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1、21世纪普通高等院校规划教材机械类热工基础秦萍袁艳平毕海权主编西南交通大学出版社成都内容提要热工基础理论是现代工程技术人员必备的技术基础知识，是21世纪工科类专业人才工程 素质的重要组成部分。本书是热工技术理论基础教材，分为工程热力学和传热学两部分。工 程热力学部分共8章，包括基本概念、热力学第一、第二定律，理想气体的热力性质及过程, 水蒸气、湿空气的热力性质及过程，气体和蒸气的流动，常见热工设备和装置的热力过程和 热力循环分析等。传热学部分共4章，包括导热、对流换热、辐射换热、传热过程和换热器 的基本概念、基本定律及基本计算方法等。本书适用于非能源动力类各专业本科生和能源动力类各专业大专生使
2、用，也可作为有关 工程技术人员的参考用书。书后附有必要的附表和附图及习题参考答案。图书在版编目（C I P）数据热工基础/秦萍，袁艳平，毕海权主编.成都：西南 交通大学出版社，2008.1221世纪普通高等院校规划教材.机械类ISBN 978-7-81104-958-9I.热n.秦袁毕m.热工学一高等学 校一教材IV.TK22中国版本图书馆CIP数据核字（2008）第198472号热工基础秦萍袁艳平毕海权主编*责任编辑王封面设计墨创文化西南交通大学出版社出版发行（成都二环路北一段111号邮政编码：610031发行部电话：028-87600564）http: /四川森林印务有限责任公司印刷*成品
3、尺寸：185 mmX260 mm 印张：16.875 插页：1字数：425千字2008年12月第1版 2008年12月第1次印刷ISBN 978-7-81104-958-9定价:29.00元内容提要热工基础理论是现代工程技术人员必备的技术基础知识，是21世纪工科类专业人才工程 素质的重要组成部分。本书是热工技术理论基础教材，分为工程热力学和传热学两部分。工 程热力学部分共8章，包括基本概念、热力学第一、第二定律，理想气体的热力性质及过程, 水蒸气、湿空气的热力性质及过程，气体和蒸气的流动，常见热工设备和装置的热力过程和 热力循环分析等。传热学部分共4章，包括导热、对流换热、辐射换热、传热过程和
4、换热器 的基本概念、基本定律及基本计算方法等。本书适用于非能源动力类各专业本科生和能源动力类各专业大专生使用，也可作为有关 工程技术人员的参考用书。书后附有必要的附表和附图及习题参考答案。图书在版编目（C I P）数据热工基础/秦萍，袁艳平，毕海权主编.成都：西南交通大学出版社,2008.12 （2009.2重印）21世纪普通高等院校规划教材.机械类ISBN 978-7-81104-958-9I.热n.秦袁毕m.热工学一高等学校一教材IV.TK22中国版本图书馆CIP数据核字（2008）第198472号热工基础秦萍袁艳平毕海权主编*责任编辑王封面设计墨创文化西南交通大学出版社出版发行（成都二环
5、路北一段111号邮政编码：610031发行部电话：028-87600564）http: /四川森林印务有限责任公司印刷*成品尺寸：185 mmX260 mm 印张：16.875 插页：1字数：425千字2008年12月第1版 2009年2月第2次印刷ISBN 978-7-81104-958-9定价:29.00元、，4 刖 百“热工基础”的主要研究内容是如何有效地利用热能，最大限度地提高热能利用率。 由于工业领域的各行各业及人们日常生活中，都离不开能源消费，在能源危机日趋严重的今 天，作为一个工程技术人员或现代管理人员，更应具备一定的热工基础知识，以便在实际工 作中面对与能源和热能有关的问题时，
6、能正确决策并能采取技术上先进、经济上合理的有效 措施，节能减排，提高劳动生产率。本书分为工程热力学和传热学两部分。工程热力学是研究能过转换与能讨有效利用的学 科。通过本课程的学习，使学生了解热力学的宏观研究方法，掌握热力学的基本概念和基本 原理，获得能显转换规律和有效利用能祀的基本知识，为解决工程实际问题打下理论基础。传热是生产生活中非常普遍的现象。传热学是研究热量传递过程及其规律的一门科学， 应用传热理论和实验成果指导强化传热或削弱传热，可以达到节能的目的。书中不仅注重热工基础理论的叙述，而且注重理论联系实际，对常见热工设备的工作原 理、构造特点，以及提高能量利用率的措施等都进行了分析和讲述
