在许多情况下，当我们只关心空间中有物质流进或流出的某个特定体积时，分析可以得到简化。这样的 特定体积称为控制体。例如泵、透平、充气或放气的气球都是控制体的例子。包含控制体的表面称为控制表面。
因此，对于具体的问题，我们必须确定是选取系统作为研究对象有利还是选取控制体作为研究对象有利。 如果边界上有质量交换，则选取控制体有利；反之，则应选取系统作为研究对象。 1.1.2 平衡、过程和循环
理想的卡诺循环包括四个可逆过程，如图 1-4 所示：1→2 等温膨胀；2→3 绝热可逆膨胀；3→4 等温压缩； 4→1 可逆绝热压缩。卡诺循环的效率为
1 TL
(1-1)
TH
注意，使循环效率提高。 1.1.7 朗肯循环
我们所关心的第一类动力循环为电力生产工业所采用的，也就是说，动力循环按这样的方式运行：工质
发生相变，由液态变为气态。最简单的蒸汽-动力循环是朗肯循环，如图 1-5(a)所示。朗肯循环的一个主要特征
是泵耗费很少的功就能把高压水送入锅炉。其可能的缺点为工质在汽机内膨胀做功后，通常进入湿蒸汽区，形
成可能损害汽轮机叶片的液滴。
朗肯循环是一个理想循环，其忽略了四个过程中的摩擦损失。这些损失通常很小，在初始分析时可完全
在图 1-2 所示的温度-比容图上作等压线，表示水由初压 0.1MPa、初温 20℃被加热的过程。点 A 代表初 始状态，点 B 为饱和液态（99.6℃），线 AB 表示液体由初始温度被加热至饱和温度所经历的过程。点 C 表示饱 和蒸汽状态，线 BC 表示等温过程，即液体气化转变为蒸汽的过程。线 CD 表示在等压条件下蒸汽被加热至过 热的过程，在此过程中，温度和比容均增大。
流体运动表现出多种不同的运动形式。有些可以简单描述，而其它的则需要完全理解其内在的物理规律。 在工程应用中，尽量简单地描述流体运动是非常重要的。简化程度通常取决于对精确度的要求，通常可以接受 ±10%左右的误差，而有些工程应用则要求较高的精度。描述运动的一般性方程通常很难求解，因此，工程师有 责任了解可以进行哪些简化的假设。当然，这需要丰富的经验，更重要的是要深刻理解流动所涉及的物理内涵。
与分别跟踪每个流体质点不同的另一种方法是将着眼点放在空间点上，然后观察质点经过每个空间点时 的质点速度，由此可以得到质点流经各空间点时的速度变化率，即V/x，V/y，V/z；还可以判断某一点上 的速度是否随时间变化，即计算V/t。这种描述方法称为欧拉运动描述，以莱昂哈德欧拉的名字命名。在欧拉 法中，速度等流动参数是空间和时间的函数。在直角笛卡儿坐标系中，速度表示为 V=V(x, y, z, t)。我们所研究 的流动区域称为流场。 1.2.2 迹线和流线
如图 1-1(a)所示，由活塞和气缸组成的装置中装有 1kg 水。假定活塞和其上的重物使气缸内压强维持在
1
0.1Mpa，初始温度 20℃。当有热量开始传递给水时，缸内水温迅速上升，而比容略有增加，气缸内压强保持恒 定不变。当水温达到 99.6℃时，如若再增加传热量，水将发生相变，如图 1-1(b)所示。也就是说，一部分水开 始气化变为蒸汽，在此相变过程中，温度和压强始终保持不变，但比容却有大幅度的增加。当最后一滴液体被 气化时，进一步的加热将使蒸汽温度和比容均有所增加，如同 1-1(c)所示。
形成。由于大多数金属不能承受 600℃以上的高温，因此，通常采用再热循环来防止液滴的形成。再热过程如
3
