第一篇工程熱力學(xué)6/25/2025

工程熱力學(xué)是從工程應(yīng)用的角度研究熱能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律。

工程熱力學(xué)是各種動力裝置、制冷裝置、熱泵空調(diào)機(jī)組、鍋爐及各種熱交換器進(jìn)行分析和計(jì)算的理論基礎(chǔ)。

本篇主要講述：熱力學(xué)的基本概念及基本定律（熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律）；理想氣體的熱力性質(zhì)和熱力過程；參與能量轉(zhuǎn)換與傳遞的工作介質(zhì)（水蒸氣、混合氣體、濕空氣等）的熱力性質(zhì)；蒸汽動力循環(huán)；氣體和蒸汽的流動等工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識。

6/25/2025第一章

熱力學(xué)基本概念6/25/2025學(xué)習(xí)導(dǎo)引本章介紹了許多重要的概念，對于后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)非常重要。在學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)注意把相關(guān)的概念串接起來，既對單個概念的物理意義有較深刻的理解，又能從整體上將這些概念有機(jī)的聯(lián)系起來。

6/25/2025學(xué)習(xí)要求

理解工質(zhì)、熱力系的定義，掌握熱力系的分類。理解熱力狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)的定義；掌握狀態(tài)參數(shù)的特征、分類，基本狀態(tài)參數(shù)的物理意義和單位；掌握絕對壓力、表壓力和真空度的關(guān)系。掌握平衡狀態(tài)的物理意義及實(shí)現(xiàn)條件。了解狀態(tài)方程式及參數(shù)坐標(biāo)圖的物理意義及作用。理解熱力過程、準(zhǔn)平衡過程和可逆過程的物理意義與聯(lián)系，能正確判定準(zhǔn)平衡過程和可逆過程。6/25/2025本章難點(diǎn)本章的許多概念比較抽象，較難理解。學(xué)習(xí)中應(yīng)將抽象的概念與具體的物理量或圖形聯(lián)系起來。在工程熱力學(xué)中普遍采用抽象和簡化的方法，為此，應(yīng)對研究方法的實(shí)用性和科學(xué)依據(jù)有比較深刻的理解。6/25/2025

第一節(jié)工質(zhì)和熱力系一、工質(zhì)

1.什么是工質(zhì)?

——實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能相互傳遞與轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)。

2.工質(zhì)特性:可壓縮、易膨脹、易流動

3.常用工質(zhì):

熱機(jī)循環(huán)中:水蒸氣、空氣、燃?xì)?、制冷循環(huán)、熱泵循環(huán)中:氨、氟里昂6/25/2025蒸汽動力循環(huán)示意圖鍋爐汽輪機(jī)凝汽器水泵冷卻水過熱蒸汽乏汽循環(huán)水發(fā)電機(jī)給水泵

鍋爐汽機(jī)輪凝汽器過熱器

6/25/2025二、熱力系、邊界與外界

1.熱力系

——在工程熱力學(xué)中，通常選取一定的工質(zhì)或空間作為研究的對象，并將之人為劃分出來,稱為熱力系統(tǒng)，簡稱熱力系或系統(tǒng)?？蔀檎鎸?shí)的物質(zhì)、設(shè)備或假想的熱力學(xué)模型如:泵中的水、汽輪機(jī)、卡諾熱機(jī)

6/25/2025如:對小球進(jìn)行受力分析6/25/2025熱力系高溫?zé)嵩次鼰酫1熱機(jī)作功W機(jī)械能放熱Q2低溫?zé)嵩村仩t汽輪機(jī)凝汽器水泵冷卻水過熱蒸汽乏汽循環(huán)水發(fā)電機(jī)6/25/2025熱力系高溫?zé)嵩次鼰酫1熱機(jī)作功W機(jī)械能放熱Q2低溫?zé)嵩唇o水泵

