熱力系統(tǒng)就是具體指定的熱力學(xué)研究對(duì)象。把熱力系統(tǒng)外面雨熱功轉(zhuǎn)換過程有關(guān)的其他物體統(tǒng)稱為外界。熱力系統(tǒng)和有關(guān)的外界之間的分界面稱為邊界。熱力系統(tǒng)-概念邊界面可以是真實(shí)的，也可以是假設(shè)的；可以是固定的，也可以是變動(dòng)的。工程熱力學(xué)主要關(guān)注系統(tǒng)與外界之間的相互作用，根椐熱力系統(tǒng)與外界相互作用的不同情況，可以分為閉口系統(tǒng)、開口系統(tǒng)、絕熱系統(tǒng)和孤立系統(tǒng)。熱力系統(tǒng)-分類閉口系統(tǒng)：在所研究的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)與外界只有熱量和機(jī)械能等能量的交換而無(wú)物質(zhì)的交換。開口系統(tǒng)：在所研究的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)與外界不僅有熱量和機(jī)械能等能量的交換，而且有物質(zhì)的交換。絕熱系統(tǒng)：在所研究時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)與外界無(wú)熱量交換，但有其他能量交換。孤立系統(tǒng)：在所研究時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)與外界既無(wú)能量交換，也無(wú)質(zhì)量交換。

熱力系統(tǒng)-分類熱力狀態(tài)-概念熱力學(xué)中把工質(zhì)所處的某種宏觀狀況稱為工質(zhì)的熱力狀態(tài)，簡(jiǎn)稱狀態(tài)。用來(lái)描述和說(shuō)明工質(zhì)狀態(tài)的一些物理量(如壓力、溫度等)則稱為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。平衡狀態(tài)-概念系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)各點(diǎn)相同的狀態(tài)參數(shù)均勻一致的這種狀態(tài)，在熱力學(xué)上稱作“平衡狀態(tài)”，如無(wú)外界的影響，系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)各部分的狀態(tài)將不再隨時(shí)間而變化，亦即平衡狀態(tài)不會(huì)自發(fā)地破壞。平衡條件力平衡：一個(gè)熱力系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)不平衡的力，且作用在邊界上的力和外力相平衡，各部分間不會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，則該熱力系即處于力平衡。熱平衡：若熱力系統(tǒng)內(nèi)的溫度各部分間無(wú)溫度差別，且等于外界溫度，因而就不會(huì)發(fā)生熱的傳遞，則該熱力系統(tǒng)即處于熱平衡。為了能夠?qū)崿F(xiàn)平衡狀態(tài)，必須滿足力平衡、熱平衡條件?；緺顟B(tài)參數(shù)在工程熱力學(xué)中常用的狀態(tài)參數(shù)有六個(gè)，即壓力、質(zhì)量體積(俗稱比容)、溫度、內(nèi)能、焓和熵。其中壓力、質(zhì)量體積和溫度可以直接測(cè)量，也比較直觀，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。壓力壓力是指單位面積上承受的垂直作用力，即式中：——壓力； ——垂直作用力； ——面積。壓力式(1-1)算出的壓力是氣體的真正壓力稱為絕對(duì)壓力。絕對(duì)壓力無(wú)法直接測(cè)量，只能測(cè)量絕對(duì)壓力和當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Φ牟钪?參看圖1-3)。壓力當(dāng)氣體的絕對(duì)壓力高于大氣壓力時(shí)，壓力表所指示的是絕對(duì)壓力超出大氣壓力的部分，稱為表壓力()：式中：——大氣壓力，可用氣壓表測(cè)定。當(dāng)氣體的絕對(duì)壓力低于大氣壓力時(shí)，真空表所指示的是絕對(duì)壓力低于大氣壓力的部分，稱為真空度(