7、。对一些典型例题采用不 同方法求解，并进行讨论，帮助学生对复杂概念的理解。同时注意选编了一些密切联系工程 实际的例题、思考题和习题，以培养学生的工程意识和素养，提高学生分析解决实际工程问 题的能力。学习本课程的目的是：使学生着重从工程的角度，掌握热力学和传热学的基本规律，并 能正确运用这些规律理论联系实际地对热工设备进行热力过程、热力循环的分析和计算；同 时培养学生正确的逻辑思维能力，为学习后续有关专业课程提供必要的工程热力学和传热学 的基础理论知识和热力计算的基本方法；为学生毕业后从事工程设计、管理和科学研究提供 必要的热力学理论基础和良好的工程素质。本书第一、二、三、四、六章由秦萍编写，第
8、五、七、八、十二章由袁艳平编写，第九、 十、十一章由毕海权编写。在编写过程中得到张继苍、刘应清、敬成君等许多老师的帮助， 在此深表谢意。由于编者水平有限，书中难免有错误和不妥之处，敬请读者不吝赐教。编者2008年9月于西南交通大学目录绪 论1第一篇工程热力学第一章 基本概念和定义4第一节热力系统4第二节工质的热力状态及其基本状态参数5第三节平衡状态、状态公理及状态方程8第四节准平衡过程和可逆过程9思、考题11习 题12第二章 热力学第一定律14第一节热力学第一定律的实质14第二节系统的储存能14第三节功量与热量16第四节热力学第一定律及其解析式19第五节稳流能量方程式应用举例25思考题28习
9、题28第三章 理想气体的热力性质及过程30第一节理想气体及其状态方程式30第二节理想气体的比热容32第三节理想气体的热力学能、烙和嫡37yq 节- 壬里 ,昆 40第五节理想气体的热力过程45思考题57习 题58第四章 热力学第二定律60第一节热力学第二定律的表述及实质60第二节卡诺循环与卡诺定理62第三节炳方程与孤立系统嫡增原理67第四节做功能力和做功能力损失75思、考题82习 题83第五章 水蒸气85第一节基本概念85第二节水蒸气的定压发生过程87第三节水蒸气热力性质图表90第四节水蒸气的热力过程93思考题95习 题95第六章湿空气97第*节湿空气概述97第二节湿空气的状态参数98第三节湿
10、空气的湿度图（3”图）102第四节湿空气的热力过程实例分析104思、考题107习 题107第七章 气体与蒸气的流动109第一节一维稳定流动基本方程109第二节气体流速与状态参数、管道截面积变化的关系111第三节气体喷管的计算112第四节蒸气在喷管中的流动118思考题119习 题119第八章 热力循环121第一节蒸汽动力基本循环朗肯循环121第二节压气机循环124第三节活塞式内燃机循环127第四节燃气轮机装置循环129第五节压缩蒸气制冷循环133思考题138”138第二篇（工程）传热学第九章 导热141第一节导热的基本概念和定律141第二节导热微分方程和定解条件143第三节一维稳态导热146第四
11、节非稳态导热155第五节导热问题的数值解法163思、考题169习 题169第十章 对流换热171第一节对流换热的基本概念171第二节对流换热的基本方程组176第三节相似理论基础180第四节单相流体强迫对流换热的准则方程184第五节自然对流换热的准则方程200思、考题203习 题203第H章 辐射换热205第一节热辐射的基本概念205第二节热辐射的基本定律207第三节角系数211第四节黑体和灰体间的辐射换热215第五节遮热板219思考题221习 题221第十二章传热过程和换热器热计算基础224第一节复合传热与传热过程224第二节传热的增强和削弱229第三节换热器简介234第四节平均温差235第五
12、节换热器的热计算237思、考题238嶷附录240附表1各种压力单位的换算关系表240附表2几种气体在理想气体状态下的平均定压质量比热容呢|i 241附表3 一些常用理想气体在300 K时的定值比热容242附表4饱和水与干饱和蒸汽热力性质表（按温度排列）242附表5饱和水与干饱和蒸汽热力性质表（按压力排列）245附表6未饱和水和过热蒸汽热力性质表248附表7金属材料的密度、比热容和热导率254附表8耐火材料、保温材料和其他材料的密度、最高使用温度和热导率255附表9大气压力（p= 1.013 25X 105 pa）下干空气的热物理性质256习题参考答案257参考文献261附图 水蒸气烙楠图263
