1、工 程 熱 力 學(xué),同濟大學(xué)機械工程學(xué)院,緒 論,一、能源、熱能利用及生產(chǎn)力的發(fā)展 二、熱工學(xué)的研究對象及主要內(nèi)容 三、熱力學(xué)的研究方法 四、本書采用的單位,一、能源、熱能利用及生產(chǎn)力的發(fā)展,能源定義：用來產(chǎn)生各種所需能量的自然資源 能源作用：人類賴以生存和發(fā)展所必需的燃料和動力來源，是發(fā)展生產(chǎn)和提高人類生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ) 能源種類：風(fēng)能、水力能、化學(xué)能、太陽能、地?zé)崮?、原子能，機械能、熱能、電能等等； 能源消費水平正比于社會生產(chǎn)力的發(fā)展水平,利用燃料燃燒釋放化學(xué)能，并轉(zhuǎn)換為燃燒產(chǎn)物的熱能， 為人類所利用?；瘜W(xué)能 熱能 力，機械能,利用燃料熱能的方式,直接利用：如工業(yè)生產(chǎn)中的冶煉、加熱、蒸

2、煮、干燥及分餾等，熱水供應(yīng)及采暖等； 間接利用：通過各種類型的發(fā)動機（熱機）及發(fā)電機，使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能或電能；,能源直接利用,設(shè)備：各種工業(yè)爐窯、工業(yè)鍋爐、加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器等 換熱效率問題,熱能間接利用,設(shè)備：蒸汽動力裝置、燃氣動力裝置、火箭發(fā)動機、內(nèi)燃機； 熱能利用的重要方式，人類文明及生產(chǎn)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ) 能源轉(zhuǎn)換效率問題和環(huán)境保護問題：,二、熱工學(xué)的研究對象,熱力學(xué)：研究物質(zhì)的熱力性質(zhì)，能量和能量之間相互轉(zhuǎn)換的一門基礎(chǔ)理論學(xué)科； 工程熱力學(xué)：從工程的觀點出發(fā)，研究物質(zhì)的熱力性質(zhì)、能量相互轉(zhuǎn)換規(guī)律以及合理利用能量的科學(xué)。 傳熱學(xué)：研究在溫度差作用下熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，以強化傳

3、熱過程和合理利用熱能。 各種動力裝置（蒸汽動力裝置、內(nèi)燃機及燃氣輪機等）、耗功裝置（制冷機、熱泵空調(diào)機組、壓氣機）及各種熱交換器的工作原理及性能指標(biāo)。,主要內(nèi)容,熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)第二定律熵、火用、火無 工質(zhì)的性質(zhì) 熱量傳遞的方式及規(guī)律 （計算溫度分布和傳熱速率) 熱力裝置的工作過程換熱器、氣體和蒸汽循環(huán)、制冷循環(huán)、熱泵循環(huán)、噴管及擴壓管,工程熱力學(xué),傳熱學(xué),熱工設(shè)備,三、熱力學(xué)研究方法,宏觀方法經(jīng)典熱力學(xué)方法 微觀方法統(tǒng)計熱力學(xué)方法,宏觀方法,連續(xù)的整體 直接觀察和實驗 歸納、演繹推論 可靠、具有普遍意義 缺點：無法解釋熱現(xiàn)象本質(zhì)，微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)中個別分子的個別行為,微觀方法,從物質(zhì)內(nèi)部微

4、觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，借助物質(zhì)的原子模型及描述物質(zhì)微觀行為的量子力學(xué)，利用統(tǒng)計方法去研究大量隨機運動的粒子，從而得到物質(zhì)的統(tǒng)計平均性質(zhì)，并得出熱現(xiàn)象的基本規(guī)律。 可解釋比熱理論、熵的物理意義、熵增原理,四、本書采用的單位,國際單位制 基本單位(長度,質(zhì)量,時間,電流,熱力學(xué)溫度,物質(zhì)的量和發(fā)光強度) 導(dǎo)出單位(力,壓力,功,功率,導(dǎo)熱系數(shù),表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),熱流密度),第一章 基本概念,內(nèi)容提要： 熱力系統(tǒng) 工質(zhì)的熱力狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù) 平衡狀態(tài)、狀態(tài)公理及其狀態(tài)方程 準(zhǔn)靜態(tài)過程與可逆過程 熱力循環(huán),第一節(jié) 熱力系統(tǒng),明確研究對象 研究對象所包含的范圍和內(nèi)容 熱力系統(tǒng)與周圍事物的相互關(guān)系,建立定性和 定量

