1、第一章 基本概念Basic Concepts and Definition主要內容1-1 熱能和機械能相互轉換過程1-2 熱力系統 1-3 工質的熱力學狀態及其基本狀態參數1-4 平衡狀態1-5 工質的狀態變化過程1-6 功和熱量1-7 熱力循環1-1 熱能和機械能相互轉換的過程 一、熱能動力裝置一、熱能動力裝置(Thermal power plant) 定義：從燃料燃燒中得到熱能以及利用熱能得到定義：從燃料燃燒中得到熱能以及利用熱能得到動力的整套設備動力的整套設備(包括輔助設備包括輔助設備)。分分類類共同本質：共同本質：由媒介物通過吸熱由媒介物通過吸熱膨脹作功膨脹作功排熱排熱 燃氣動力裝置燃

2、氣動力裝置(combustion gas power plant) 內燃機內燃機(internal combustion gas engine) 燃氣輪機裝置燃氣輪機裝置(gas turbine power plant) 噴氣發動機噴氣發動機(jet engine) 蒸汽動力裝置蒸汽動力裝置 (steam power plant)內燃機1-1 熱能和機械能相互轉換的過程 1-1 熱能和機械能相互轉換的過程 二、工質二、工質(working substance; working medium)對工質的要求對工質的要求:物質三態中物質三態中氣態氣態最適宜最適宜。 1）膨脹性）膨脹性 2）流動性）流

3、動性 3）熱容量）熱容量 4）穩定性，安全性）穩定性，安全性 5）對環境友善）對環境友善 6）價廉，易大量獲取）價廉，易大量獲取 定義：實現熱能和機械能相互轉化的媒介物質。定義：實現熱能和機械能相互轉化的媒介物質。1-1 熱能和機械能相互轉換的過程 三、熱源三、熱源(heat source; heat reservoir) 定義：工質從中吸取或向之排出熱能的物質系統。定義：工質從中吸取或向之排出熱能的物質系統。 高溫熱源高溫熱源 熱源熱源 ( heat source) 低溫熱源低溫熱源 冷源冷源(heat sink) 恒溫熱源恒溫熱源(constant heat reservoir) 變溫熱源

4、變溫熱源1-2熱力系統 系統系統(thermodynamic system, system) 人為分割出來，作為熱力學研究對象的有人為分割出來，作為熱力學研究對象的有限物質系統。限物質系統。 外界外界(surrounding )：與系統發生質、能交換的物體統稱。與系統發生質、能交換的物體統稱。 邊界邊界(boundary)：系統與外界的分界面（線），可以系統與外界的分界面（線），可以實際存在，也可以是假想的。實際存在，也可以是假想的。一、定義一、定義1-2熱力系統二、系統及邊界示例二、系統及邊界示例 汽車發動機汽車發動機邊界特性邊界特性真實、虛構真實、虛構固定、活動熱力系統選取的人為性熱力系統

5、選取的人為性鍋爐汽輪機發電機水泵凝汽器過熱器只交換功只交換熱既交換功也交換熱功二、閉口系統和開口系統(按系統與外界有無物質交換)1.閉口系統：系統內外無物質交換, 也稱控制質量。（M一定 研究一定質量的物質）2.開口系統：系統內外有物質交換, 也稱控制體積。（V 一定 研究一定空間范圍的物質） 閉口系（閉口系（closed system） （控制質量（控制質量CM） 沒有質量越過邊界沒有質量越過邊界 開口系（開口系（open system） （控制體積（控制體積CV） 通過邊界與外界有質量交換通過邊界與外界有質量交換2. 按系統與外界質量交換按系統與外界質量交換1-2熱力系統 汽缸汽缸- -活

6、塞裝置（閉口系例）活塞裝置（閉口系例） 1）閉口系與系統內質量不變的區別；）閉口系與系統內質量不變的區別； 2）開口系與絕熱系的關系；）開口系與絕熱系的關系； 3）孤立系與絕熱系的關系。）孤立系與絕熱系的關系。注意：注意：絕熱系（絕熱系（adiabatic system） 與外界無與外界無交換交換;孤立系（孤立系（isolated system） 與外界無任何形式的質能交換。與外界無任何形式的質能交換。3. 按能量交換按能量交換容積變化功壓縮功膨脹功4. 簡單可壓縮系（簡單可壓縮系（simple compressible system）（單相、單（單相、單元、均勻）元、均勻） 由可壓縮物質組成

