的大气压力的差

25、数差数基本状态参数基本状态参数-压力压力表压力表压力真空度真空度零压力面零压力面大气大气压力面压力面比体积比体积(Specific volume)单位质量工质的体积单位质量工质的体积密度密度(Density)单位体积工质的质量单位体积工质的质量两者关系两者关系:基本基本状态参数状态参数-比体积及密度比体积及密度1-41-4 平衡状态平衡状态 状态方程式状态方程式 坐标图坐标图平衡状态平衡状态（Equilibrium state）定义：定义：无外界影响无外界影响的条件下，系统的状态参数能够始终保持不变，的条件下，系统的状态参数能够始终保持不变，则称系统的这种状态为则称系统的这种状态为 平衡状态平

26、衡状态。组成热力系统的各部分之间组成热力系统的各部分之间没有热量的传递没有热量的传递 热平衡热平衡(Thermal equilibrium）组成热力系统的各部分之间组成热力系统的各部分之间没有相对位移没有相对位移力平衡力平衡(Mechanical equilibrium）同时具备了热和力的平衡同时具备了热和力的平衡 热力平衡热力平衡(Thermal equilibrium）u不平衡状态的系统，在没有外界条件的影响下，总会自发趋于平衡状态。不平衡状态的系统，在没有外界条件的影响下，总会自发趋于平衡状态。u系统受到外界的影响，就不能保持平衡状态。系统受到外界的影响，就不能保持平衡状态。u系统和外界

27、间相互作用的最终结果，必然是共同达到一个新的平衡状态。系统和外界间相互作用的最终结果，必然是共同达到一个新的平衡状态。 平衡可不均匀平衡可不均匀 稳定未必平衡稳定未必平衡平衡与均匀平衡与均匀平衡与稳定平衡与稳定平衡状态平衡状态（Equilibrium state）液相液相汽相汽相状态方程式状态方程式定义：定义：系统系统处于平衡状态处于平衡状态时，状态参数服从一定的关系式，时，状态参数服从一定的关系式，这样的关系式叫做这样的关系式叫做状态方程式。状态方程式。理想气体状态方程理想气体状态方程式式理想气体状态方程理想气体状态方程（Ideal-gas equation;Clapeyrons equat

28、ion）R摩尔气体常数摩尔气体常数(Molar gas constant)：与气体状态无关，与气体种类无关与气体状态无关，与气体种类无关 忽略气体分子的自身体积，将分子看成是有质量的几何点；忽略气体分子的自身体积，将分子看成是有质量的几何点；假设分子间没有相互吸引和排斥，假设分子间没有相互吸引和排斥，分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞是完全弹性的，不造成动能损失。分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞是完全弹性的，不造成动能损失。理想气体理想气体范德瓦尔方程范德瓦尔方程（a,b为物性常数为物性常数）R-K方程方程 (a,b为物性常数为物性常数)实际气体状态方程式实际气体状态方程式实际气体实际气体(

29、real gas;imperfect gas)的状态方程的状态方程状态参数坐标图状态参数坐标图（Parametric coordinates）简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平面坐标简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平面坐标上一点确定其状态上一点确定其状态;反之反之,任一状态可在平面坐标上找到对应点。任一状态可在平面坐标上找到对应点。pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3OOO工程热力学工程热力学 第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义(2)(2)机械与动力工程学院机械与动力工程学院 曹军曹军 (讲师讲师)2015年年9月月7日日 ReviewR工程热力学工程热力学工程工程热

30、力学热力学 Engineering Thermodynamicsu 研研究究热热能能与与其其它它形形式式能能量量（主主要要是是机机械械能能）之之间间的的转转换换规律及其工程应用。规律及其工程应用。u掌掌握握工工程程热热力力学学的的基基本本原原理理将将为为在在能能源源、动动力力、机机械械、航航空空航航天天、化化工工、生生物物工工程程及及环环境境工工程程等等领领域域内内的的研研究究奠定坚实基础。奠定坚实基础。能源的能源的分类分类能源能源风风能能水水利利能能燃燃料料化化学学能能太太阳阳能能地地热热能能原原子子能能生生物物质质能能机械能机械能热能热能u能量的利用过程即为能量的能量的利用过程即为能量的传

31、递和转化传递和转化过程。过程。u经过经过热能热能形式利用的能量，世界平均形式利用的能量，世界平均85%，我国，我国90%以上以上。u热能的利用方式：热能的利用方式：直接热利用直接热利用及及热能的动力利用热能的动力利用工程热力学关注的能量工程热力学关注的能量转换转换装置装置能量转能量转换装置换装置热能动力装置热能动力装置制冷装置及热泵制冷装置及热泵燃料电池等燃料电池等热能热能机械能机械能机械功机械功(电能等电能等)热能转移热能转移化学能化学能机械能机械能(电能电能)热能动力装置热能动力装置(热机热机)的类型的类型热能动力装置热能动力装置(Thermal power plant)从燃料燃烧中获得从