5、的關(guān)系,一、系統(tǒng)、邊界與外界,系統(tǒng)：人為分隔出來的研究對象 人為作用、同一問題可存在不同系統(tǒng) 邊界：分割系統(tǒng)與外界的分界面 可實際存在、也可以虛擬存在 可以固定不動、也可以運動或變形 外界或環(huán)境：邊界以外與系統(tǒng)相互作用的物體 圖1-1、圖1-2,圖1-1和圖1-2,系統(tǒng)與外界相互作用形式,功、熱和物質(zhì)的交換 外界存在能夠分別接受或給予系統(tǒng)功量、熱量和質(zhì)量的功源、熱力源和質(zhì)量源 系統(tǒng)外界是大氣環(huán)境，則可看作是熱容量為無限大的熱源（或冷源）和質(zhì)量為無限大的質(zhì)源,二、系統(tǒng)的種類,閉口系統(tǒng) 開口系統(tǒng) 絕熱系統(tǒng) 孤立系統(tǒng) 剛體系統(tǒng) 單元系統(tǒng) 單相系統(tǒng) 定參數(shù)系統(tǒng),閉口系統(tǒng)與開口系統(tǒng),沒有物質(zhì)穿過邊界的系

6、統(tǒng)閉口系統(tǒng)（控制質(zhì)量系統(tǒng)） 質(zhì)量保持恒定，應(yīng)把所研究的物質(zhì)都包括在邊界內(nèi) 有物質(zhì)穿過邊界的系統(tǒng)開口系統(tǒng)（控制體積系統(tǒng)） 只需把所要研究的空間范圍用邊界與外界分隔開來，可以有一股或多股工質(zhì)流過,可通過邊界與外界 發(fā)生能量（功和熱） 的傳遞,絕熱系統(tǒng)與孤立系統(tǒng),系統(tǒng)與外界之間沒有熱量傳遞的系統(tǒng)絕熱系統(tǒng) 系統(tǒng)與外界之間不發(fā)生任何能量傳遞和物質(zhì)交換的系統(tǒng)孤立系統(tǒng) 一切熱力系統(tǒng)連同與之相互作用的外界都可以抽象為孤立系統(tǒng),絕對這樣的系統(tǒng)實際上不存在，具有抽象性研究科學(xué)問題的方法之一,三、系統(tǒng)的內(nèi)部狀況,相：系統(tǒng)中工質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)都均勻一致的部分 相與相之間有明顯的界限 如：固相、液相、氣相 單相系：由

7、單一物相組成的系統(tǒng) 復(fù)相系：由兩個相以上組成的系統(tǒng) 單元系：由一種化學(xué)成分組成的系統(tǒng) 純物質(zhì)，無論單相或復(fù)相 如：純水、純氮 多元系：由兩種以上不同化學(xué)成分組成的系統(tǒng) 空氣是特例（化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的混合物，不發(fā)生相變時，可作為純物質(zhì)） 如：單元多相：水-水蒸氣 多元單相：濕空氣 多元多相：石油及其蒸汽,均勻系：成分和相在整個系統(tǒng)空間成均勻分布 微小水滴均勻分布在充滿水蒸氣的整個容器中 非均勻系：成分和相在整個系統(tǒng)空間成非均勻分布 水在容器底部而水蒸氣在其上部,四、系統(tǒng)的性質(zhì) 無限可分 變邊界、邊界可為虛 與其所處的相及成分的數(shù)目和系統(tǒng)是否均勻等因素有關(guān),五、系統(tǒng)選取原則,最簡單 最明顯 使分析過程

8、簡化,第二節(jié) 工質(zhì)的熱力狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù),一、狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù) 狀態(tài)：系統(tǒng)中某瞬間表現(xiàn)的工質(zhì)熱力性質(zhì)的總狀況工質(zhì)的熱力狀態(tài)（簡稱狀態(tài)） 工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)：表述工質(zhì)狀態(tài)特性的各種物理量 狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的函數(shù)，對應(yīng)一定的狀態(tài)，狀態(tài)參數(shù)都有唯一確定的數(shù)值。 工質(zhì)狀態(tài)變化時，初、終狀態(tài)參數(shù)的變化值僅與初、終狀態(tài)有關(guān)，而與狀態(tài)變化的途徑無關(guān)。,狀態(tài)參數(shù)的數(shù)學(xué)特征為點函數(shù),循環(huán)積分,式中 x 表示工質(zhì)某一狀態(tài)參數(shù),熱力學(xué)中常見的狀態(tài)參數(shù),溫度（T） 壓力（p） 比容（v）或密度（） 內(nèi)能（u） 焓（h） 熵（s） 火用（ex） 自由能（f） 自由焓（g）,基本狀態(tài)參數(shù),二、基本狀態(tài)參數(shù)（可以直接、間接用儀