7、，無化學反應、與外界有交由可壓縮物質組成，無化學反應、與外界有交 換容積變化功的有限物質系統。換容積變化功的有限物質系統。熱力系統分類熱力系統分類1234mQW1 開口系 熱力系統選擇原則熱力系統選擇原則 系統的選取方法僅影響解決問題系統的選取方法僅影響解決問題的繁復程度，與研究問題的結果無關。的繁復程度，與研究問題的結果無關。 思考題：思考題： 孤立系統一定是閉口系統嗎。反之怎樣。孤立系統一定是閉口系統嗎。反之怎樣。 孤立系統是否一定絕熱。孤立系統是否一定絕熱。非孤立系相關外界孤立系1+2 閉口系1+2+3 絕熱閉口系1+2+3+4 孤立系閉口系統閉口系統孤立系統 開口系統 熱力系統其它分類

8、方式熱力系統其它分類方式 其它分類方式 物理化學性質 均勻系 非均勻系工質種類多元系單元系相態多相單相 移動和虛構邊界移動和虛構邊界 1）系統與外界的人為性）系統與外界的人為性 2）外界與環境介質）外界與環境介質 3）邊界可以是：）邊界可以是： a）剛性的或可變形的或有彈性的剛性的或可變形的或有彈性的 b）固定的或可移動的固定的或可移動的 c）實際的或虛擬的實際的或虛擬的注意：注意：三、熱力系分類三、熱力系分類 按組元數按組元數: 單元系單元系(one component system; pure substance system) 多元系多元系(multicomponent system)按

9、相數按相數: 單相系單相系(homogeneous system) 復相系復相系(heterogeneous system)注意：注意：1）不計恒外力場影響；）不計恒外力場影響； 2）復相系未必不均勻）復相系未必不均勻濕蒸汽濕蒸汽； 單元系也未必均勻單元系也未必均勻氣液平衡分離狀態氣液平衡分離狀態。 1. 按組元和相按組元和相四、熱力系示例四、熱力系示例 1剛性絕熱氣缸剛性絕熱氣缸-活塞系統，活塞系統，B側設有電熱絲側設有電熱絲 紅線內紅線內閉口絕熱系閉口絕熱系黃線內黃線內不包含電熱絲不包含電熱絲閉口系閉口系黃線內黃線內包含電熱絲包含電熱絲閉口絕熱系閉口絕熱系藍線內藍線內孤立系孤立系閉口系閉口

10、系2剛性絕熱噴管剛性絕熱噴管取紅線為系統取紅線為系統取噴管為系統取噴管為系統開口系絕熱系開口系絕熱系?3. A、B兩部落兩部落“雞、犬之聲相聞，民至老死不相往來雞、犬之聲相聞，民至老死不相往來”ABA部落為系統部落為系統A+B部落為系統部落為系統孤立系孤立系閉口系閉口系1-3工質的熱力學狀態和基本狀態參數 能量的轉化（移）是通過物質狀態的改能量的轉化（移）是通過物質狀態的改變來實現的變來實現的要研究物質的熱力性質。這要研究物質的熱力性質。這里先提出工質的概念里先提出工質的概念 工質工質定義定義：參與能量轉換的物質。參與能量轉換的物質。用來實用來實現能量轉化的工作現能量轉化的工作媒介媒介物質。物

11、質。 工質可以理解為能量的載體。例：水，水工質可以理解為能量的載體。例：水，水蒸氣，空氣、蒸氣，空氣、液氨液氨等，工程上一般采用氣等，工程上一般采用氣態物質作為工質。態物質作為工質。體積變化靈活，對外體積變化靈活，對外膨脹做工，流動性好。膨脹做工，流動性好。狀態：某一瞬間熱力系中所呈現的工質熱力性 質的總狀況（宏觀狀況）狀態參數：描述工質狀態特性的各種物理量稱 為工質的狀態參數。如溫度（T）、壓力（P）、 比容（）或密度（）、內能（u）、焓（h）、熵（s）、基本狀態參數：可直接或間接地用儀表測量出來的狀態參數。 如：溫度T、壓力P、比容或密度狀態參數的特征：）2、狀態參數的積分特征： 3、狀態