13、一、概述能源是指可以提供各种能用和动力的物质资源。自然界提供的能源有：太阳能、风能、 水力能、地热能、燃料的化学能、潮汐能，以及原子核能等。在上述能源中，风能、水力能、 潮汐能属机械能，其余大多数都是直接或间接地以热能的形式提供能量。人类社会发展的历 史与能源开发利用的历史是密不可分的，从钻木取火到现代文明，能源的开发利用水平代表 了社会生产力和社会物质文明的发展水平。迄今为止，在我们的能源消费结构中，以热能形 式提供的能量消费仍占据了相当大的比例，因此研究热能的有效利用是非常重要的。热能的利用可分为直接利用和间接利用。直接利用是把热量直接作为加热的能量来源， 热能的形式不变，如蒸煮、供暖、物
14、料烘干、精储、冶炼、化学分解与化合等。而间接利用 则是把热能转变为其他形式的能量加以利用，例如，把热能转变为机械能或电能，即把热能 作为获取动力的能量来源。直到18世纪中叶发明蒸汽机之前，人类对热能的利用仍局限于直 接利用。蒸汽机的使用，最先在欧洲引发了第一次工业大革命，推动了资本主义生产力的发 展，使作坊式的小规模生产转向大规模工业生产，开创了热能间接利用的新纪元。随着蒸汽 机使用范围的扩大，特别是当蒸汽机用于航海业之后，由于船上储煤空间的宝贵，促使人们 对提高蒸汽机工作效率和节煤问题进行了系统研究，并在19世纪中叶开始形成了 “工程热力 学”这门学科。通过对热的本质、热能和机械能之间相互转
15、换的规律以及各种工质的热力性 质进行研究，使得人们对热机的工作原理有了更深刻的理解。这些理论在随后的热机实践中 起到了一定的指导作用，使内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机和喷气推进器等相继问世，进一步 促进了各行各业的现代化发展。19世纪中叶，世界上第一台与热机工作过程正好相反的机械 制冷装置问世。制冷技术的应用和发展，不但可以实现微环境的空气调节和食品冷藏保鲜， 提高人们的生活质量，而且在精密仪器、半导体、合成纤维、航空、航天、超导、医学、精 细化工等高、精、尖工业领域开辟了一片新天地。在人类开发利用能源的过程中，特别是在蒸汽机出现以后，人们始终不懈地探求有效利 用热能的手段，以追求最大的能量转换效
16、率。当人们运用工程热力学知识，找出了蒸汽动力 装置最理想的工作情况以后，发现实际的蒸汽机虽然经过了改进和完善，但其经济性和同条 件下的理想情况仍相差很远，于是人们才开始进一步关注实际蒸汽机的各种损失，发现气缸 内部由传热引起的热损失是最主要的。联系到许多工程技术领域普遍都存在的传热问题，从 而促使人们开始研究热埴传递的规律，正是在这种情形下，自20世纪初开始，“传热学”应 运而生为一门独立的学科。无论是热能的直接利用还是间接利用，都必须在可控制的热工设备中进行，而且人们都 会自然而然地追求最佳经济性。因此，研究热能与机械能相互转换规律的工程热力学和研究 热埴传递规律的传热学共同组成为热工基础理
17、论。该学科是研究热能在工程上有效利用的一 门综合性技术科学，是工程科学最重要的领域之一。随着全球能源危机和环境保护问题的日渐凸显，如何开发利用新能源和可再生能源，进 一步提高能源利用率，节能减排，保护环境，是摆在我们面前的重要任务。为了开发新能源， 如太阳能、地热能、风能、水力能、潮汐能、煤的气化、氢能源、作为生物质能源的速生植 物的栽培以及核聚变等，需要完成一大批激动人心的新工程。对于所有这些工作，热工理论 都将在工程分析和工作方案拟订中起到非常重要的作用。只有具备坚实的热工基础知识，并 能在工程分析中正确运用这些知识，才能在这些重要的技术开发工作中有所作为。由于热工 理论在传统工业、现代科
18、技及日常生活各个领域中的应用越来越广泛，因此，从事能源、交 通运输、航空、航天、化工、冶炼、机械制造、制冷空调、电子、地质、气象、超导传递、 高能激光、消防、环境保护等专业的工程技术人员、现代管理人员，以及有关的领导干部， 都应掌握或了解有关热能有效利用的必要的基本知识，才能针对目前我国生产企业部门普遍 存在的能耗高、污染重的现状，不断挖潜，节能减排，为我国的能源和环境事业作出贡献。一个优秀工程师的重要特质就在于他能够正确、系统地分析问题，能从错综复杂的影响 因素中找出主要和次要影响因素，并对实际问题进行适当的理想化假定，建立合理可行的研 究模型，然后准确地、有条不紊地从事工作。如果缺乏这样一
