工 程 热 力 学,同济大学机械工程学院,绪 论,一、能源、热能利用及生产力的发展 二、热工学的研究对象及主要内容 三、热力学的研究方法 四、本书采用的单位,一、能源、热能利用及生产力的发展,能源定义：用来产生各种所需能量的自然资源 能源作用：人类赖以生存和发展所必需的燃料和动力来源，是发展生产和提高人类生活水平的重要物质基础 能源种类：风能、水力能、化学能、太阳能、地热能、原子能，机械能、热能、电能等等；能源消费水平正比于社会生产力的发展水平,利用燃料燃烧释放化学能，并转换为燃烧产物的热能， 为人类所利用化学能 热能 力，机械能,,,利用燃料热能的方式,直接利用：如工业生产中的冶炼、加热、蒸煮、干燥及分馏等，热水供应及采暖等； 间接利用：通过各种类型的发动机（热机）及发电机，使热能转变为机械能或电能；,能源直接利用,设备：各种工业炉窑、工业锅炉、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等——换热效率问题,热能间接利用,设备：蒸汽动力装置、燃气动力装置、火箭发动机、内燃机； ——热能利用的重要方式，人类文明及生产发展的物质基础能源转换效率问题和环境保护问题：,二、热工学的研究对象,热力学：研究物质的热力性质，能量和能量之间相互转换的一门基础理论学科； 工程热力学：从工程的观点出发，研究物质的热力性质、能量相互转换规律以及合理利用能量的科学。
传热学：研究在温度差作用下热量传递规律的科学，以强化传热过程和合理利用热能 各种动力装置（蒸汽动力装置、内燃机及燃气轮机等）、耗功装置（制冷机、热泵空调机组、压气机）及各种热交换器的工作原理及性能指标主要内容,热力学第一定律 热力学第二定律—熵、火用、火无 工质的性质 热量传递的方式及规律 （计算温度分布和传热速率)热力装置的工作过程—换热器、气体和蒸汽循环、制冷循环、热泵循环、喷管及扩压管,,,工程热力学,传热学,热工设备,,,三、热力学研究方法,宏观方法——经典热力学方法 微观方法——统计热力学方法,宏观方法,连续的整体 直接观察和实验 归纳、演绎推论 可靠、具有普遍意义 缺点：无法解释热现象本质，微观物质结构中个别分子的个别行为,微观方法,从物质内部微观结构出发，借助物质的原子模型及描述物质微观行为的量子力学，利用统计方法去研究大量随机运动的粒子，从而得到物质的统计平均性质，并得出热现象的基本规律 可解释比热理论、熵的物理意义、熵增原理,四、本书采用的单位,国际单位制 基本单位(长度,质量,时间,电流,热力学温度,物质的量和发光强度) 导出单位(力,压力,功,功率,导热系数,表面传热系数,热流密度),第一章 基本概念,内容提要： 热力系统 工质的热力状态及其基本状态参数 平衡状态、状态公理及其状态方程 准静态过程与可逆过程 热力循环,第一节 热力系统,明确研究对象 研究对象所包含的范围和内容 热力系统与周围事物的相互关系,,建立定性和 定量的关系,一、系统、边界与外界,系统：人为分隔出来的研究对象 人为作用、同一问题可存在不同系统 边界：分割系统与外界的分界面 可实际存在、也可以虚拟存在 可以固定不动、也可以运动或变形 外界或环境：边界以外与系统相互作用的物体 图1-1、图1-2,图1-1和图1-2,系统与外界相互作用形式,功、热和物质的交换 外界存在能够分别接受或给予系统功量、热量和质量的功源、热力源和质量源 系统外界是大气环境，则可看作是热容量为无限大的热源（或冷源）和质量为无限大的质源,二、系统的种类,闭口系统 开口系统 绝热系统 孤立系统 刚体系统 单元系统 单相系统 定参数系统,闭口系统与开口系统,没有物质穿过边界的系统——闭口系统（控制质量系统） 质量保持恒定，应把所研究的物质都包括在边界内 有物质穿过边界的系统——开口系统（控制体积系统） 