):壓力計(jì)算氣體的絕對(duì)壓力，僅僅知道壓力表或真空表的讀數(shù)是不夠的，還必須知道當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)貧鈮罕淼淖x數(shù)，然后通過下列關(guān)系式將絕對(duì)壓力計(jì)算出來(lái):壓力用U形管壓力表(或真空表)通過液柱高度差測(cè)定表壓力(或真空度)時(shí)，其換算關(guān)系如下:式中：——液體的密度； ——重力加速度； ——液體高度差。常用壓力單位與法定壓力單位換算見表?！纠?-1】某柴油機(jī)在做慣性增壓試驗(yàn)時(shí)，測(cè)得汽缸內(nèi)燃燒氣體的最高壓力為

，進(jìn)氣管的真空度為

，試驗(yàn)時(shí)氣壓表讀數(shù)為

，試計(jì)算這兩處的絕對(duì)壓力各為多少

？解：（1）氣缸壓力：為了避免復(fù)雜的計(jì)算，有時(shí)認(rèn)為大氣壓力近似地為，則兩者誤差不超過0.02%。（2）進(jìn)氣管壓力：同樣，當(dāng)

時(shí)，則兩者誤差將近1%。質(zhì)量體積單位質(zhì)量工質(zhì)所占有的容積稱為質(zhì)量體積，以符號(hào)v表示，單位為

即式中：——容積； ——質(zhì)量。質(zhì)量體積單位容積內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量稱為密度，以

表示，單位為

即可知質(zhì)量體積與密度互成倒數(shù)。所以密度

也可以作為狀態(tài)參數(shù)，它們都是描述工質(zhì)子的密集程度。溫度溫度是表征物體冷熱程度的物理量。熱物體溫度高，冷物體溫度低。當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)，溫度高的物體就要向溫度低的物體傳熱。如果兩者間沒有熱量傳遞，則兩物體的冷熱程度一樣，即處于熱平衡狀態(tài)，兩物體溫度相等。“當(dāng)兩個(gè)物體同時(shí)與第三個(gè)物體熱平衡時(shí)，這兩個(gè)物體之間也必然是熱平衡”，這是熱平衡定律，是熱力學(xué)的基本定律之一，也稱為熱力學(xué)第零定律。溫度從微觀角度分析，物體的冷熱程度取決于物體內(nèi)部微粒運(yùn)動(dòng)的狀況。按分子運(yùn)動(dòng)理論，氣體的熱力學(xué)溫度與氣體分子的平均移動(dòng)動(dòng)能成正比，它們之間的關(guān)系是:式中：——分子平均質(zhì)量；——分子的均方根速度； ——分子的平均運(yùn)動(dòng)動(dòng)能；