19、种系统的研究方法，常常会使 容易的问题变得困难，或者把大量时间浪费于追求错误的答案上。本课程的主要目标是使学 生通过对热工基础基本概念和原理的学习，了解热力学研究的简化手段和分析方法，培养学 生科学的逻辑思维方法和工程意识，提高科学素养，以及在工程实际中灵活运用理论知识解 决实际问题的能力。二、热工基础的研究对象、内容和研究方法如前所述，热工基础包括工程热力学和传热学两部分。工程热力学是热力学最早发展起 来的一个分支，主要研究对象是在热能间接利用中热能与机械能相互转换的规律，这是研究 热机工作情况和工作条件所必需的理论基础；传热学相对较年轻，作为一门比较系统的科学, 只有100年历史。传热学的
20、主要研究对象是在热能直接利用中热量传递的规律，目的是进行 热力过程的分析计算，提高热能利用的经济性。实际上，在热能与机械能相互转换的过程中 离不开传热过程。所以，工程热力学和传热学一起，为分析各种热物理现象、研究热工设备 的工作情况、分析计算各种热力过程，以及提高能量转换效率等方面提供了必需的理论基础。工程热力学的主要研究内容包括：基本概念、热力学第一定律和第二定律、工质的热力 性质、热力过程和热力循环。其目的是通过对常用热工设备热力过程和热力循环的分析计算, 提出能够提高能量利用经济性的措施。传热学的主要研究内容包括：热传导、对流换热、辐射换热和传热过程。虽然热量传递 的三种基本方式为热传导
21、、热对流和热辐射，但在很多实际情况下是三种基本传热方式在具 体场合的不同组合。如“热对流”是指流体各部分发生相对位移或混合而引起的热埴传递， 该现象只在流体中出现。而“对流换热”则是特指流体与固体壁面之间的换热，其换热机理 是“热传导”和“热对流”的综合作用，是工程上一种非常重要的换热形式；“传热过程”是 指冷、热两种流体通过固体壁面的传热，包含“对流换热”和“热传导”两种传热方式。所 以传热学主要研究的是工程换热现象，其目的是通过对传热规律的研究，找到提高热能利用 率应采取的增强或削弱传热的途径。在研究方法上，工程热力学主要采用经典热力学的研究方法。这种方法是从宏观现象出 发，以归纳无数事实
22、所得到的热力学第一定律和第二定律作为分析和推理的基础，只把热看 做是一种“能，不深入到物质内部去考察分子、原子的微观行为，不需要对物质的微观结构 进行任何臆测，而只是从能用收支平衡的角度，进行物体宏观现象和宏观过程的研究。因此, 分析推理的结果具有高度的普遍性和可靠性，而且关系明确，条理清楚，在数学上也比较简 单，这是它的独特优点。但在另一方面，热力学无法推测与物质内部结构有关的具体性质， 也不能解释与分子和原子行为有关的现象的机理和实质。而从微观研究方法出发的统计热力 学能从物质内部分子运动的微观机理，更深刻地解释宏观热现象的物理实质。但统计热力学 需对物质的微观结构采取简化模型，会涉及很多
23、数学问题，而且所得到的结果往往在数展上 还不完全符合实际情况，仍需得到宏观研究方法的检验。所以，工程热力学主要采用宏观方 法，必要时引用气体分子运动论和统计热力学的方法、观点和理论，对一些物理现象和物质 的性质进行说明和解释。传热学的研究方法与工程热力学一样，也主要采用宏观方法，它的基础也是归纳无数经 验事实所得到的热导热、热对流和热辐射的基本定律。对实际过程都是以三种基本传热方式 的具体组合来处理。具体研究方法有解析法、相似理论指导下的实验法，以及数值解法。这 几种方法针对各自研究的问题相互独立，但又相辅相成，互为补充。如解析法是对实际传热 现象进行简化后建立数学物理模型，用数学分析方法求解
24、，但简化之后的分析解必须通过实 验验证或修正。此外，分析求解还受非线性偏微分方程组求解困难的局限。数值解在较大程 度上弥补了解析法的缺陷，扩大了求解范围，但对复杂课题仍需用实验核定其中的某些点， 并不断修改模型或模型中的某些系数。由于计算机的广泛应用，已经有可能利用微分方程数 值解解决一些传热问题。由于热能的间接利用或直接利用都离不开热工设备，因此本课程将以适当的篇幅对部分 常用热工设备的工作原理、基本结构和性能及其热力过程的分析和计算进行介绍。三、课程特点与学习方法热工基础课包含工程热力学和传热学两部分内容。工程热力学内容的特点是概念多、公 式多、内容抽象、逻辑严密，各部分内容相互渗透交叉。