只需把所要研究的空间范围用边界与外界分隔开来，可以有一股或多股工质流过,,可通过边界与外界 发生能量（功和热） 的传递,绝热系统与孤立系统,系统与外界之间没有热量传递的系统——绝热系统 系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统——孤立系统 一切热力系统连同与之相互作用的外界都可以抽象为孤立系统,,绝对这样的系统实际上不存在，具有抽象性——研究科学问题的方法之一,三、系统的内部状况,相：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的部分相与相之间有明显的界限 如：固相、液相、气相 单相系：由单一物相组成的系统 复相系：由两个相以上组成的系统 单元系：由一种化学成分组成的系统 纯物质，无论单相或复相 如：纯水、纯氮 多元系：由两种以上不同化学成分组成的系统 空气是特例（化学性质稳定的混合物，不发生相变时，可作为纯物质） 如：单元多相：水-水蒸气多元单相：湿空气多元多相：石油及其蒸汽,均匀系：成分和相在整个系统空间成均匀分布 微小水滴均匀分布在充满水蒸气的整个容器中非均匀系：成分和相在整个系统空间成非均匀分布 水在容器底部而水蒸气在其上部,四、系统的性质 无限可分 变边界、边界可为虚 与其所处的相及成分的数目和系统是否均匀等因素有关,五、系统选取原则,最简单 最明显 使分析过程简化,第二节 工质的热力状态及其基本状态参数,一、状态与状态参数 状态：系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况——工质的热力状态（简称状态） 工质的状态参数：表述工质状态特性的各种物理量 状态参数是状态的函数，对应一定的状态，状态参数都有唯一确定的数值。
工质状态变化时，初、终状态参数的变化值仅与初、终状态有关，而与状态变化的途径无关状态参数的数学特征为点函数,循环积分,式中 x —— 表示工质某一状态参数,热力学中常见的状态参数,温度（T） 压力（p） 比容（v）或密度（） 内能（u） 焓（h） 熵（s） 火用（ex） 自由能（f） 自由焓（g）,,基本状态参数,二、基本状态参数 （可以直接、间接用仪表测量得到）,1.温度：物体冷热程度的标志分子运动学说：温度是气体大量分子平均移动动能的量度 热力学第零定律：如果两个系统同时与第三个系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于热平衡 温度是描述和判断系统是否与其他系统处于热平衡的状态参数 一切处于热平衡的系统都具有相同的温度,测温依据——第零定律,当被测系统与已标定过的带有数值标尺的温度计达到热平衡时，温度计指示的温度值就等于被测系统的温度值温标——温度的数值标尺,任何温标都要规定基本定点和每一度的数值 热力学温标规定纯水三相点温度（即水的汽、液、固三相平衡共存时的温度）为基本定点，并指定为273.16K，每1K为水三相点温度的1/273.16 摄氏（Celsius）温标为实用温标，每1C与热力学温标的每1K相同，但起点不同，0.101325MPa下纯水的冰点温度为0 C，其热力学温标为273.15K，所以t =T-273.15,温度的微观概念,表示物质内部大量分子热运动的强烈程度 理想气体热力学温度与分子平移运动平均动能的关系式,2.