——波爾茲曼常數(shù)；——絕對(duì)溫度。溫度法定單位制中采用熱力學(xué)溫標(biāo)，又稱開爾文溫標(biāo)或絕對(duì)溫標(biāo)，計(jì)量單位用開(K)表示，溫度值采用T表示，攝氏溫標(biāo)或百度溫標(biāo)計(jì)量單位用攝氏度(℃)表示；溫度值用t表示，它們之間的換算關(guān)系如下:狀態(tài)方程對(duì)于由氣體工質(zhì)所組成的熱力系統(tǒng)，當(dāng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，熱力系統(tǒng)內(nèi)各部分將具有相同的壓力、溫度和質(zhì)量體積等參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)之間并不是彼此孤立的，而是相互聯(lián)系的。這種內(nèi)在的聯(lián)系可用數(shù)學(xué)式表達(dá)，即式(1-11)稱為狀態(tài)方程。參數(shù)坐標(biāo)圖三個(gè)狀態(tài)參數(shù)之間存在內(nèi)在的聯(lián)系，三個(gè)狀態(tài)參數(shù)中只有兩個(gè)是彼此獨(dú)立的。用三個(gè)基本參數(shù)中的任意兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，就可以作為一個(gè)平面直角坐標(biāo)圖的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)作出參數(shù)坐標(biāo)圖，就能清晰地表示工質(zhì)所處的熱力狀態(tài)。如圖1-4所示的p-v圖(稱為壓容圖)，是以壓力作為縱坐標(biāo)，質(zhì)量體積作為橫坐標(biāo)。熱力過程當(dāng)工質(zhì)受到外界影響時(shí)，例如，外界對(duì)工質(zhì)加熱，工質(zhì)所處的平衡狀態(tài)遭到破壞，工質(zhì)的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，工質(zhì)從一個(gè)狀態(tài)經(jīng)過一系列的中間狀態(tài)變至另一狀態(tài)，就將這種工質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化的過程稱為熱力過程，簡(jiǎn)稱過程。熱力過程在狀態(tài)變化過程中，若平衡狀態(tài)的每一次被破壞都離平衡狀態(tài)非常近，而狀態(tài)變化的速度(即破壞平衡狀態(tài)的速度)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工質(zhì)內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的速度(即恢復(fù)平衡狀態(tài)的速度)，則狀態(tài)變化過程的每一瞬間，工質(zhì)都可以認(rèn)為是處于平衡狀態(tài)。工質(zhì)內(nèi)部各點(diǎn)的壓力和溫度隨時(shí)都是均勻一致的，即隨時(shí)都處于內(nèi)平衡狀態(tài)，這種由一系列內(nèi)平衡狀態(tài)所組成的(由無(wú)限接近平衡狀態(tài)的狀態(tài)組成的)過程，稱為準(zhǔn)靜態(tài)過程，或準(zhǔn)平衡過程。準(zhǔn)靜態(tài)過程在準(zhǔn)靜態(tài)過程中，工質(zhì)所經(jīng)歷的每一個(gè)狀態(tài)都是平衡狀態(tài)，而任意一個(gè)平衡狀態(tài)都可用p-v圖上的一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示，所以一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程就可以p-v圖上一條曲線來(lái)代表。如1-5所示p-v圖，圖上的曲線1-2就代表一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程。如果工質(zhì)由狀態(tài)1′變化到狀態(tài)2′所經(jīng)過的不是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程，則該過程無(wú)法在p-v圖上表示，僅可標(biāo)出其1′、2′兩個(gè)平衡狀態(tài)，而其過程用虛線表示?？赡孢^程可逆過程是指當(dāng)系統(tǒng)由始態(tài)變化到終態(tài)，又由終態(tài)沿原來(lái)途徑返回始態(tài)時(shí)，若參與該變化過程的系統(tǒng)及外界均能完全返回原來(lái)的狀態(tài)，則稱該變化過程為可逆過程。反之，則為不可逆過程?？赡孢^程圖1-6所示為一由工質(zhì)、熱機(jī)和熱源組成的熱力系統(tǒng)?？赡孢^程可逆過程應(yīng)具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：在過程進(jìn)行時(shí)，工質(zhì)內(nèi)部及其與外界恒處于平衡狀態(tài)，故過程進(jìn)行無(wú)限緩慢。在變化期間，無(wú)任何能量的不可逆損耗。可逆過程在實(shí)際中并不存在，在工質(zhì)膨脹和壓縮的過程中，有一部分能量在摩擦中消耗；而有溫差的傳熱過程必定是不可逆過程。功在工程熱力學(xué)里，熱力系統(tǒng)通過界面和外界進(jìn)行的機(jī)械能的交換量稱為做功量，簡(jiǎn)稱為功(機(jī)械功)，以符號(hào)Ｗ表示。由于工程熱力學(xué)中常以單位質(zhì)量的工質(zhì)來(lái)分析和計(jì)算能量轉(zhuǎn)換的情況，故用w表示kg質(zhì)量氣體所做的功。在法定單位制中，w的單位采用J/kg或kJ/kg。功觀察圖1-7a）汽缸內(nèi)的氣體。設(shè)有1kg的氣體在汽缸中進(jìn)行膨脹，經(jīng)歷一個(gè)可逆過程從1狀態(tài)到2狀態(tài)。功當(dāng)氣體膨脹推動(dòng)活塞右移一個(gè)微小的距離dx時(shí)，氣體對(duì)外所做的微元功δw為式中：A——活塞的截面積。功圖1-7b）中p-v曲線陰影面積代表微元功，且全過程所做的功為因?yàn)樗怨怏w膨脹時(shí)做正功，被壓縮時(shí)做負(fù)功。如果氣體質(zhì)量為mkg，則所做的功為故功對(duì)照力學(xué)中的