25、热力学第一定律、热力学第二定律、 工质热力性质和热力过程是贯穿整个内容的主线。传热学部分的特点是实践性强，能显守恒 定律（热平衡方法）是贯穿此部分内容的主线，建立物理模型并正确给出数学描述是求解工 程实际问题的前提。要注意学习将工程实际问题简化抽象为物理模型的原则和方法，学习分析和解决实际问 题的逻辑思维方式和巧妙的迂回手段，并通过实验培养自己的动手能力。第一篇工程热力学第一章基本概念和定义本章要点工程热力学中的一些基本术语和概念：热力系统、平衡状态、状态公理、状态参数及其 性质、准平衡过程和可逆过程的定义、实现的条件及两者之间的关系。学习目标了解工程热力学的基本术语和概念，正确理解状态参数的
26、性质、准静态过程和可逆过程 的定义、实现的条件及两者之间的关系，不同过程在P-V图和T-S图上的表示，为工程热力学 的深入学习奠定基础。第一节热力系统研究任何问题均需选择一定的对象，如力学中研究物体运动时取“分离体”为研究对象。 同样，在热力学中需要将所研究的物质或空间划出一个有限范围，在这个范围内的研究对象 称为热力系统，简称热力系或系统。即：系统是被人为分离出来，作为研究对象的物体的总 称。系统以外的其他物质称为外界，系统与外界的分界面称为边界。图1给出了 3个不同的 系统示意图。图（a）取气缸内虚线包围的气体为系统，气缸壁固定不动，但活塞作往复运动; 图（b）取一段管道内虚线包围的物质为
27、系统，管壁为真实边界，但I、口两边界面为虚拟边 界；图（c）取流动介质中的一个流体质团为系统，全部边界均为虚拟边界，而系统为运动的 系统。因此可以看出，系统可以是固定的，也可以是运动的。边界可以是真实的，也可以是 虚拟的；可以是固定的，也可以是运动的。按系统与外界相互作用的不同情况，系统可分为：闭口系、开口系、绝热系和孤立系等。闭口系：与外界无物质交换，系统的质量保持不变，故又称控制质量系统。但该系统与 外界可以有功软、热量的交换。开口系：与外界有物质交换，系统的质量可以是变化的，通常将研究对象限制在一定的 容积内，故又称控制容积系统。同样，系统与外界可以有功量、热量的交换。绝热系：与外界无热
28、量交换的系统。但与外界可以有功量和物质的交换。孤立系：与外界无功量、热量和物质交换的系统。即与外界不发生任何相互作用。通常 将系统与（有限的）外界放在一起构成近似的孤立系。另外，也可按系统内部状况的不同，将系统分为均匀系（系统内各部分化学成分和物理 性质均匀一致）与非均匀系；单相系（单一的气、液、固物相）与复相系；单元系（由一种 均匀的、化学物质稳定的纯物质组成，空气可看做纯物质）与多元系等。在不涉及化学反应时，工程热力学中所研究的系统大多为简单可压缩系。简单可压缩系 是指没有电、磁、重力、运动和表面张力等外力场作用，由可压缩流体构成且与外界交换的 功只有容积变化功的系统。系统选择不是唯一的，
29、应根据实际情况，以解决问题方便为原则。系统选取方法对研究 问题的结果没有影响，仅与解决问题的繁复程度有关，因此，合理选择系统是进行正确的热 力学分析的前提。第二节工质的热力状态及其基本状态参数一、工质的热力状态工质是实现热、功转换的工作物质，简称工质。热能与机械功的相互转换是通过工质 一系列的状态变化来实现的。工程热力学中所研究的系统大多为简单可压缩系，与外界交 换功的模式只有容积变化功，由于气态物质具有良好的流动性和膨胀性，体积最容易发生 变化，因此，热力学中的工质基本是气体以及有相变的液体。如空气、燃气、水蒸气、水、 制冷剂等。系统中的工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力状态。