9、表測量得到）,1.溫度：物體冷熱程度的標(biāo)志。分子運動學(xué)說：溫度是氣體大量分子平均移動動能的量度。 熱力學(xué)第零定律：如果兩個系統(tǒng)同時與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則它們彼此也必定處于熱平衡 溫度是描述和判斷系統(tǒng)是否與其他系統(tǒng)處于熱平衡的狀態(tài)參數(shù) 一切處于熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度,測溫依據(jù)第零定律,當(dāng)被測系統(tǒng)與已標(biāo)定過的帶有數(shù)值標(biāo)尺的溫度計達到熱平衡時，溫度計指示的溫度值就等于被測系統(tǒng)的溫度值。,溫標(biāo)溫度的數(shù)值標(biāo)尺,任何溫標(biāo)都要規(guī)定基本定點和每一度的數(shù)值。 熱力學(xué)溫標(biāo)規(guī)定純水三相點溫度（即水的汽、液、固三相平衡共存時的溫度）為基本定點，并指定為273.16K，每1K為水三相點溫度的1/273.16

10、攝氏（Celsius）溫標(biāo)為實用溫標(biāo)，每1C與熱力學(xué)溫標(biāo)的每1K相同，但起點不同，0.101325MPa下純水的冰點溫度為0 C，其熱力學(xué)溫標(biāo)為273.15K，所以t =T-273.15,溫度的微觀概念,表示物質(zhì)內(nèi)部大量分子熱運動的強烈程度 理想氣體熱力學(xué)溫度與分子平移運動平均動能的關(guān)系式,2.壓力（壓強）,氣體壓力：氣體分子不規(guī)則的熱運動-分子之間不斷相互碰撞-同時也使氣體分子不斷地和容器壁（即邊界面）碰撞-大量分子碰撞器壁的總結(jié)果-氣體對器壁的壓力 垂直作用在器壁單位面積上的力壓力P（物理學(xué)中稱為壓強）,壓力的微觀概念,理想氣體： 作用于單位面積上的壓力與分子濃度及分子平移運動平均動能之間

11、的關(guān)系式 p單位面積上的絕對壓力 n分子濃度，即單位容積內(nèi)含有氣體的分子數(shù),壓力的單位,國際單位制SI規(guī)定壓力單位為帕斯卡（Pa），1Pa = 1N/m2 工程單位：巴（bar）、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）、工程大氣壓（at）、毫米水柱（mmH2O）、毫米汞柱（mmHg）,壓力的測量-壓力計,測壓儀表的結(jié)構(gòu)原理是建立在力的平衡原理上，利用液柱的重力或各種類型彈簧的變形，以及用活塞上的載重去平衡工質(zhì)的壓力,相對壓力與絕對壓力 大氣壓力隨地理位置及氣候條件、環(huán)境等因素而變化。 B 壓力計指示的壓力是工質(zhì)的實際壓力與外界大氣壓力的差值相對壓力為正壓。 Pg, 稱為表壓力，工作壓力。 相對壓力為負壓真空度。

12、 H 工質(zhì)實際壓力稱為絕對壓力,狀態(tài)參數(shù)P,絕對壓力、相對壓力和大氣壓力之間的關(guān)系,當(dāng)pB時， pB時，,3.比容和密度,工質(zhì)所占有的空間工質(zhì)的容積 單位質(zhì)量工質(zhì)所占有的容積工質(zhì)的比容 單位容積的工質(zhì)所具有的質(zhì)量工質(zhì)的密度,比容和密度不是兩個獨立的狀態(tài)參數(shù),三、強度性參數(shù)與廣延性參數(shù),1.強度性參數(shù)：系統(tǒng)中單元體的參數(shù)值與整個系統(tǒng)的參數(shù)值相同，與質(zhì)量多少無關(guān)，沒有可加性。如溫度、壓力等。 當(dāng)強度性參數(shù)不相等時，便會發(fā)生能量的傳遞 強度性參數(shù)在熱力過程中起著推動力作用廣義力或勢 一切實際熱力過程都是在某種勢差推動下進行的,2.廣延性參數(shù)：整個系統(tǒng)的某廣延性參數(shù)值等于系統(tǒng)中各單元體該廣延性參數(shù)值之

