1、1,第一章 基本概念及定义 1-1 热能和机械能相互转换的过程 1-2 热力系统 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图 1-5 工质的状态变化过程 1-6 过程功和热量 1-7 热力循环,2,1-1 热能和机械能相互转换的过程 1、热能动力装置(thermal power plant, heat engines),工作过程：工质从高温物体吸热，一部分转化为 机械能对外作功，另一部分放热给低温物体。,3,燃气动力装置（燃气轮机）,4,蒸汽动力装置,5,2、制冷装置与热泵(refrigeration plant, heat-pump ),工作过程：工质从低
2、温物体吸热，同时外界消耗机械能，最终放热给高温物体。,6,3、几个概念 工质(working substance)实现热能和机械能互相转化的媒介物质。气态物质具有较好的流动性，且体积可显著 变化，因此工质一般都是气体或者蒸汽。 热源（高温热源）(heat source)与工质发生热量交换的高温物体。 冷源（低温热源）(heat sink)与工质发生热量交换的低温物体。,7,8,1-2 热力系统 1、基本概念 热力系统(thermodynamic system) 被人为地从周围物体中分割出来，作为热力学 分析对象的有限物质系统。 外界(surrounding)与系统发生质能交换的物体。 边界(b
3、oundary)系统与外界的分界面。,热力系与外界的物质和能量交换通过边界进行。,9,注意： （1）边界可以是真实的，也可以是虚构的； （2）边界可以是固定的，也可以是有位移和变形的。,10,2、热力系统的分类 （1）按系统与外界的质量交换分类 闭口系统(closed system)系统与外界没有物质交换（没有物质越过边 界）。系统内的质量恒定，称为控制质量热力系。 开口系统(open system)系统与外界有物质交换（有物质越过边界）。 物质交换是在特定的空间内进行的，称为控制体 积热力系。,注意：开口系可以是变质量系统，也可以是定 质量系统。,11,（2）按系统与外界的能量交换分类 绝热
4、系统(adiabatic system)系统与外界没有热量交换（热量交换可以忽 略，如汽轮机中的膨胀过程） 。 孤立系统(isolated system)系统与外界既没有能量交换，也没有物质交 换， 一切作用都发生在系统内部。,注意： （1）绝热系可以是闭口绝热系（如保温瓶），也可以是开口绝热系（如保温很好的管道）。 （2）孤立系一定是闭口绝热系，但闭口绝热系不一定是孤立系。,12,3、热力系统示例,取刚性绝热容器内的气体,取刚性绝热容器内的气体和电阻丝,闭口系,取所有物体,闭口绝热系,孤立系,13,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数 1、基本概念 热力学状态(state of ther
5、modynamic system) 工质在某一瞬间所呈现的宏观物理特性。 状态参数(state properties)描述工质所处平衡状态的宏观物理量。,两个独立的状态参数就可以确定一个状态。,14,2、状态参数的性质 （1）状态参数的微元差是全微分：（2）状态参数的变化量只与初、终状态有关，而 与途径无关：,（3）经过一个循环后，状态参数恢复到原来的 值：,15,3、状态参数的分类,基本状态参数：压力p、温度T、体积V,其他状态参数：热力学能U、焓H、熵S,强度量(intensive quantity) 与质量无关，不具可加性。如压力p、温度T。 广延量(extensive quantity
6、)与质量成正比，具有可加性。如体积V、热 力学能U、焓H、熵S。,16,4、温度（temperature） 温度的定义温度在宏观上表示物体的冷热程度，在微观 上表示分子热运动的激烈程度。,摄氏温标规定标准大气压下水的冰点为0，沸点为 100，之间有100个间隔，每个间隔为1。,热力学温标规定水的三相点（即气、液、固三相共存的 状态点）的温度为273.16K。,17,5、压力（pressure） 压力的定义 单位面积上所受的垂直作用力。气体的压力 是大量分子撞击器壁的平均结果。,压力的表示方法,绝对压力 (absolute pressure),工质的真实压力， 以绝对真空为基准。,大气压力 (a
7、tmospheric pressure),地面上空气柱的重量所造成的压力。,18,相对压力,以环境压力为基准。,表压力,真空度,19,压力的单位,帕斯卡,巴,标准大气压（物理大气压）,工程大气压,毫米汞柱,毫米水柱,20,6、比体积及密度 比体积(specific volume),单位质量物质所占的体积。,密度,单位体积物质的质量。,注意：比体积和密度不是相互独立的状态参数。,21,1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图 1、平衡状态(equilibrium state) 平衡状态的定义不受外界作用时，系统的状态不随时间变化。 平衡状态的条件,（1）热平衡系统内部及系统与外界之间不存在温差。 （