30、可定吊:描述工质 状态特性的物理量称为状态参数。状态参数是状态的单值函数，初、终状态参数的变化值， 只取决于工质的初、终状态，而与状态变化的过程无关。这是状态参数的重要性质。状态参数的数学特征为点函数，设X为任意状态参数，则L dx = x2 -X)(1.1a)循环积分# dr = O(1.1b)若x = /(y, z),其微M是全微分，则dx = dy + dz(1.2)dy dz二、状态参数热力学中常用的状态参数有6个，它们是：压力小温度八比容(比体积)V、热力学 能炮，和嫡S。其中p和7为强度性参数，V, U、H、和S为广延性参数。强度性参数 与系统内工质的数显无关，没有可加性。当强度性
31、参数不相等时，便会发生能收传递，如在 压差作用下有功的传递，在温差作用下有热量的传递。因此，强度性参数在热力过程中起着 推动力的作用，称为广义力或势。而广延性参数则与系统内工质的数量有关，各部分广延参 数具有可加性。在热力过程中，广延性参数类似于力学中位移的作用，称为广义位移。如系 统与外界交换容积功时，必然引起系统容积的变化；而系统与外界交换热吊:时，必然引起系 统病的变化。单位质量的广延性参数称为比参数。热力学中，规定所有的比参数均用相应的小写字母 表示。如比容丫、比热力学能”、比培力和比埔s等。习惯上除比容外，常将“比”字省略， 简称为热力学能、燃、嫡等。比参数具有强度参数的性质，没有可
32、加性，因此可以看做强度 性参数。三、基本状态参数(p、八T)状态参数又可分为基本状态参数和导出状态参数。可通过仪表直接或间接测量得到的状 态参数称为基本状态参数，利用基本状态参数计算得到的状态参数称为导出状态参数。P、V、 7为基本状态参数，其余3个则为导出状态参数。在此，先介绍工质的基本状态参数，导出 状态参数的定义、物理意义以及计算方法等将在后续章节中陆续引入。1.压力压力可用绝对压力、表压力或真空度三种形式表示。(1)绝对压力p。按分子运动论的观点，气体的压力是大量的分子与容器壁碰撞而在单位面积容器壁面上 所产生的平均垂直作用力，该压力以绝对真空为基准点，为气体的绝对压力。对于理想气体，
33、 可以导出该压力与分子浓度及分子平移运动平均动能之间的关系式。宏观上即为单位面积上 承受的垂直作用力，即物理学中的压强，其数学定义式为p = N/m2(Pa)(1.3)工程上有时还采用其他压力单位，如巴(bar)、标准大气压(atm)、工程大气压(at)、 毫米水柱(mm%。)和毫米汞柱(mmHg)等(注：标准大气压、工程大气压、毫米水柱、 毫米汞柱为非法定计量单位)。各种压力单位的换算关系见附表1-(2)表压力pg。工程上测压仪表的结构原理都是力的平衡原理，其测量背压为当时当地大气压力pb,因 此绝对压力高出大气压的数值称为表压力。其数学表达式为Pg= P-P、或 P = Pg + Pb(L
34、4)(3)真空度pv。绝对压力低于当地大气压的数值称为真空度，由真空表测出。Pv习惯以正值表示，其数 学表达式为Pv = Pb -P 或 P = Pb - P、(1-5)上述表压力和真空度都是以大气压力为背压的相对压力。由于大气压力随地理位置和气 候条件等因素而变化，所以Pt,的值不恒定。绝对压力相同的工质，在不同的大气压力下，其 相对压力的值并不相同。因此，只有绝对压力才是工质的真实压力，因而才能作为工质的状 态参数。热力学中如不特别说明是表压力和真空度，所说的压力均指“绝对压力”。如果测压计所处环境不是大气环境，而是另外一个环境空间，测压计读数则是以测压计 所处环境的空间压力为背压的相对压
35、力。2温度温度是表示物体冷热程度的物理量。相互接触的物体，当处于热平衡时，则它们的温度 相同。温度的数值标尺称为温标。常用的温标有：热力学温标八摄氏温标/和华氏温标，F。摄氏温标以标准大气压下纯水的冰点标作0 ,以标准大气压下纯水的沸点标作100 , 其间的温差等间隔分度。工程热力学中采用热力学温标表示的温度(又称热力学温度或绝对 温度)作为状态参数。按国际计量会议规定，绝对温度以纯水的三相点温度，即水的气、液、 固三相平衡共存时的温度(0.01 )为基准点，并规定此点的绝对温度为273.16 Ko热力学 温标与摄氏温标的温差间隔相等，绝对温度0K为-273.15空。两种温标的换算关系式为r