12、參數的微分特征：全微分，環積分1212xxdx 0dx工質在熱力過程中發生狀態變化時，由初狀態經過不同路徑，最后到達終點，其參數的變化值，僅與初、終狀態有關，而與狀態變化的途徑無關。狀態參數的積分特征狀態參數的積分特征 狀態參數變化量與路徑無關，只與初終態有關。數學上：點函數1 2ab 0dz212, 12, 112abzzdzdzdz爬山時高度變化強度參數與廣延參數強度參數與廣延參數強度參數：與物質的量無關的參數 如壓力 p、溫度T廣延參數：與物質的量有關的參數可加性 如 質量m、容積 V、內能 U、焓 H、熵S比參數：比容VvmUum比內能Hhm比焓Ssm比熵單位：/kg /kmol 具有

13、強度量的性質廣延性參數：系統的廣延性參數：系統的V. u. H. S等等 特點：與強度性參數相反。特點：與強度性參數相反。 整個系統參數整個系統參數=各單位參數。各單位參數。 參數與參數與m有關、有可加性有關、有可加性 在熱力學過程中，廣延性參數的變化起著類似力學中在熱力學過程中，廣延性參數的變化起著類似力學中的位移作用，稱廣義位移。的位移作用，稱廣義位移。 例：例：QS，PV 比參數比參數=廣延性參數廣延性參數/總質量。總質量。v. u. H. S.等等 除比容除比容v外常將外常將“比比”省略，稱內能，焓，熵等。省略，稱內能，焓，熵等。 比參數比參數 無可加性。無可加性。1 溫度溫度： 宏觀

14、上，是描述系統熱力平衡狀宏觀上，是描述系統熱力平衡狀況時冷熱程度的物理量。況時冷熱程度的物理量。 微觀上微觀上,是大量分子熱運動強烈程是大量分子熱運動強烈程度的量度度的量度 溫度的概念起源于人們對冷熱的感溫度的概念起源于人們對冷熱的感覺。但感覺不準確。同溫的棉、金屬感覺。但感覺不準確。同溫的棉、金屬感覺不同，這就要需用量表示溫度。覺不同，這就要需用量表示溫度。 而而溫度的測量是以熱力學第零定律為基礎溫度的測量是以熱力學第零定律為基礎的。的。BTwm22m是一個分子的質量，W2是分子平移運動的均方根速度；B比例常數；T氣體的熱力學溫度。熱力學第零定律熱力學第零定律如果兩個系統(物體）分別與第三個

15、系統處于熱平衡，則兩個系統彼此必然處于熱平衡。熱平衡：兩系統無溫差T1=T2，無傳熱。溫度測量的理論基礎B 相當 溫度計（標定過，帶數字標尺） 據上述理論，人們就可選擇一個參考系統據上述理論，人們就可選擇一個參考系統溫度計，當被測系統與溫度計達到熱平衡溫度計，當被測系統與溫度計達到熱平衡時，溫度計指示的溫度就等于被測系統的溫時，溫度計指示的溫度就等于被測系統的溫度。度。溫度的數值標尺，簡稱溫標溫度的數值標尺，簡稱溫標。目前法定。目前法定計算溫度的溫標有兩種：計算溫度的溫標有兩種： 理論溫標（熱力學溫標）理論溫標（熱力學溫標）T表示，單位表示，單位K 實用溫標（攝氏溫標）實用溫標（攝氏溫標） t

16、表示，表示， 單位單位 工程上兩種溫標換算工程上兩種溫標換算(絕對零度為絕對零度為-273 ） T273t 兩種溫標的基準點不同，但溫度間隔同（分兩種溫標的基準點不同，但溫度間隔同（分度值同）對于同一工質，用度值同）對于同一工質，用K表示的溫差也表示的溫差也可用可用表示：表示：Tt CK273.15tT溫度的熱力學定義溫度的熱力學定義處于同一熱平衡狀態的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量 溫度。溫度是描述熱力平衡系冷熱狀況的物理量. 溫度是確定一個系統是否與其它系統處于熱平衡的物理量1-3 工質的熱力學狀態和基本狀態參數華氏溫標和朗肯溫標華氏溫標和朗肯溫標華氏溫