32、燃料燃烧中获得热能热能并利用热能得到并利用热能得到动力动力的整套设备的整套设备。热能动力热能动力装置装置蒸汽蒸汽动力装置动力装置Steam power plant燃气燃气动力装置动力装置Combustion gas power plant内燃机内燃机(Internal combustion gas engine)燃气轮机燃气轮机(Gas turbine power plant)喷气发动机喷气发动机(Jet power plant)热电厂热电厂(Thermal power plant)核电站核电站(Nuclear power station)蒸汽动力装置蒸汽动力装置汽轮机汽轮机锅炉锅炉冷凝冷凝装

33、置装置作功作功 水水过热蒸汽过热蒸汽乏汽乏汽汽轮机汽轮机核反核反应堆应堆冷凝冷凝装置装置作功作功 水水过热蒸汽过热蒸汽乏汽乏汽热电厂热电厂核电站核电站热能动力装置热能动力装置(热机热机)的共同本质的共同本质（1 1）具有）具有 热源热源(高温热源，低温热源高温热源，低温热源)及及工质工质；(2)2)具有具有 吸热吸热膨胀作功膨胀作功排热排热 过程。过程。对工质的要求对工质的要求物质三态中物质三态中气态气态最适宜最适宜。1 1）膨胀性）膨胀性 2 2）流动性）流动性 3 3）热容量）热容量 4 4）稳定性，安全性）稳定性，安全性 5 5）对环境友善）对环境友善 6 6）价廉，易大量获取）价廉，易

34、大量获取工质工质(Working substance;Working medium)定义：定义：实现热能和机械能相互转化的实现热能和机械能相互转化的媒介物质媒介物质。u 依靠工质在热机中的状态变化（如膨胀）才能获得功依靠工质在热机中的状态变化（如膨胀）才能获得功u 做功通过工质才能传递热做功通过工质才能传递热常见工质常见工质水蒸汽水蒸汽燃气燃气制冷剂制冷剂 氨氨 氟利昂氟利昂 R134a R134a 碳氢制冷剂等碳氢制冷剂等热源热源(Heat source;Heat reservoir)定义：定义：与工质进行热交换的物质系统。与工质进行热交换的物质系统。高温热源高温热源 热源热源（heat s

35、ource):工质从中吸取热能工质从中吸取热能热源热源低温热源低温热源 冷源（冷源（heat sink）：）：接受工质排出的热能接受工质排出的热能恒温热源（恒温热源（constant heat reservoir):大气环境大气环境热源热源变温热源变温热源（variable temperature heat reservoir）热能机械能的转换过程热能机械能的转换过程 举例举例蒸汽机蒸汽机锅炉锅炉冷凝冷凝装置装置作功作功水循环水循环(工质工质)(高温热源高温热源)(低温热源低温热源)液态水液态水过热蒸汽过热蒸汽乏汽乏汽液态水液态水热力系统热力系统(Thermodynamic system)定义

36、：定义：人为人为分割出来，作为热力学研究对象的分割出来，作为热力学研究对象的有限有限物质系统。物质系统。热力系统热力系统边界边界外界外界边界：边界：系统系统与外界的分界面（线与外界的分界面（线）:与与体系发生体系发生质、能质、能交换的物系。交换的物系。1 1）系统与外界的人为性）系统与外界的人为性2 2）外界与环境介质有所区别）外界与环境介质有所区别3 3）边界可以是：）边界可以是：a a）刚性的或可变形的）刚性的或可变形的 或有弹性的或有弹性的 b b）固定的或可移动的）固定的或可移动的 c c）实际的或虚拟的）实际的或虚拟的系统，边界及外界的特点系统，边界及外界的特点热力系统热力系统(Th

37、ermodynamic system)与外界与外界有质量有质量交换：交换：开口系统开口系统 没有质量没有质量交换：交换：闭口系统闭口系统 没有没有热量热量交换：交换：绝热系统绝热系统既没有质量也没有既没有质量也没有热量热量交换：交换：孤立系统孤立系统热力学状态和状态参数热力学状态和状态参数状态参数状态参数（State properties）描述物系所处描述物系所处平衡状态平衡状态的的宏观宏观物理量物理量 热力学状态热力学状态（State of thermodynamic system）工质工质在热力变化过程中的某一在热力变化过程中的某一瞬间瞬间所呈现的所呈现的宏观宏观物理状况物理状况特特 点点