下：经过汽轮机的部分蒸汽在某中间压强下被再热，从而提高蒸汽温度，直至达到状态 5，如图 1-6 所示。然 后这部分蒸汽进入汽轮机低压缸，而后进入凝汽器（状态 6）。再热循环方式可以控制或者完全消除汽轮机中的 湿蒸汽问题，因此，通常汽轮机分成高压缸和低压缸两部分。虽然再热循环不会显著影响循环热效率，但带来 了显著的额外的输出功，如图 1-6 中的面积 4-5-6-4-4 所示。当然，再热循环需要一笔可观的投资来购置额外的 设备，这些设备的使用效果必须通过与多增加的输出功进行经济性分析来判定。如果不采用再热循环来避免液 滴的形成，则凝汽器出口压强必须相当地高，因而导致循环热效率较低。在这种意义上，与无再热循环且高凝 汽器出口压强的循环相比，再热可以显著提高循环效率。 1.2 流体力学基础
2
换句话说，制造这样一台从某一热源吸热并对外做功，而没有与低温热源进行换热的热机是不可能的。因 此，该表述说明了不存在工作效率为 100%的热机，如图 1-3(b)所示。 1.1.6 卡诺循环
卡诺机是低温热源和高温热源间运行效率最高的热机。卡诺机是一个理想热机，利用多个可逆过程组成 一循环过程，该循环称为卡诺循环。卡诺机非常有用，因为它的运行效率为任何实际热机最大可能的效率。因 此，如果一台实际热机的效率要远低于同样条件下的卡诺机效率，则有可能对该热机进行一些改进以提高其效 率。
若某一工质在饱和温度下以液、气共存的形式存在，则称蒸汽质量与总质量之比为干度。因此，如图 1-1(b) 所示，若蒸汽质量为 0.2kg，液体质量为 0.8kg，则其干度为 0.2 或 20%。干度只有在饱和状态下才有意义。
若某一工质处于饱和温度下并以蒸汽形态存在，则称该蒸汽为饱和蒸汽（有时称为干饱和蒸汽，意在强 调其干度为 100%）。当蒸汽温度高于其饱和温度时，则称之为过热蒸汽。过热蒸汽的压强和温度是彼此独立的， 因为温度上升时，压强可能保持不变。
对于某一参考系统，假设系统内各点温度完全相同。当物质内部各点的特性参数均相同且不随时间变化 时，则称系统处于热力学平衡状态。当系统边界某部分的温度突然上升时，则系统内的温度将自发地重新分布， 直至处处相同。
当系统从一个平衡状态转变为另一个平衡状态时，系统所经历的一系列由中间状态组成的变化历程称为 过程。若从一个状态到达另一个状态的过程中，始终无限小地偏离平衡态，则称该过程为准静态过程，可以把 其中任一个中间状态看作为平衡状态。准静态过程可近似视为许多过程的叠加结果，而不会显著减小其精确性， 例如气体在内燃机内的压缩和膨胀过程。如果系统经历一系列不平衡状态（如燃烧），从一个平衡状态转变为另 一个平衡状态，则其过程为非平衡过程。
第一章 热科学基础 1.1 工程热力学基础
热力学是一门研究能量储存、转换及传递的科学。能量以内能（与温度有关）、动能（由物体运动引起）、 势能（由高度引起）和化学能（与化学组成相关）的形式储存。不同形式的能量可以相互转化，而且能量在边 界上可以以热和功的形式进行传递。
在热力学中，我们将推导有关能量转化和传递与物性参数，如温度、压强及密度等关系间的方程。因此， 在热力学中，物质及其性质变得非常重要。许多热力学方程都是建立在实验观察的基础之上，而且这些实验观 察的结果已被整理成数学表达式或定律的形式。其中，热力学第一定律和第二定律应用最为广泛。 1.1.1 热力系统和控制体
(1-2)
面积a 2 3 b a
即，热效率等于输出能量除以输入能量（所购能量）。显然，通过增大分子或减小分母均可以提高热效率。这