17、標和攝氏溫標華氏溫標和攝氏溫標附：附：T R=t +459.67t =5/9t - -32t =9/5t + +322、壓力 p 垂直作用于器壁單位面積上的力，稱為壓力，也稱壓強。 單位: Pa , N/m2常用單位： 1 MPa = 106 Pa（標準的） 1 atm = 760 mmHg = 1.01325105 Pa 1 mmHg =133.3 22Pa 1 at= 9.80665104 PafFp 壓力壓力p測量測量 相對壓力： 相對于大氣環境所測得的壓力。 如工程上常用測壓儀表測定系統中工質的壓力 即為相對壓力。 絕對壓力：用定義計算的壓力 相對壓力是工質絕對壓力與環境壓力的相對值注

18、意：只有絕對壓力 p 才是狀態參數精密壓力表04pa壓力真空表-0.10.9Mpa精密壓力表（真空表） -0.10Mpa壓力壓力p測量測量注意：只有絕對壓力 p 才是狀態參數U形壓力計測壓 絕對壓力絕對壓力P與相對與相對(表）壓力表）壓力Pg當 p B 出口表壓力 pg當 p 有足夠時間恢復新平衡有足夠時間恢復新平衡 準靜態過程準靜態過程疑問：疑問：理論上理論上準靜態準靜態應無限緩慢，應無限緩慢，工程上工程上怎樣處理？怎樣處理？準靜態過程有實際意義嗎？準靜態過程有實際意義嗎？工程上相對熱力學時間標尺工程上相對熱力學時間標尺,過程都很慢過程都很慢總結 準靜態過程準靜態過程(quasi-stati

19、c process; quasi-equilibrium process) 定義：定義：偏離平衡態無窮小，隨時偏離平衡態無窮小，隨時 恢復平衡的狀態變化過程恢復平衡的狀態變化過程。進行條件進行條件： 破壞平衡的勢破壞平衡的勢 Tp ,過程進行無限緩慢過程進行無限緩慢工質有恢復平衡的能力工質有恢復平衡的能力準靜態過程可在狀態參數圖上用準靜態過程可在狀態參數圖上用連續實線連續實線表示表示無窮小無窮小 在分析系統與外界傳遞能量在分析系統與外界傳遞能量(QW)(QW)的實際效果時的實際效果時, ,只只考慮系統內部狀態變化過程是不夠的考慮系統內部狀態變化過程是不夠的, ,因為有摩阻因為有摩阻 存存在使功

20、變熱的效應在使功變熱的效應, ,部分功變為熱部分功變為熱, ,能量總量沒變能量總量沒變, ,但但可用功減少了可用功減少了, ,品位降低了品位降低了.(.(耗散效應耗散效應) ) 為便于計算理論分析時為便于計算理論分析時 設想無耗散效的理想過程設想無耗散效的理想過程- -可逆過程可逆過程 系統經歷某一過程后，如果能使系統與外界同時恢系統經歷某一過程后，如果能使系統與外界同時恢復到初始狀態，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過復到初始狀態，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。程。注意：可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初注意：可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態的過程態的過程。例：下

21、圖例：下圖 所示裝置，取汽缸中的工質作為系所示裝置，取汽缸中的工質作為系統。設飛輪、活塞及工質沒有任何耗散損失統。設飛輪、活塞及工質沒有任何耗散損失（熱損失）。設工質進行絕熱膨脹，對外做（熱損失）。設工質進行絕熱膨脹，對外做功，工質經歷功，工質經歷A1234B的準靜態的準靜態過程。過程。B 壓縮過程終了將使工質及機器都回到各自的初始狀態，對壓縮過程終了將使工質及機器都回到各自的初始狀態，對外界環境沒有留下任何影響，既沒得到功，也沒有消耗功。這外界環境沒有留下任何影響，既沒得到功，也沒有消耗功。這種沒有熱力損失的過程，其正向效果與逆向效果恰好相互抵消，種沒有熱力損失的過程，其正向效果與逆向效果恰

