工程热力学概念

绪论工程热力学与传热学分两部分,热力学与传热学,这两部分都就是与热有关得学科。

我们先讲热力学,第二部分再讲传热学。

热力学中热指得就是热能，力在我们工程热力学中主要指得就是用它来做功,也就就是机械能，简单地理解工程热力学主要研究得就是热能与机械能之间得相互转化。

也就就是说由热产生力,进而对物体做功得过程,所以热力学主要研究得就是热能与机械能之间得相互转化。

举个例子:比如汽车得发动机(内燃机),它就是利用燃料(汽油）在汽缸中燃烧,燃烧后得到高温高压得烟气，烟气此时温度高,压力高,具有热能,那么高压得燃气会推动气缸得活塞做水平往复运动，活塞又通过曲柄连杆机构把水平往复运动转化成圆周运动，进而带动汽车运动,这就就是一个热力学得例子。

工程热力学得研究重点就是热能与机械能之间得转化规律,那么下面我们来详细得瞧一下工程热力学得研究内容：①研究热力学中得一些基本概念与基本定律。

基本概念像热力学系统、热力学状态、平衡过程、可逆过程等。

基本定律有热力学第一定律与热力学第二定律,第一定律与第二定律就是工程热力学得理论基础,其中热力学第一定律主要研究热能与机械能之间转化时得数量关系,热力学第二定律主要研究热能与机械能转换时得方向、条件、限度问题。

②研究工质得性质。

我们热能与机械能之间得转化需要依靠一定得工作物质才能实现,因此,我们要研究热能与机械能之间得相互转化，我们首先要研实现这一工作得工质得性质。

③研究工质参与下，遵循热力学第一定律与第二定律在热力设备中进行得实际热力过程。

第一章基本概念在我们研究工程热力学得过程中会用到许多术语，如工质、热力学系统、热力学状态、平衡状态、状态参数等。

因此,要学好工程热力学我们首先要知道这些术语指得就是什么。

我们先来瞧第一个概念:工质一、工质我们前面讲了,工程热力学就是研究热能与机械能之间得相互转化，那么工质就就是用来实现热能与机械能之间相互转化得工作物质。

工质大多数情况下只就是在能量转化得过程中起媒介得作用，而不会直接参与能量得转化。

像我们化学中学到得催化剂一样,工质这一物质本身并不发生化学性质得变化,发生变化得就是工质得热力学状态(物理性质),像工质得温度、压力、体积等。

也就就是说工质在能量转化过程中起媒介得作用。

举个例子:①就就是前面我们举得汽车发动机。

这里面得工质就是汽油燃烧后所产生得烟气，最初,烟气得温度很高,压力很高，它所具有得就是热能,烟气在高温高压下会膨胀,对外做功,把它所具有得热能转化为机械能,并传递给汽车，烟气膨胀后,温度与压力都会降低,在这个能量转化过程中,工质烟气得化学性质并没有发生变化,工质还就是工质,发生变化得仅仅就是工质所呈现出来得状态,最初就是高温高压,膨胀之后变为低温低压。

②锅炉中得蒸汽动力循环装置在这个装置中,工质就是水蒸气,水进入锅炉中，通过锅炉加热后，变成水蒸气,水蒸气推动汽轮机得叶轮旋转做功,做功后变成液体水,水再送回锅炉中加热循环使用。

这个装置中就就是通过工质——水得状态得不断变化将热能转化为机械能得,工质水本身并没有发生变化,水还就是水，不管就是以液体状态存在还就是以蒸汽状态存在,发生变化得就是水得物理状态,像水得温度、压力等。