可以通过增大泵出口压强 p2，提高锅炉出口温度 T3，或降低汽机出口压强 p4 来实现。 1.1.8 再热循环
对于一个处于高锅炉压强和低凝汽器压强条件下的朗肯循环，显然，很难阻止液滴在汽轮机低压部分的
换热器，它们既不需要功也不产生功。
如果忽略动能和势能的变化，输出的净功等于 T-s 图曲线下面的面积，即图 1-5(b)中 1-2-3-4-1 所包围的 面积，由用热力学第一定律可证明Wnet Qnet 。循环过程中工质的吸热量对应面积 a-2-3-b-a。因此，朗肯循环 的热效率可表示为
面积1 2 3 4 1
在给定压强下发生气化的温度称为饱和温度，压强称为给定温度下的饱和压强。因此，99.6℃水的饱和压 强是 0.1MPa，0.1MPa 水的饱和温度为 99.6℃。
如果某一工质为液态并处于其饱和温度和饱和压强下，则称该液体为饱和液体。如果液体温度低于当前 压强下的饱和温度，则称该液体为过冷液体（表明液体的当前温度低于给定压强下的饱和温度）或压缩液体（表 明液体的当前压强大于给定温度下的饱和压强）。
热力系统是一包围在某一封闭边界内的具有固定质量的物质。系统边界通常是比较明显的（如气缸内气 体的固定边界）。然而，系统边界也可以是假想的（如一定质量的流体流经泵时不断变形的边界）。
系统之外的所有物质和空间统称外界或环境。热力学主要研究系统与外界或系统与系统之间的相互作用。 系统通过在边界上进行能量传递，从而与外界进行相互作用，但在边界上没有质量交换。当系统与外界间没有 能量交换时，这样的系统称为孤立系统。
通常把热力学第一定律称为能量守恒定律。在基础物理课程中，能量守恒定律侧重动能、势能的变化以 及和功之间的相互关系。更为常见的能量守恒形式还包括传热效应和内能的变化。当然，也包括其它形式的能， 如静电能、磁场能、应变能和表面能。
历史上，用热力学第一定律来描述循环过程：净传热量等于循环过程中对系统所做的净功。 1.1.5 热力学第二定律
一些常见的用来简化流动状态的假设是与流体性质有关系的。例如，黏性在某些条件下对流体有显著的 影响；而在其它条件下，忽略黏性效应的影响可以大大地简化方程，但并不会显著改变计算结果。众所周知， 气体速度很高时必须考虑其压缩性，但在预测风力对建筑物的影响程度，或者预测受风力直接影响的其它物理 量时，可以不计空气的压缩性。学完流体运动学之后，可以更明显地看出采用了哪些恰当的假设。这里，将介 绍一些重要的用来分析流体力学问题的一般性方法，并简要介绍不同类型的流动。 1.2.1 拉格朗日运动描述和欧拉运动描述
当系统从一给定的初始状态出发，经历一系列中间过程又回到其初始状态，则称系统经历了一个循环。 循环结束时，系统中的各参数又与初始参数相同。
在任一特性参数名称前加上前缀 iso-，表示该参数在整个过程保持不变。等温（isothermal）过程中温度 保持不变；等压（isobaric）过程中压强恒定；等容（isometric）过程中体积保持不变。 1.1.3 纯物质的气-液相平衡
类似地，线 IJKL 表示压强为 10MPa 下的等压线，相应的饱和温度为 311.1℃。但是，在压强为 22.09MPa 条件下（线 MNO），不存在等温蒸发过程。相反，点 N 是个转折点，在该点上，切线斜率为零，通常把 N 点 称为临界点。在临界点处，饱和液体和饱和气体的状态都是相同的。临界点下的温度、压强和比容分别称为临 界温度、临界压强和临界比容。一些工质的临界点数据如表 1-1 所示。 1.1.4 热力学第一定律