22、好相互抵消，為可逆過程。為可逆過程。準靜態過程準靜態過程 + 無耗散效應無耗散效應 = 可逆過程可逆過程無不平衡勢差無不平衡勢差通過摩擦使功通過摩擦使功變熱的效應變熱的效應(摩摩阻，電阻，非阻，電阻，非彈性變性，磁彈性變性，磁阻等）阻等） 不平衡勢差不平衡勢差不可逆根源不可逆根源 耗散效應耗散效應 耗散效應耗散效應1 過程無勢差過程無勢差 (傳熱無溫差，作傳熱無溫差，作功無力差功無力差)2 過程無耗散效應。過程無耗散效應。可逆過程概念的要領在于，強調系統與可逆過程概念的要領在于，強調系統與外界可以外界可以無條件的逆復無條件的逆復，同時過程進行時，同時過程進行時不不存在任何能量的損耗存在任何能量

23、的損耗。 無能量的損耗是可逆過程區別于其他過無能量的損耗是可逆過程區別于其他過程的核心。如準靜態過程和其他過程都能按程的核心。如準靜態過程和其他過程都能按逆向返回原態，當過程中有能量損耗時，工逆向返回原態，當過程中有能量損耗時，工質逆回到原態時就需要外界補充相應的能量，質逆回到原態時就需要外界補充相應的能量，只有可逆過程的逆回是無條件的。只有可逆過程的逆回是無條件的。 準靜態過程與可逆過程的異同：準靜態過程與可逆過程的異同： 同：（同：（1）都是由一系列平衡狀態組成，都要求保持力平衡和）都是由一系列平衡狀態組成，都要求保持力平衡和 熱平衡。熱平衡。 （2）狀態坐標圖上都能用連續的曲線表示）狀態

24、坐標圖上都能用連續的曲線表示 異：（異：（1）可逆過程沒有勢差，隨時與外界保持熱平衡與力平衡，）可逆過程沒有勢差，隨時與外界保持熱平衡與力平衡，沒有任何能量的不可逆損失；準靜態過程可以有勢差的存在，但沒有任何能量的不可逆損失；準靜態過程可以有勢差的存在，但能及時恢復，保持接近平衡的狀態能及時恢復，保持接近平衡的狀態 （2）準靜態過程是針對系統內部的狀態變化而言的；）準靜態過程是針對系統內部的狀態變化而言的； 可逆過程是針對過程中系統所引起的外部效果而言的。可逆過程是針對過程中系統所引起的外部效果而言的。 聯系：聯系：準靜態過程是可逆過程的必要條件（不是充分條件）準靜態過程是可逆過程的必要條件（

25、不是充分條件） 以后說的過程多指可逆過程以后說的過程多指可逆過程 可逆過程中，閉口系統與外界的可逆過程中，閉口系統與外界的能量交換方式能量交換方式（途徑）有兩（途徑）有兩種：種： A功量（功量（V變化功）變化功） B熱量熱量 準靜態過程是實際過程的準靜態過程是實際過程的理想化理想化過程，過程， 但并非但并非最優最優過程，可逆過程是過程，可逆過程是最優最優過程。過程。 可逆過程的功與熱可逆過程的功與熱完全完全可用可用系統內系統內工質工質 的的狀態參數狀態參數表達，可不考慮系統與外界表達，可不考慮系統與外界 的復雜關系，易分析。的復雜關系，易分析。 實際過程不是可逆過程，但為了研究方實際過程不是可

26、逆過程，但為了研究方 便，先按便，先按理想理想情況（情況（可逆過程可逆過程）處理，）處理， 用系統參數加以分析，然后考慮不可逆用系統參數加以分析，然后考慮不可逆 因素加以因素加以修正。修正。1-6功和熱量 一、功一、功(work)的定義和可逆過程的功的定義和可逆過程的功 1功的力學定義：功的力學定義： 力和力方向上位移的乘積力和力方向上位移的乘積 2功的熱力學定義：功的熱力學定義：通過邊界傳遞的能量其全部通過邊界傳遞的能量其全部效果可表現為舉起重物。效果可表現為舉起重物。3可逆過程功的計算可逆過程功的計算212211ddWWpA xp V功是過程量功是過程量功可以用功可以用p- -v圖上過程線