13、和，與系統(tǒng)質(zhì)量多少有關(guān)，具有可加性。如系統(tǒng)的容積、內(nèi)能、焓和熵 在熱力過程中，廣延性參數(shù)的變化起著類似力學(xué)中位移的作用，稱為廣義位移 傳遞熱量必然引起系統(tǒng)熵的變化；系統(tǒng)對外作膨脹功必然引起系統(tǒng)容積的增加 廣延性參數(shù)除以系統(tǒng)的總質(zhì)量比參數(shù)，如比容、比內(nèi)能、比焓、比熵等,例題,鉑金絲的電阻在冰點時為10.000，在水的沸點時為14.247 ，在硫的沸點（446C）時為27.887 。試求出溫度為t/C和電阻R/ 的關(guān)系式R=R0(1+At+Bt2)中的常數(shù)A，B的值。 解：由已知條件可得 聯(lián)立求解以上3式可得 R0=10 A=4.32 10-3 1/C B=-6.83 10-7 1/C 故溫度t/

14、C和電阻R/ 之間的關(guān)系式為,第三節(jié) 平衡狀態(tài)、狀態(tài)公理及狀態(tài)方程,一、平衡狀態(tài) 系統(tǒng)在不受外界影響的條件下，如果宏觀熱力性質(zhì)不隨時間而變化，系統(tǒng)內(nèi)外同時建立了熱的和力的平衡，這時系統(tǒng)的狀態(tài)稱為熱力平衡狀態(tài)，簡稱平衡狀態(tài)。 若有化學(xué)反應(yīng)，則需考慮化學(xué)平衡 一個理想的概念，完全不受外界影響的系統(tǒng)是不存在的,平衡態(tài)的特點,在沒有外界影響（與外界既沒有能量交換，也沒有物質(zhì)交換，但重力場的影響除外）的條件下，系統(tǒng)參數(shù)不隨時間變化的狀態(tài)。 凡處于平衡態(tài)的系統(tǒng)，其特征是參數(shù)不隨時間變化，而且除復(fù)相系統(tǒng)和重力場的影響外，參數(shù)均勻； 系統(tǒng)內(nèi)部或系統(tǒng)與相聯(lián)系的外界之間，各種不平衡勢的消失是系統(tǒng)實現(xiàn)平衡態(tài)的必要條

15、件，如溫度、壓力等必須相等,平衡態(tài)與穩(wěn)定態(tài),穩(wěn)定狀態(tài)是狀態(tài)參數(shù)不隨時間改變，但它是靠外界影響來維持的。 平衡狀態(tài)是不受外界影響是參數(shù)不隨時間變化的狀態(tài)。 平衡必穩(wěn)定，穩(wěn)定未必平衡。,平衡與均勻,系統(tǒng)內(nèi)部各種參數(shù)均勻的必定平衡； 平衡時未必各種參數(shù)是均勻的； 均勻必平衡，平衡未必均勻。,二、狀態(tài)公理,實踐經(jīng)驗表明，對于純物質(zhì)系統(tǒng)，與外界發(fā)生任何一種形式的能量傳遞都會引起系統(tǒng)狀態(tài)的變化，且各種能量傳遞形式可單獨進行，也可同時進行歸納出一條狀態(tài)公理 確定純物質(zhì)系統(tǒng)平衡狀態(tài)的獨立參數(shù)=n+1 n傳遞可逆功的形式 +1能量傳遞中的熱量傳遞,簡單可壓縮系統(tǒng),除熱量傳遞外只有膨脹功 確定系統(tǒng)平衡狀態(tài)的獨立參