36、= / + 273.15Z + 273 (K)(1.6)英美等国常采用华氏温标，华氏温度32叩为0。(3,华氏温度212叩为100。(3。华氏温 标与摄氏温标的换算关系为/ = 1(/f-32) ()(1.7)3.比容和密度工质所占有的空间称为工质的容积，单位质M工质所占有的容积称为工质的比容(比体 积)，即v = (m3/kg)(1.8)m单位容积的工质所具有的质量称为工质的密度。密度与比容互为倒数，因此有。=：=(kg/m3)(1.9)第三节平衡状态、状态公理及状态方程一、平衡状态如果一个系统内部的压力和温度处处相同、且不随时间发生变化，我们就称它处于热力 平衡状态，简称平衡状态。此时系统
37、中所有的状态参数具有确定的数值。这是平衡状态的特 点。也就是说，只有平衡状态才能由一组具有确定数值的状态参数定属描述系统的状态特性。显然，保持平衡状态不变的充要条件是：系统内部以及系统与外界之间不存在任何不平 衡势差。如果内部不平衡，系统内部的压力和温度不可能处处相同；如果外部不平衡，系统 内的压力和温度将会随时间发生变化，进而导致系统内部的不平衡。应当指出，平衡和均匀是两个不同的概念。对于单相系统(特别是气体组成的单相系统)， 如果忽略重力场对压力分布的影响，则可以认为平衡状态下单相系统内部各种参数不仅均匀 一致，而且不随时间变化，平衡和均匀是统一的。但对于多相系统，如处于平衡状态的水和 水
38、蒸气，虽然气液两相的温度和压力分别相等，但比容相差很大，所以不能称为均匀系。在 此，平衡是相对于时间而言的，而均匀是相对于空间而言的。因此，平衡不一定均匀。另外，平衡和稳定也是两个不同的概念。例如一铁棒，一端浸入冰水混合物中，另一端 浸入沸水中，经过足够长时间后，铁棒各点温度保持恒定，即温度分布不随时间发生变化， 但铁棒各点处的温度是不同的。这时只能说铁棒温度分布是稳定的，但铁棒并非处于平衡状 态。在此，平衡是相对于空间而言的，而稳定是相对于时间而言的。因此，稳定不一定平衡。平衡状态只是一个理想的概念，对于偏离平衡状态不远的实际状态按平衡状态处理，将 使分析计算大为简化。二、状态公理对于组成一
39、定的物质系统，若系统与外界有种功量的传递形式，那么确定该系统平衡 状态的独立状态参数有”+1个。加1是考虑了系统与外界的热交换。因此也可以说，系统所 需的独立状态参数等于系统与外界交换能量的各种方式的总和。对于简单可压缩系统，没有电功、磁功、化学反应等其他形式的功度，系统与外界只有 一种功的传递形式，即容积功，所以只有两个独立的状态参数。如基本状态参数P、V、T,只 要知道其中的任意两个，其余状态参数就被唯一地确定。故可由任意两个独立的状态参数构 成平面坐标图，称为状态参数坐标图，图上任一点表示工质的一个平衡状态。但由于不平衡 状态没有确定的状态参数，所以无法在状态参数坐标图上表示。常用的状态
40、参数坐标图有压容图(p-v图)和温墙图(T-s图)等。利用坐标图进行热力 分析，既直观清晰，又简单明了，因此在热力学中应用非常广泛。三、状态方程状态公理提供了确定热力系统平衡状态所需的独立状态参数数目的经验规则，习惯上以 反映基本状态参数P、丫、7之间关系的公式称为状态方程式。简单可压缩系的气体状态方程 式可以表示为p=p(v, T) v=v(p, T) T=T(p, v)(1.10a) 或 于（p、V、7） = 0 （1.10b）状态方程式的具体形式取决于工质的性质。常用的气态工质基本上可分为两类：理想气 体和蒸气（实际气体）。理想气体是指远离液态点，不易液化的气体；而蒸气则是指由液体汽 化
41、后、离液态点较近，比较容易液化的气体。理想气体和蒸气之间没有绝对的界限，而且两 者可以相互转化。如蒸气在高过热状态时离液态点较远，因此可看做理想气体；而常温常压 下通常可看做理想气体的氢气、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳及惰性气体等，在低温和 高压状态时离液态点较近，继续作为理想气体进行分析计算，将会有较大的误差，此时就应 将它们看做蒸气。当然不同的气体具有不同的液态点。理想气体的状态方程式比较简单，将在第三章第一节详细介绍。而蒸气p、v、r之间的 关系则比较复杂，人们通过理论分析和实验求出了多种形式的实际气体状态方程式，其中最 具代表性的是范德瓦尔方程式。工程上为了方便计算，常将实际气体的状