8、2）力平衡系统内部及系统与外界之间不存在压差。,22,2、状态方程式(state equation),3、状态参数坐标图(parametric coordinates),注意：只有平衡状态才能在坐标图上表示。,23,1-5 工质的状态变化过程 1、准平衡过程(quasi-equilibrium process) 准平衡过程的定义实际过程都是不平衡的，但如果偏离平衡状 态很小，并且过程进行得很缓慢，有足够的时间 恢复平衡，则可以认为热力过程中所有状态都无 限接近于平衡状态，这样的过程就称为准平衡过 程（准静态过程，quasi-static process）。 准平衡过程的条件工质与外界的压差和温
9、差无限小。,24,2、可逆过程(reversible process) 可逆过程的定义当系统完成某一过程后，如果沿相同的路径 逆向进行，能使系统和外界都回复到原来的状态 而不留下任何改变，这样的过程就称为可逆过程。,可逆过程的条件 准平衡过程 没有摩擦阻力等能量耗散,注意：只有准平衡过程和可逆过程才能在坐标 图上用连续实线来表示。,25,1-6 过程功和热量 1、功(work) 功的热力学定义系统与外界由于压差通过边界传递的机械能。 注意：功不仅与初、终状态有关，还与中间途 径有关，属于过程量。,功的正负系统对外界作功为正，外界对系统作功为负。 功的单位,功率,单位时间所作的功。,26,可逆过
10、程的体积变化功,在 图上，可以用过程线与横轴围成的 面积来表示。,注意：体积变化功的正负与体积的变化相同， 工质膨胀时对外界作功，工质压缩时外界对工质 作功。,27,体积变化功的组成,有用功 (useful work),摩擦耗功 （对于可逆过程， ）,排斥大气功 （ ）,28,解：,初、终状态相同，但中间途径不同，因此膨胀功不同。,例1-2：工质从状态1（ ）可逆膨胀到状态2。膨胀过 程中：（a）工质的压力服从 ，其中a、b为常 数；（b）工质的 保持恒定为 。试分别求两过程的 膨胀功。,29,解：（1）气球弹力忽略不计，因此充气完成后，气罐内 压力=气球内压力=大气压力。,例1-3：利用体积
11、为 的储气罐中的压缩空气给气球充 气，开始时气球内完全没有气体，呈扁平状，可忽略其内 部容积。设气球弹力可忽略不计，充气过程中气体温度维 持不变，大气压力为 。为使气球充到 ，问 罐内气体最低压力及气体所做的功为多少？已知空气满足 状态方程式 。,取全部气体为热力系，,充气前：,充气后：,30,（2）有用功为0，因此气体所做的功全部为排斥大气功。,类似题目活塞上取走重物，活塞上升，求气体所做的 功。,31,2、过程热量(heat) 热量的定义系统与外界由于温差通过边界传递的热能。 注意：热量不仅与初、终状态有关，还与中间 途径有关，属于过程量。 热量的正负系统吸热为正，放热为负。 热量的单位,
12、32,可逆过程的热量,在 图上，可以用过程 线与横轴围成的面积来表示。,注意：（1）热量的正负与熵 的变化相同，熵增大时系统吸热， 熵减小时系统放热。 （2）热量与温度之间没有必然联系。,33,1-7 热力循环 1、可逆循环和内可逆循环 循环的定义(cycle)工质从某一状态开始，经过若干过程，又回 复到原来的状态。 注意：工质经历一个循环后，状态参数的变化 量为0。,34,可逆循环和不可逆循环(reversible cycle, irreversible cycle)全部由可逆过程组成的循环称为可逆循环。 有部分过程或全部过程是不可逆的循环称为不可 逆循环。只有可逆循环才能在坐标图上用闭合曲
13、线来 表示。,35,内可逆循环(internally reversible cycle)循环中，系统内部的耗散效应 可以忽略不计，但工质与热源之间 为有限温差传热，是不可逆过程。此时可以设想在工质与热源之 间有一个中间热源，中间热源与工 质之间的温差无限小，传热过程是 可逆的。这样内部可逆、外部不可 逆的循环称为内可逆循环。,36,2、正向循环(direct cycle) 定义 热量从热源传给冷源，热能 转化为机械能、对外界作功的循 环称为正向循环，又称为热动力 循环(power cycle)。,37, 图和 图,正向循环在坐标图上为顺时针方向。,38,3、逆向循环(reverse cycle
14、) 定义热量从冷源传给热源， 机械能转化为热能、外界 耗功的循环称为逆向循环。,39,制冷循环(refrigeration cycle)夏季制冷，使室内空气维 持较低的温度。,热泵循环(heat pump cycle)冬季制热，使室内空气维 持较高的温度。,40,图和 图,逆向循环在坐标图上为逆时针方向。,41,4、循环的经济性指标,正向循环的热效率,制冷循环的制冷系数,热泵循环的热泵系数,绝对值,42,第一章 小结 热能动力装置、制冷装置与热泵、工质、热 源、冷源 热力系统及其分类、外界、边界 热力学状态、状态参数（压力、温度、体积） 平衡状态、状态方程式、状态参数坐标图 准平衡过程、可逆过程 功、热量 热力循环、正向循环、逆向循环、循环的经济 性指标,43,第一章 作业 1-12（功的计算） 1-16（功的计算）,