压力（压强）,气体压力：气体分子不规则的热运动-分子之间不断相互碰撞-同时也使气体分子不断地和容器壁（即边界面）碰撞-大量分子碰撞器壁的总结果-气体对器壁的压力 垂直作用在器壁单位面积上的力——压力P（物理学中称为压强）,压力的微观概念,理想气体： 作用于单位面积上的压力与分子浓度及分子平移运动平均动能之间的关系式p—单位面积上的绝对压力 n—分子浓度，即单位容积内含有气体的分子数,压力的单位,国际单位制SI规定压力单位为帕斯卡（Pa），1Pa = 1N/m2 工程单位：巴（bar）、标准大气压（atm）、工程大气压（at）、毫米水柱（mmH2O）、毫米汞柱（mmHg）,压力的测量--压力计,测压仪表的结构原理是建立在力的平衡原理上，利用液柱的重力或各种类型弹簧的变形，以及用活塞上的载重去平衡工质的压力,相对压力与绝对压力大气压力随地理位置及气候条件、环境等因素而变化。
B 压力计指示的压力是工质的实际压力与外界大气压力的差值—相对压力为正压 Pg, 称为表压力，工作压力 相对压力为负压——真空度 H 工质实际压力称为绝对压力,状态参数P,绝对压力、相对压力和大气压力之间的关系,当p>B时，p
试求出温度为t/ºC和电阻R/ Ω的关系式R=R0(1+At+Bt2)中的常数A，B的值解：由已知条件可得联立求解以上3式可得R0=10 ΩA=4.32 10-3 1/ºCB=-6.83 10-7 1/ºC故温度t/ºC和电阻R/ Ω之间的关系式为,第三节 平衡状态、状态公理及 状态方程,一、平衡状态 系统在不受外界影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，系统内外同时建立了热的和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称平衡状态 若有化学反应，则需考虑化学平衡 一个理想的概念，完全不受外界影响的系统是不存在的,平衡态的特点,在没有外界影响（与外界既没有能量交换，也没有物质交换，但重力场的影响除外）的条件下，系统参数不随时间变化的状态 凡处于平衡态的系统，其特征是参数不随时间变化，而且除复相系统和重力场的影响外，参数均匀； 系统内部或系统与相联系的外界之间，各种不平衡势的消失是系统实现平衡态的必要条件，如温度、压力等必须相等,平衡态与稳定态,稳定状态是状态参数不随时间改变，但它是靠外界影响来维持的 平衡状态是不受外界影响是参数不随时间变化的状态 平衡必稳定，稳定未必平衡平衡与均匀,系统内部各种参数均匀的必定平衡； 平衡时未必各种参数是均匀的； 均匀必平衡，平衡未必均匀。
二、状态公理,实践经验表明，对于纯物质系统，与外界发生任何一种形式的能量传递都会引起系统状态的变化，且各种能量传递形式可单独进行，也可同时进行—归纳出一条状态公理 确定纯物质系统平衡状态的独立参数=n+1 n——传递可逆功的形式 +1——能量传递中的热量传递,简单可压缩系统,除热量传递外只有膨胀功 确定系统平衡状态的独立参数为2 所有状态参数都可表示为任意两个独立参数的函数,三、状态方程,建立了温度、压力、比容三个基本状态参数之间的函数关系——状态方程,p-v图,描述工质的状态 分析状态变化过程,第四节 准静态过程与可逆过程,热力过程：工质从某一状态过渡到另一状态所经历的全部状态变化 势差推动热力过程，并且工质流动及机械运动存在摩阻等影响 过程复杂，热工分析计算困难,一、准静态过程,非平衡损失：系统内部的不平衡势差在系统向新的平衡过渡时，并不对外做功，而是一种损失——很难定量计算 假想一种过程进行的非常缓慢，使过程中系统内部被破坏了的平衡有足够的时间恢复到新的平衡态，从而使过程的每一瞬间系统的状态都非常接近平衡状态（不平衡势无限小），整个过程就可看作是由一系列非常接近平衡态的状态所组成——准静态过程,准静态过程的特点,准静态过程不必考虑内部不平衡的势差对能量转换造成的影响 没有内部不平衡损失 状态特性可用少数几个参数描述 准静态过程在坐标图上用一系列平衡状态点的轨迹所描绘的连续曲线表示 理想化了的实际过程，是实际过程进行得非常缓慢时的一个极限,。