鍋爐汽機(jī)輪凝汽器過熱器

6/25/20252.外界

——與熱力系相互作用的周圍物體。3.邊界

——熱力系與外界之間的分界面?？蓪?shí)際存在,亦可假想;可固定不動,亦可移動或變形。6/25/2025三、熱力系的分類（1）封閉熱力系

與外界有能量傳遞,無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質(zhì)量恒定不變。

邊界活塞氣缸6/25/2025（2）開口熱力系

與外界有能量、物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的容積始終保持變。（3）絕熱熱力系

與外界沒有熱量交換的系統(tǒng)。汽輪機(jī)邊界葉輪11進(jìn)口22出口6/25/2025（4）孤立熱力系

與外界既無能量（功、熱量）交換又無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。6/25/2025特殊熱力系如: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(xué)參數(shù)沒有明顯變化的物體。提供熱量的熱源稱為高溫?zé)嵩?；吸收熱量的熱源稱為低溫?zé)嵩?。高溫?zé)嵩次鼰酫1熱機(jī)作功W機(jī)械能放熱Q2低溫?zé)嵩?/25/2025第二節(jié)

工質(zhì)的熱力狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)

工質(zhì)在進(jìn)行熱量傳遞和能量轉(zhuǎn)換的過程中,其狀態(tài)不斷發(fā)生變化．低溫液態(tài)過熱蒸汽

鍋爐汽機(jī)輪凝汽器6/25/2025一、熱力狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)１．熱力狀態(tài)

——工質(zhì)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為工質(zhì)的熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。

２．狀態(tài)參數(shù)

——描述工質(zhì)熱力狀態(tài)的宏觀的物理量。

狀態(tài)參數(shù)特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量只與初、終態(tài)有關(guān)，與所經(jīng)歷的路徑無關(guān)。經(jīng)歷一個循環(huán)，狀態(tài)參數(shù)的變化量必為零。狀態(tài)參數(shù)與狀態(tài)一一對應(yīng)。

6/25/2025常用狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)

溫度（T）、壓力（p）、比體積（v）導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)

熱力學(xué)能（U）、焓（H）和熵（S）

可直接或間接測量6/25/2025二、基本狀態(tài)參數(shù)１．溫度

——用來標(biāo)志物體冷熱程度的物理量。

溫度是熱平衡的判據(jù)。

溫度的測量:溫度計(jì)溫度的數(shù)值表示:溫標(biāo)溫標(biāo)溫度及符號單位關(guān)系

攝氏溫標(biāo)攝氏溫度t℃

T

t+273.15

或

T

t+273熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫度TK1K=1℃溫度相等熱平衡

6/25/2025

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水的冰點(diǎn)溫度為0℃

，純水的沸點(diǎn)溫度為100℃，純水的三相點(diǎn)（固、液、汽三相平衡共存的狀態(tài)點(diǎn)）溫度為0.01℃。

瑞典天文學(xué)家攝爾修斯（Celsius）于1742年建立。

選擇水銀的體積作為溫度測量的物性，認(rèn)為其隨溫度線性變化，并將0～100℃溫度下的體積差均分成100份，每份對應(yīng)1℃。

攝氏溫標(biāo)6/25/2025

用熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度稱為熱力學(xué)溫度。

英國物理學(xué)家開爾文（Kelvin)在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上建立，也稱絕對溫標(biāo)。

熱力學(xué)溫標(biāo)取水的三相點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當(dāng)于水的三相點(diǎn)溫度的1/273.16。

熱力學(xué)溫標(biāo)基本狀態(tài)參數(shù)6/25/2025溫差:1K=1℃

T

=t+273.15

或T=t+273熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系6/25/2025基本狀態(tài)參數(shù)2.壓力

——指單位面積上承受的垂直作用力(即壓強(qiáng)).壓力的實(shí)質(zhì):大量分子向容器壁面撞擊的平均結(jié)果.壓力的符號:

p

壓力的單位:

Pa

（帕），1Pa=1N/m2

1MPa=103

kPa

=106

Pa6/25/2025工程上常用非SI壓力單位

1bar（巴）=105Pa

1

atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）

=1.01325

105Pa

1at（工程大氣壓）

=9.80665

104Pa

1mmH2O（毫米水柱）

=9.80665Pa1mmHg（毫米汞柱）

=133.322Pa壓力6/25/2025壓力壓力的測量:測壓計(jì)6/25/2025壓力三種壓力

絕對壓力p

表壓力

pg

p

pg+pb(pb:當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?

