2011/6/1 第一部分：绪论 1、工程热力学
工程热力学是研究热能有效利用及其热能与其他形式能量转换规律的科学。
2、热力学分类
工程热力学（热能与机械能），物理热力学，化学热力学等 3、热力装置的共同特点
热源和冷源、工质、容积变化功、循环 4、热效率
1
W Q η=
=收益
代价
5、工程热力学研究内容
能量转换的基本定律，工质的基本性质和热力过程，热工转换设备及其工作原理，化学热力学基础。
6、工程热力学研究方法
（1）宏观方法：连续体(continuum)，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结（如：热力学第一定律）。
特点：可靠，普遍，不能任意推广 经典 （宏观,平衡）热力学
（2）微观方法：从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律 特点：揭示本质，模型近似 微观（统计）热力学
第一章：基本概念
1、热力系统
（1）热力系统(热力系、系统)：人为指定的研究对象（如：一个固定的空间）；
（2）外界：系统以外的所有物质；
（3）边界(界面)：系统与外界的分界面；
（4）系统与外界的作用都通过边界；
（5）以系统与外界关系划分：
有无
是否传质开口系闭口系
是否传热非绝热系绝热系
是否传功非绝功系绝功系
是否传热、功、质非孤立系孤立系
（6）简单可压缩系统
只交换热量和一种准静态的容积变化功；
2、状态和状态参数
（1）状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况
（2）状态参数：描述热力系状态的物理量
（3）状态参数的特征：
●状态确定，则状态参数也确定，反之亦然
●状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关
●状态参数的微分特征：全微分
（4）强度参数与广延参数
●强度参数：与物质的量无关的参数，如压力p、温度T
●广延参数：与物质的量有关的参数可加性,如质量m、容积V、内能（也称之
为：热力学能）U、焓H、熵S
3、基本状态参数
（1）压力p ( pressure )
●物理中压强，单位: Pa (Pascal), N/m2。
●绝对压力与环境压力的相对值——相对压力；
●只有绝对压力p 才是状态参数；
●大气压随时间、地点变化；
（2）温度T ( Temperature )
传统：冷热程度的度量。
感觉，导热，热容量；
微观：衡量分子平均动能的量度；
热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931），如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。
如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。
处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量温度。
温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。
（3）比容v ( specific volume )——工质的稀疏程度。
●
V
v
m
[m3/kg]
4、平衡状态
（1）定义：
在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。
（2）几种平衡状态
●热平衡Thermal equilibrium : if the temperature is the same throughout the entire
●力平衡Mechanical equilibrium : if there is no change in pressure at any point of the system
with time
●相平衡Phase equilibrium : when the mass of each phase reaches an equilibrium level and
stays there
●化学平衡Chemical equilibrium : if its chemical composition does not change with time. That
is, no chemical reactions occur.
（3）平衡的本质
平衡的本质是不存在不平衡势。
●温差—热不平衡势
●压差—力不平衡势
●相变—相不平衡势
●化学反应—化学不平衡势
●稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
●平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
（4）为什么引入平衡概念？
如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述。
但平衡状态是死态，没有能量交换，为此，引入准静态过程。
5、状态方程、坐标图
（1）状态公理
●对组元一定的闭口系，独立状态参数个数N=n+1；
●独立参数数目N=不平衡势差数=能量转换方式的数目=各种功的方式+热量= n+1
（n为容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等）；
●只交换热量和一种准静态的容积变化功，简单可压缩系统：N=n+1=2；
（2）状态方程
●基本状态参数（p,v,T)之间的关系，其方程的形式取决于工质的性质。
●理想气体的状态方程：PV=mRT
（3）座标图
常见p-v图和T-s图
6、准静态过程、可逆过程
（1）准静态过程
（2）准静态过程的工程条件
●破坏平衡所需时间（外部作用时间）>> 恢复平衡所需时间（驰豫时间）
●有足够时间恢复新平衡称之为准静态过程，一般的工程过程都可认为是准静态过程。
（3）准静态过程的容积变化功
● w =pdv
●准静态容积变化功的说明
1）单位为[kJ] 或[kJ/kg]
2）p-V 图上用面积表示
3）功的大小与路径有关，过程量Path function
4）统一规定：dV>0，膨胀,对外作功（正）；dV<0，压缩,外内作功（负）
5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）
6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数
7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别
（4）可逆过程的定义
●系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，
则此过程为可逆过程。
可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。
●可逆过程的实现
准静态过程（无不平衡势差）+ 无耗散效应（通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等））= 可逆过程
●引入可逆过程的意义
1）准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程(准静态过程中的功可以转换为热)，可逆过程是最优过程。
2）可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。
3）实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。
完全可逆、内可逆与外可逆
7 、功量
（1）功的热力学定义I
当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。
（2）功的热力学定义II
功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。
（3）功的表达式
8、热量与熵
（1）热量定义
热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。
（2）热量与容积变化功
能量传递方式容积变化功传热量
性质过程量过程量
推动力压力p 温度T
标志dV , dv dS , ds
条件准静态或可逆可逆
（3）熵（Entropy）的定义
（4）熵的说明
1）熵是状态参数
2）符号规定
系统吸热时为正Q > 0 dS > 0
系统放热时为负Q < 0 dS < 0
3）熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与方向
4）用途：判断热量方向计算可逆过程的传热量
（5）示功图与示热图
9、热力循环
（1）热力循环
热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。
（2）两种循环
发动机制冷
（3）循环评价指标
第二章：热力学第一定律
1. 热力学第一定律的本质
（1）本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用
（2）闭口系循环的热一律表达式：，要想得到功，必须花费热能或其他能量。
热一律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”
2. 热力学第一定律推论——内能
3. 闭口系能量方程
4. 开口系能量方程
5.稳定流动能量方程
6. 稳定流动能力方程的应用举例
第三章:理想气体的性质和过程
1.理想气体状态方程
2.比热容
3. 理想气体的u、h、s和热容
5. 研究热力学过程的目的和方法
6.理想气体的等熵过程
7. 理想气体热力过程的综合分析
8. 活塞式压气机的压缩过程分析
第四章：热力学第二定律
1. 热二定律的表述与实质
2. 卡诺循环和卡诺定理
3.克劳修斯不等式
4. 熵
5. 孤立系统熵增原理
6. 熵方程
7.Ex及其计算
第五章：气体动力循环
1.活塞式内燃机动力循环
2.活塞式内燃机循环比较
3.斯特林循环
4.柏雷登循环
5. 提高勃雷登循环热效率的其他措施
第六章水和水蒸气的性质
1.纯物质的热力学面及相图
2.汽化与饱和
3.水蒸气的定压发生过程
4.水和水蒸气状态参数及其图表
5.水蒸气的热力过程
第七章蒸汽动力循环
1.郎肯循环。