16、數(shù)為2 所有狀態(tài)參數(shù)都可表示為任意兩個獨立參數(shù)的函數(shù),三、狀態(tài)方程,建立了溫度、壓力、比容三個基本狀態(tài)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系狀態(tài)方程,p-v圖,描述工質(zhì)的狀態(tài) 分析狀態(tài)變化過程,第四節(jié) 準(zhǔn)靜態(tài)過程與可逆過程,熱力過程：工質(zhì)從某一狀態(tài)過渡到另一狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)變化 勢差推動熱力過程，并且工質(zhì)流動及機械運動存在摩阻等影響 過程復(fù)雜，熱工分析計算困難,一、準(zhǔn)靜態(tài)過程,非平衡損失：系統(tǒng)內(nèi)部的不平衡勢差在系統(tǒng)向新的平衡過渡時，并不對外做功，而是一種損失很難定量計算 假想一種過程進行的非常緩慢，使過程中系統(tǒng)內(nèi)部被破壞了的平衡有足夠的時間恢復(fù)到新的平衡態(tài)，從而使過程的每一瞬間系統(tǒng)的狀態(tài)都非常接近平衡狀態(tài)（不

17、平衡勢無限?。麄€過程就可看作是由一系列非常接近平衡態(tài)的狀態(tài)所組成準(zhǔn)靜態(tài)過程,準(zhǔn)靜態(tài)過程的特點,準(zhǔn)靜態(tài)過程不必考慮內(nèi)部不平衡的勢差對能量轉(zhuǎn)換造成的影響 沒有內(nèi)部不平衡損失 狀態(tài)特性可用少數(shù)幾個參數(shù)描述 準(zhǔn)靜態(tài)過程在坐標(biāo)圖上用一系列平衡狀態(tài)點的軌跡所描繪的連續(xù)曲線表示 理想化了的實際過程，是實際過程進行得非常緩慢時的一個極限,0C時，H2分子的均方根平移運動速度達1838m/s，N2分子達493m/s，O2分子達461m/s 活塞移動速度通常不足10m/s 按熱力學(xué)的時間標(biāo)尺來衡量，活塞移動過程的變化比較慢，不會出現(xiàn)明顯的偏離平衡態(tài),二、可逆過程,耗散效應(yīng)由功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬默F(xiàn)象 耗散損失可用功的損

18、失-難以確定 理論分析時設(shè)想一個完全沒有熱力學(xué)損失（包括非平衡損失和耗散損失）的理想熱力過程可逆過程 系統(tǒng)經(jīng)歷某一個過程后，如能在過程逆行時使系統(tǒng)和外界同時恢復(fù)到原始狀態(tài)而不遺留任何變化,實現(xiàn)可逆過程的條件,過程沒有勢差（或勢差無限?。鐐鳠釠]有溫差，做膨脹功沒有力差等 過程沒有耗散效應(yīng)，如機械運動沒有摩擦，導(dǎo)電沒有電阻等,只是一種研究方法、科學(xué)的抽象 提出動力循環(huán)、致冷循環(huán)、氣體壓縮、流動等理想化熱力過程 所得結(jié)果可作為實際過程能量轉(zhuǎn)換效果的比較標(biāo)準(zhǔn) 將理論計算值加以適當(dāng)修正，可得到實際過程的結(jié)果,引入可逆過程的作用,準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程,均由一系列平衡狀態(tài)所組成 可在p-v圖上用連續(xù)曲線

19、表示 可逆過程要求系統(tǒng)與外界隨時保持力平衡和熱平衡，沒有耗散效應(yīng)和任何能量的不可逆損失 準(zhǔn)靜態(tài)過程僅要求系統(tǒng)內(nèi)部的力平衡和熱平衡，系統(tǒng)與外界之間可有不平衡勢差和耗散現(xiàn)象,準(zhǔn)靜態(tài)過程是針對系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)變化而言的，而可逆過程則是針對過程中系統(tǒng)所引起的外部效果而言的 可逆過程必然是準(zhǔn)靜態(tài)過程，而準(zhǔn)靜態(tài)過程則未必是可逆過程 非平衡損失和耗散損失不是能量的數(shù)量損失，只是能量做功能力（或能質(zhì)）的降低或退化,功和熱量,當(dāng)系統(tǒng)與外界之間有不平衡勢時，系統(tǒng)將進行一熱力過程，過程中將伴隨著能量的傳遞。 能量傳遞形式功和熱量 功：系統(tǒng)與外界存在不平衡力時， 過程量 容積功，電功，磁功，化學(xué)功等 熱量：系統(tǒng)與外界存在溫差，,三、膨脹功（容積功）和壓容圖,熱轉(zhuǎn)換為機械功必須依靠工質(zhì)的膨脹 由于系統(tǒng)容積發(fā)生變化（增大或縮小）而通過界面向外界