真空度pv

p

pb

pv

只有絕對壓力才是狀態(tài)參數(shù)6/25/2025p、pg、pv與pb間的關(guān)系壓力ppgpbppvp=0pb6/25/2025

例1-1某蒸汽鍋爐壓力表讀數(shù)為12.5MPa，凝汽器的真空表讀數(shù)為95KPa。若當(dāng)?shù)卮髿鈮毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓，試求鍋爐及凝汽器的絕對壓力為多少。

解：由題意知，大氣壓力為pb1.01325105Pa。鍋爐中蒸汽的絕對壓力為

p

pg+pb12.5106+1.0132510512.601325106（Pa）

12.601325（MPa）凝汽器內(nèi)蒸汽的絕對壓力為

p

pb

pv1.01325105951036.325103（Pa）

6.325（KPa）

6/25/2025若題中沒有給出當(dāng)?shù)卮髿鈮?，則對高壓容器取pb

0.1MPa，此時鍋爐內(nèi)的蒸汽絕對壓力為

p

pg+pb

12.5+0.1

12.6（MPa）

計(jì)算誤差很小，可以忽略。但對凝汽器內(nèi)的蒸汽，

其絕對壓力為

p

pb

pv

0.1

106

95

103

5

103（Pa）

5（KPa）

由此引起的相對誤差

20.9％

可見，對于低壓或負(fù)壓空間，近似取值會引起很大的誤差，計(jì)算應(yīng)用時必須采用真實(shí)大氣壓力。6/25/2025基本狀態(tài)參數(shù)3.比體積

——指單位質(zhì)量的工質(zhì)所占有的體積,用符號

v

表示，單位為

m3/kg。

比體積與密度

6/25/2025

第三節(jié)平衡狀態(tài)和熱力過程

一、平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式及狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖

1.平衡狀態(tài)

——指在沒有外界作用（重力場除外）的情況下，熱力系的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài);否則為非平衡狀態(tài)。條件：力平衡、熱平衡用狀態(tài)參數(shù)描述熱力系狀態(tài)特性，只有在平衡狀態(tài)下才有可能。平衡狀態(tài)為理想狀態(tài)。

6/25/2025

一個熱力系，當(dāng)其內(nèi)部無不平衡的力，且作用在邊界上的力和外力平衡，則該熱力系處于力平衡；當(dāng)熱力系內(nèi)各點(diǎn)溫度均勻一致且等于外界溫度時，則該熱力系處于熱平衡。熱力系要達(dá)到平衡狀態(tài)，必須滿足力平衡和熱平衡這兩個條件。如熱力系內(nèi)還存在化學(xué)反應(yīng)，則尚應(yīng)包括化學(xué)平衡。可見，處于平衡狀態(tài)的熱力系其內(nèi)部各處都是相同的狀態(tài)，并且不會發(fā)生變化，因而可用確定的狀態(tài)參數(shù)加以描述。

6/25/2025

2.狀態(tài)方程式

——表示狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系的方程式稱為狀態(tài)方程式。描述熱力狀態(tài)的各狀態(tài)參數(shù)往往互有聯(lián)系，可用狀態(tài)方程式來表示。

對于氣態(tài)工質(zhì)組成的簡單熱力系，只需兩個獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)就可確定其平衡狀態(tài)。P

f1（v，T）V

f2（p，T）T

f3（p，v）

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3.狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖

由任意兩個獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)構(gòu)成的平面坐標(biāo)圖

。在以兩個獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)的平面坐標(biāo)圖上，每一點(diǎn)都代表一個平衡狀態(tài)。如:p-v圖21V1V2P2P10PV6/25/2025二、熱力過程

——熱力系從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)變化時經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和稱為熱力過程，簡稱過程。過程與狀態(tài)一切實(shí)際熱力過程都是熱力系與外界