，稱壓力p為廣義力，稱dx為廣義位移，氣體所做的功等于廣義力與廣義位移的乘積。【例1-2】2kg溫度為100℃的水?在壓力為0.1Mpa下，完全汽化為水蒸氣，若水和水蒸氣的質(zhì)量體積各為0.001m3/kg和1.673m3/kg，試求此2kg水因汽化膨脹，對(duì)外所做的功為多少kJ?解：由式（1-13）熱量熱量用符號(hào)Q表示，在工程熱力學(xué)中，由于常常分析單位質(zhì)量氣體的熱能傳遞，所以常以q表示單位質(zhì)量所傳遞的熱能。在法定單位制中，Q的單位為J，q的單位為J/kg，熱力學(xué)中通常規(guī)定，熱力系統(tǒng)從外界吸熱為正（Q>0），熱力系統(tǒng)向外界放熱為負(fù)（Q<0）。熵假設(shè)存在這樣一個(gè)參數(shù)，稱之為熵，以符號(hào)S表示。單位質(zhì)量氣體的熵成為比熵，以符號(hào)s表示。對(duì)熱量來(lái)說(shuō)，熵具有廣義位移的特征，即在可逆過程的條件下只有在氣體的熵發(fā)生變化時(shí)，才有可能吸熱或放熱，當(dāng)比熵等于常量，即ds=0時(shí)，氣體與外界不發(fā)生熱量的傳遞。熵對(duì)照功

，事實(shí)上氣體做工是在氣體與外界有壓差的情況下進(jìn)行的，若取極限情況，可以采用pdv來(lái)計(jì)算微功

。熵當(dāng)氣體與外界有傳熱時(shí)，是在有溫差的情況下進(jìn)行的，所以可以說(shuō)溫度T對(duì)于熱量q類似于壓力p

對(duì)于功w的作用，即廣義力的作用。即熵所以故熵由式（1-15）可知：式中：s

——工質(zhì)的比熵，s=S/m，其單位在法定單

位制中衛(wèi)看kJ/(kg·K)，在工程中為 kcal/(kgf·K)；ds—— 工質(zhì)比熵的增量。溫熵圖對(duì)比p-v圖，建立以絕對(duì)溫度

T為縱坐標(biāo)、比熵s

為橫坐標(biāo)的溫熵圖(T-s圖)，如圖所示，系統(tǒng)的初態(tài)1

(T1，s1)用點(diǎn)1表示，終態(tài)2(T1，s1)用點(diǎn)2表示，從初態(tài)到終態(tài)的某一可逆過程可用曲線1-2表示。而曲線下的面積(如圖中12ba1)則表示1-2過程中工質(zhì)與外界所交換的熱量，因此溫熵圖又稱示熱圖。工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化過程之后，又回到了初始狀態(tài)時(shí)，我們稱為經(jīng)歷一個(gè)“熱力循環(huán)”，或簡(jiǎn)稱“循環(huán)”。我們稱完全由可逆過程所組成的循環(huán)為可逆循環(huán)，機(jī)工質(zhì)在一循環(huán)達(dá)到原狀態(tài)之后可以按照原路徑所經(jīng)歷的全部狀態(tài)，而順序相反的逆行回到初始狀態(tài)。在

p-v圖和T-s圖上都將呈現(xiàn)為封閉的曲線，如圖1-10所示。如果用點(diǎn)a

表示初始狀態(tài)，工質(zhì)經(jīng)

a—b—c過程到達(dá)

c點(diǎn)后再經(jīng)c—d—a過程回復(fù)至初態(tài)a。在

p-v圖和T-s圖上都將呈現(xiàn)為封閉的曲線，如圖1-10所示。如果用點(diǎn)a

表示初始狀態(tài)，工質(zhì)經(jīng)

a—b—c過程到達(dá)

c點(diǎn)后再經(jīng)c—d—a過程回復(fù)至初態(tài)a?？梢缘玫絘—b—c過程氣體做正功并吸熱，c—d—a過程氣體做負(fù)功并放熱，對(duì)整個(gè)循環(huán)，工質(zhì)所做的凈功為這可以用p-v

圖上循環(huán)曲線包圍的面積來(lái)代表，整個(gè)循環(huán)