38、u状态参数是状态参数是宏观量宏观量，是大量粒子的统计平均效，是大量粒子的统计平均效 应，只有应，只有平衡态平衡态才有状才有状态参数，系统有态参数，系统有多多个状态参数，如个状态参数，如u状态参数是状态参数是单值函数单值函数，值取决于给定的状态，而与如何到达这一状态，值取决于给定的状态，而与如何到达这一状态无关。无关。u广延量的广延量的比参数比参数具有强度量特性，不具备可加性具有强度量特性，不具备可加性状态参数的分类状态参数的分类状态参数状态参数强度量强度量Intensive property广延量广延量Extensive property温度，压力温度，压力 (与质量多少无关与质量多少无关)体

39、积，热力学能，焓，熵体积，热力学能，焓，熵u工程热力学约定：工程热力学约定：广延参数广延参数-大写字母，大写字母，比参数比参数-小写字母小写字母基本状态参数基本状态参数：温度温度T，压力，压力p，体积，体积Vu热力学温标热力学温标(T)Kelvin scale;Absolute temperature scale u国际摄氏温标国际摄氏温标（t）International Celsius temperature scale)基本基本状态参数状态参数-温度温度(Temperature)温度：温度：物质物质冷热程度冷热程度的标志。的标志。从微观上看，标志物质从微观上看，标志物质分子热运动分子热运动

40、的激烈程度。的激烈程度。温标（温标（Temperature scale）温度的数值表示法温度的数值表示法水的三相点温度水的三相点温度绝对零度标准大气压下标准大气压下纯水沸点纯水沸点基本基本状态参数状态参数-压力压力(Pressure)压力：压力：单位面积上所受的垂直作用力。单位面积上所受的垂直作用力。(国际单位：国际单位：Pa)Pa)分子分子运动学：气体的压力是大量气体分子撞击器壁的运动学：气体的压力是大量气体分子撞击器壁的平均结果平均结果。常用压力单位常用压力单位绝对压力绝对压力 p (absolute pressure)-真实压力真实压力 压力计所压力计所测得的压力测得的压力是工质的真实压

41、力是工质的真实压力(绝对压力绝对压力)与环境介质压力之与环境介质压力之差差。基本基本状态参数状态参数-压力压力(Pressure)表压力表压力 pe (gauge pressure)：高于高于大气压力的大气压力的差数差数真空度真空度 pv (vacuum pressure)：低于低于大气压力的大气压力的差数差数基本状态参数基本状态参数-压力压力表压力表压力真空度真空度零压力面零压力面大气大气压力面压力面比体积比体积(Specific volume)单位质量工质的体积单位质量工质的体积密度密度(Density)单位体积工质的质量单位体积工质的质量两者关系两者关系:基本基本状态参数状态参数-比体积

42、及密度比体积及密度平衡状态平衡状态（Equilibrium state）定义：定义：无外界影响无外界影响的条件下，系统的状态参数能够始终保持不变，的条件下，系统的状态参数能够始终保持不变，则称系统的这种状态为则称系统的这种状态为 平衡状态平衡状态。组成热力系统的各部分之间组成热力系统的各部分之间没有热量的传递没有热量的传递 热平衡热平衡(Thermal equilibrium）组成热力系统的各部分之间组成热力系统的各部分之间没有相对位移没有相对位移力平衡力平衡(Mechanical equilibrium）同时具备了热和力的平衡同时具备了热和力的平衡 热力平衡热力平衡(Thermal equi

43、librium）平衡状态平衡状态（Equilibrium state）u不平衡状态的系统，在没有外界条件的影响下，总会自发趋于平衡状态。不平衡状态的系统，在没有外界条件的影响下，总会自发趋于平衡状态。u系统受到外界的影响，就不能保持平衡状态。系统受到外界的影响，就不能保持平衡状态。u系统和外界间相互作用的最终结果，必然是共同达到一个新的平衡状态。系统和外界间相互作用的最终结果，必然是共同达到一个新的平衡状态。u工程热力学只研究平衡状态工程热力学只研究平衡状态 平衡可不均匀平衡可不均匀 稳定未必平衡稳定未必平衡平衡与均匀平衡与均匀平衡与稳定平衡与稳定平衡状态平衡状态（Equilibrium st

44、ate）液相液相汽相汽相平衡状态方程式平衡状态方程式u对于简单可压缩系统，当它处于平衡状态时，各部分具有对于简单可压缩系统，当它处于平衡状态时，各部分具有相同的压力，温度和比体积等参数，且这些参数服从一定相同的压力，温度和比体积等参数，且这些参数服从一定的关系式，这样的关系式叫做的关系式，这样的关系式叫做状态方程式状态方程式。理想气体理想气体状态方程状态方程式式理想气体状态方程理想气体状态方程（Ideal-gas equation;Clapeyrons equation）R摩尔气体常数摩尔气体常数(Molar gas constant)：与气体状态无关，与气体种类无关与气体状态无关，与气体种类