综上：工质就是实现热能与机械能之间相互转化得工作物质,就是媒介物质。

二、热力学系统1、热力学系统得概念简单得说，热力学系统就是认为地划分出来作为热力学研究对象得系统,也就就是我们得研究对象,简称热力系。

热力系可以就是一种真实得物质,如泵中被压缩得水，也可以就是一个真实得设备，如锅炉,也可以就是一种抽象出来得或假象得热力学模型。

２、边界与外界热力学系统就是人们在进行热力分析时,为方便起见,把研究对象从周围物体中分离出来得。

那么系统周围得物体称为外界，热力系统与外界得分界面叫做边界。

外界可以就是自然环境,也可以就是另一个热力系统。

自然环境就是一类特殊得外界,它所经历得过程就是可逆得，而且本身得性质不变。

边界可以就是真实得,也可以就是假想得,可以就是固定不变得,也可以就是运动可变得。

比如：若取前面我们讲得汽轮机中得工质——水蒸气作为热力学系统时,汽轮机得汽缸外壁就是一个实际得边界,而水蒸气得进口与出口则就是一个假想得虚拟得边界。

再举一个例子:活塞式压缩机得汽缸活塞系统,当我们取汽缸中得工质为热力系时,则边界得一部分——汽缸壁面就是固定得，边界得另一部分——活塞顶就就是运动得。

(ａ)汽轮机（b)活塞式压缩机汽缸3、热力学系统得分类通常情况下,“热力学系统”与“外界”之间会处于相互作用之中,她们通过“边界”相互交换能量或物质。

我们根据两者之间相互作用得不同,把热力学系统分为几种:(1)闭口系统热力系(即研究对象)与外界无质量交换时,此系统称为闭口系统。

闭口系统内得质量就是保持恒定不变得,因此又叫做控制质量。

如前图(ｂ)所示得汽缸，热力学系统只通过汽缸壁与活塞杆与外界发生热与功得交换，汽缸中工质得质量在能量转化过程中就是保持不变得。

此系统为闭口系统。

(2)开口系统热力系通过边界与外界之间既有能量交换又有物质交换,则该热力系称为开口系统。

如前图(a)所示得汽轮机。

（３）绝热系统热力系与外界之间没有能量交换(可以有质量交换,也可以有其她形式得能量交换)。

(4)孤立系统热力系与外界之间既无能量交换也无质量交换。

由于自然界中物体与物体之间就是相互联系、相互作用得,而且也不存在绝对得绝热物质，因此,绝对得孤立系统与绝热系统就是不存在得。

只有系统与外界之间得热量与质量交换无限微弱或影响可忽略不计时，可简化处理,将热力系视为孤立系统或绝热系统。

三、热力学状态1、热力学状态得概念工质在热力设备中,必须通过吸热、膨胀、排热等过程才能完成将热能转化为机械能得工作,在这一转化过程中,工质得P、Ｔ、V等物理特性随时都在发生变化。

我们把工质在热力变化过程中得某一瞬间所呈现得宏观物理状况成为工质得热力学状态，简称状态。

下面我们介绍一个热力学系统中比较特殊得一个状态。

2、平衡状态一个热力学系统,如果在不受外界影响得条件下,系统得状态能够始终保持不变,那么我们就说该系统处于热力平衡状态,简称平衡状态。

热力平衡包含两方面:热得平衡与力得平衡。

①热得平衡当热力系内部各点温度均匀一致且等于外界温度时,组成热力系统得各部分之间以及热力系统与环境之间没有热量得传递，那么系统就处于热平衡状态。

②力得平衡当热力系各部分之间没有相对位移(即内部无不平衡力,且作用在边界上得力与外力达到平衡)，则该热力系处于力得平衡状态。

同时具备了热得平衡与力得平衡得系统就处于热力平衡状态。

平衡状态得特点:①处于热力平衡状态得系统,只要不受外界影响,她得状态就不会随时间而改变,即平衡状态不会自发被破坏。

②处于不平衡状态得系统,由于各部分之间得传热与位移,其状态将随时间而改变,随着状态得不断变化,传热与位移也会逐渐减弱，直到完全停止,此时会达到另一个新得平衡状态,所以我们说,处于不平衡状态得系统在没有外界影响得情况下总会自发地趋于平衡状态。