42、态参数列成表或绘 成图。本书在第五章中将以水蒸气为例，介绍其热力计算方法，其他蒸气的分析计算方法与 水蒸气相同。另外，利用以范德瓦尔方程为基础得到的通用压缩因子图也可以近似确定许多 工程常用实际气体的P、丫、兀有兴趣的读者可参阅其他热力学教科书和专著。第四节准平衡过程和可逆过程我们知道，热力学中的热功转换必须依赖工质的状态变化，那么工质从一个状态变化到 另一个状态时所经历的全部状态的总和就是一个过程。实际的热力过程非常复杂，给热工分 析计算带来很大困难。如前所述，系统只有处于平衡状态时，才能用确定的状态参数描述该 状态，那么如果要描述一个过程，就要求过程中间经历的状态是连续的平衡状态。为了简化
43、 计算，在平衡概念的基础上，将热力过程理想化为准平衡（又称准静态）过程和可逆过程， 这便是经典热力学可以描述的两种过程。一、准平衡过程按照平衡状态的定义，“平衡”意味着宏观静止，而如果要发生一个“过程”，则意味着 必须打破原来的平衡状态。平衡与“过程”便形成了一对矛盾。准平衡过程”概念的引 入使得这一对矛盾在一定条件下得到了统一。对处于平衡状态的系统，若要进行一个过程，首先要破坏系统与外界之间的热力平衡， 进而也就破坏了系统内部的热力平衡。如果破坏平衡的温差、压差无限小，而且过程进行得 足够缓慢，使得系统内部由不平衡到平衡的弛豫时间远小于过程进行的时间。这样每一瞬间 的状态只是无限小地偏离平衡
44、状态，并能及时恢复不断被破坏的平衡，建立新平衡。这样的 过程就是准平衡过程或准静态过程。所以，准平衡过程是由一系列连续的准平衡状态（无限 接近平衡状态）所组成的过程。实现准平衡过程的条件可归纳如下.：（1）破坏平衡状态存在的力差、温差无穷小，系统内外随时处于力的平衡和热的平衡（无 势差损失）。（2）系统恢复平衡的速度大于外界条件变化的速度（弛豫时间短）。势差损失是指系统内部不平衡势差对能量转换造成的影响。当系统内外势差较大时，过程进行得较快，系统偏离平衡状态也较远，系统内工质在向新的平衡状态过渡时，分子呈现 紊乱的无序运动，因而造成了一部分能量损失，这就是势差损失（又称内部不平衡损失）。势 差
45、损失很难定量计算。弛豫时间短是一个相对概念，有些实际过程看起来进行得很快，似乎不满足“过程进行 得足够缓慢”的条件，但是如果系统内部恢复平衡的速度远大于外界破坏平衡的速度，仍可 将其看做准平衡过程。例如，内燃机转速可高达6 000r/min,活塞的运动速度可达每秒十几 到几十米，看起来气缸内的热力过程是很快的，但气体内部压力波的传播速度更快，通常可 达每秒几百米（这是由于气体分子热运动的平均速度可达每秒几百米以上）。因此，工程上的 大多数过程都可以近似作为准平衡过程分析。二、可逆过程将实际过程理想化为准平衡过程是为了定量描述和分析过程，但准平衡过程只考察系统 内部的状态变化过程，而没有考虑设备
46、机械运动和工质的黏性流动在能最传递过程中产生的 摩擦阻力。摩擦将一部分功变为热，这种现象称为耗散效应（除摩擦外，非弹性变形、电阻 及磁滞等现象也使功不可逆地转变为热，也称耗散效应），所耗散的功称耗散功。在分析计算 系统与外界的能最（功用和热修）交换时，就必须考虑耗散功。由于耗散功很难计算，因此, 就引出了可逆过程的概念。可逆过程的定义：能逆向进行，且系统与外界同时返回原态而不留下任何变化的过程。 也就是说，如果系统完成一个热力过程后，能使工质沿相同的路径逆行而恢复至原来的状态, 同时外界也恢复原态而不留下任何变化，则这种过程称为可逆过程，否则为不可逆过程。如图1.2所示系统，气体在气缸中绝热膨
47、胀，推动活塞向外移动，到达下止点后，活塞 又反向移动压缩缸中气体。分析如下： 绝热没有摩擦（无耗散效应）。图气缸活塞系统示意图在此条件下，气体膨胀所做的功全部交给了飞轮，并且当活塞回到原来位置时，飞轮从气体处获得的功又全部交还给气体。这样，气体、活塞、飞轮全部恢复至原先的状态，即系统与外界都恢复原态而不留下任 何变化，因此这个过程是可逆的。若过程进行时有摩擦或内、外压力不平衡，则气体所做的功仅有一部分交给飞轮， 另一部分被耗散掉，要使活塞回到原先的位置，飞轮所付出的功要比它所得到的功大， 这样外界发生了变化；并且由于气体在摩擦过程中得到热量，气体也不可能回到原先的 状态，所以过程就为不可逆的。如果气缸壁不是绝热的，要想实现可逆过程，还必须使气缸内外随时保持温度的平衡。由以上分析可以看出，实现可逆过程的充要条件为：无势差损失；弛豫时间短； 无耗散效应。将