45、无关 忽略气体分子的自身体积，将分子看成是有质量的几何点；忽略气体分子的自身体积，将分子看成是有质量的几何点；假设分子间没有相互吸引和排斥，假设分子间没有相互吸引和排斥，分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞是完全弹性的，不造成动能损失。分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞是完全弹性的，不造成动能损失。理想气体理想气体范德瓦尔方程范德瓦尔方程（a,b为物性常数为物性常数）R-K方程方程 (a,b为物性常数为物性常数)实际实际气体气体(real gas;imperfect gas)状态方程状态方程式式状态参数坐标图状态参数坐标图（Parametric coordinates）简单可压缩系只有两个简单可

46、压缩系只有两个独立独立参数，所以可用平面坐标参数，所以可用平面坐标上一点确定其状态上一点确定其状态;反之反之,任一状态可在平面坐标上找到对应点。任一状态可在平面坐标上找到对应点。pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3OOO内容内容1-1 1-1 热能和机械能的相互转换热能和机械能的相互转换1-4 1-4 平衡状态，状态方程式，坐标图平衡状态，状态方程式，坐标图1-3 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数1-2 1-2 热力系统热力系统1-7 1-7 热力循环热力循环1-6 1-6 过程功和热量过程功和热量1-5 1-5 工质的状态变化过程工质的状态变化过

47、程1-8 1-8 本章小结本章小结1-51-5 工质工质的状态变化过程的状态变化过程能量转换的途径能量转换的途径热能动力装置热能动力装置热热 能能机械能机械能（1 1）具有）具有 热源热源(高温热源，低温热源高温热源，低温热源)及工质；及工质；(2)(2)具有具有 吸热吸热膨胀作功膨胀作功排热排热 过程。过程。共同特征共同特征u热能和机械能的相互转化必须通过热能和机械能的相互转化必须通过工质的状态变化过程工质的状态变化过程才能完成。才能完成。伴随着工质伴随着工质温度，体积，压力等温度，体积，压力等状态参数的变化。状态参数的变化。能量转换的途径能量转换的途径-工质的状态变化过程工质的状态变化过程

48、汽轮机汽轮机锅炉锅炉冷凝冷凝装置装置作功作功水循环水循环(工质工质)(煤释放化学能煤释放化学能)液态水液态水过热过热蒸汽蒸汽乏汽乏汽液态水液态水(得到机械能得到机械能oror电能电能)u在循环过程中，工质水的状态在循环过程中，工质水的状态（温度，压力和体积等）（温度，压力和体积等）一直在发生变化。一直在发生变化。u如何如何才能让工质水的状态发生变化才能让工质水的状态发生变化？工质状态变化的途径工质状态变化的途径u工质工质和和外界外界的热力平衡要被破坏。的热力平衡要被破坏。u工质工质和和外界外界有热和力的有热和力的不平衡，不平衡，存在不平衡势差。存在不平衡势差。平衡状态平衡状态不平衡状态不平衡状

49、态能量转换的过程能量转换的过程 （人为）制造（人为）制造工质和外界热力状态不平衡的过程工质和外界热力状态不平衡的过程How to research?!Quasi-equilibrium processThe answer is Quasi-equilibrium 准平衡过程准平衡过程(Quasi-equilibrium process)u当外界作用的力每次只改变一个当外界作用的力每次只改变一个微量微量，且两次改变的时间间隔，且两次改变的时间间隔大于大于 系统弛豫时间系统弛豫时间(工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需要的时间工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需要的时间)u工质每次工质每次偏离平衡状态

50、极小偏离平衡状态极小，而且，而且很快很快又重新又重新恢复恢复了平衡，了平衡，在整个状态变化过程中，在整个状态变化过程中，好像好像工质始终工质始终没有离开平衡状态没有离开平衡状态。u准平衡过程准平衡过程中的每一个状态都可用中的每一个状态都可用平衡状态平衡状态进行分析。进行分析。准平衡过程准平衡过程实际过程准平衡过程理想化理想化平衡状态u只有平衡状态只有平衡状态才服从状态方程式才服从状态方程式(理想气体状态方程理想气体状态方程)；u只有平衡状态只有平衡状态才能用状态参数图才能用状态参数图上的一点来表示。上的一点来表示。(不平衡状态因为不平衡状态因为系统各部分系统各部分的物理量的物理量一般不相同，在