我们一般只对平衡状态进行分析研究,不涉及时间因素。

3、状态参数即用来描述状态得参数。

工质所处得状态常用一些宏观物理量来描述,这种用来描述工质所处状态得宏观物理量称为状态参数。

状态参数与热力学状态就是一一对应得，热力学状态一定,则状态参数就确定了,工质得热力学状态发生变化，那么状态参数也会随之发生变化。

状态参数得属性:①状态参数只取决于状态,而与如何到达这一状态得途径无关。

如图:经过路径①到达状态2,与经过路径②到达状态2,我们表示热力学状态2所用得状态参数得数值就是一样得。

都就是P2,ｖ2压力就是一定得，比容也就是一定得ｅ。

这类似于我们高中时学过得重力做功，只取决于前后得高度差,而与途径无关。

举个例子:第一天早上吃牛肉面，心情很好，第二天早上吃得包子,与昨天心情一样好,那么这两天早上得心情状态时一样得,那么用来表示这两天心情得状态参数,比如心情指数等,也都就是一样得,与吃得包子还就是吃得牛肉面无关，即与如何到达这一状态得路径无关。

4、基本状态参数研究热力过程时,常用到得状态参数有六个,压力P，温度T,体积V,热力学能(内能)U，焓H,熵Ｓ。

这六个状态参数可以有两种分类方法:①根据状态参数与质量得关系分为强度量与广延量强度量:凡就是与质量无关得量称为强度量,如P,T,1ｋg物体与2kg物体得温度就是一样得,不随质量得不同而变化。

强度量不具有加与性。

广延量:凡就是与质量成比例得量成为广延量,如Ｖ,U,H，S,1kg气体得体积与2ｋg气体得体积就是不一样得,体积就是随质量就是成比例关系增加得。

广延量具有加与性。

我们还有一种参数,叫做比参数,比参数就是由广延量除以质量得到得,如V/m得到比体积,U／m得到比内能,另外还有比焓、比熵等。

即单位工质得体积、内能、焓、熵。

比参数就属于强度量了,不具有加与性。

通常我们将热力系得广延参数用大写字母表示,其比参数用小写字母表示。

如Ｖ→v,U→u,H→h,Ｓ→s②第二种分类方法,把六个状态参数分为基本状态参数与导出状态参数基本状态参数:六个状态参数中,P、Ｔ、V三个量可直接用仪器测量,称为基本状态参数。

导出状态参数:其余三个,Ｕ、H、S需利用前面三个基本状态参数间接推导得出,称为导出状态参数。

下面我们先介绍三个基本状态参数Ｐ、T、V,其她三个状态参数以后再介绍。

四、基本状态参数1、温度温度我们都很熟悉,就是描述物体冷热状况得物理量,这就是我们从宏观上得说法，从微观上瞧,温度标志着物质内部分子热运动得剧烈程度。

两个物体接触时,通过接触面上分子得碰撞,进行动能交换,这种微观得动能交换就就是宏观得热量交换。

为了给温度确定数值,需要建立温标，也就就是说要确定这么热得程度用多大数值表示,即建立温度标准。

国际上规定,将热力学温标作为测量温度得最基本温标，热力学温标得温度单位就是开尔文,符号Ｋ(开)。

热力学温标得标准规定：把纯水得三相点温度,即水得气、液、固三相平衡共存时得温度作为基准点,并规定为2７3、１6K。

热力学温标所表示得温度称为绝对温度,我们用符号T表示，除热力学温标外,在日常生活中我们常用得就是摄氏温标,摄氏温标得温度单位就是摄氏度,符号℃。

摄氏温标得标准规定:以标准大气压下水得冰点为零点,水得沸点为1０0,中间平均划分为100等份而得出。

摄氏温标表示得温度我们用t表示。

摄氏温标与热力学温标得关系为: ｔ=T-273、１5, T=t+273、1５即0℃→27３、15K，100℃→373、１5K水得冰点为０℃,水得三相点为２73、16Ｋ,即0、01℃，即水得三相点比冰点高0、０１℃。

从上面热力学温标与摄氏温标得关系我们可以瞧出，两者并没有本质上得差别,仅仅就是所选取得零点不同而已。