27、圖上過程線與與v軸包圍的面積表示軸包圍的面積表示1-6功和熱量 系統對外作功為系統對外作功為“+ +” 外界對系統作功為外界對系統作功為“- -”5功和功率的單位：功和功率的單位：JkJ或J /sWk J /sk W附：附：1kW h3600kJ4功的符號約定：功的符號約定：1 1、力學力學定義定義: : 力力 在力方向上的在力方向上的位移位移2 2、熱力學熱力學定義定義 功是系統與外界相互作用的一種方式，功是系統與外界相互作用的一種方式，在在力力的推動下，通過的推動下，通過有序有序運動方式傳遞的運動方式傳遞的能量能量。（在熱力學過程中，功量是系統與外界相在熱力學過程中，功量是系統與外界相互作

28、用所傳遞能量的一種形式）互作用所傳遞能量的一種形式） 功量、熱量的轉換是在熱力過程中進行的，功量、熱量的轉換是在熱力過程中進行的，是過程量，是過程量，與過程性質有關。在數學上不具有與過程性質有關。在數學上不具有全微分性質，只能表示成全微分性質，只能表示成w, Q (w, Q (與狀態參數與狀態參數不同不同) )系統與外界的系統與外界的能量交換方式能量交換方式有兩種：功量、熱量有兩種：功量、熱量鍋鍋爐爐汽輪機汽輪機發電機發電機給水泵給水泵凝凝汽汽器器過熱器過熱器3.可逆過程的膨脹功可逆過程的膨脹功 (容積功容積功)系統容積發生變化而通過界面向外傳遞的機械功。容積功用W表示，單位：焦耳。1Kg工質

29、傳遞的容積功w表示，W=mw J/kg 21pdvw規定規定: 系統對外做功(膨脹)為正， 外界對系統作功(壓縮)為負。問題：問題： 初終態相同的情況下，比較不可逆過程的膨脹功與可逆過程膨脹功大小？J/kgpV2. .12. .pp外外mkg工質：工質： W =pdV21WpdV1kg工質：工質： w =pdv21wpdvW12dVV1VpV2. .12. .pp外外W12dVV1V以汽缸、活塞所包圍的閉口系統為以汽缸、活塞所包圍的閉口系統為例：設汽缸中有例：設汽缸中有1Kg1Kg質量的氣體，質量的氣體，取其為系統。系統經一個可逆膨脹取其為系統。系統經一個可逆膨脹過程，活塞由過程，活塞由1 1

30、移動到移動到2 2。該過程表。該過程表示在示在PVPV圖上，如圖所示：當工質圖上，如圖所示：當工質克服外力克服外力F F推動活塞移動微小距離推動活塞移動微小距離dsds時，工質將對外作出微小的膨脹時，工質將對外作出微小的膨脹功：功： w=Fdsw=Fds因為，假設過程可逆，內外無勢差，因為，假設過程可逆，內外無勢差，存在力平衡，作用在活塞上的外力存在力平衡，作用在活塞上的外力與工質作用在活塞上的力相等，外與工質作用在活塞上的力相等，外力力F F可用系統內部狀態參數表示：可用系統內部狀態參數表示：F=P f F=P f P P絕壓絕壓 ， f f 活塞截面積活塞截面積dsdspV2. .12.

31、.pp外外1kg工質：工質： w =pdv21wpdvW12dVV1V所以，單位質量工質在微元熱所以，單位質量工質在微元熱力過程中克服外力所作微元功力過程中克服外力所作微元功為：為：w=Pfds=Pdv w=Pfds=Pdv J/KgJ/Kg在在P-VP-V圖中圖中ww以微元面積表示以微元面積表示dsdswwpV2. .12. .WV1V在在PVPV圖中過程曲線圖中過程曲線12 12 下下側的面積，即為過程作的功，側的面積，即為過程作的功，w=w=面積面積12v12v1 1v v2 21 1。 所以，所以，PVPV圖也叫示功圖。圖也叫示功圖。在初終態相同的情況下，如在初終態相同的情況下，如果過

32、程經歷的途徑不同，過程果過程經歷的途徑不同，過程曲線的形狀就不同，其下側面曲線的形狀就不同，其下側面積就不同，即功量就不同。所積就不同，即功量就不同。所以，功是過程量，不僅和初終以，功是過程量，不僅和初終態有關，還和過程有關。（而態有關，還和過程有關。（而狀態參數的變化量與過程無關）狀態參數的變化量與過程無關）用數學語言表達用數學語言表達 微元功微元功ww是微小功量，而不是微小增量是微小功量，而不是微小增量dw(dw(全微分全微分) ) wW2-W1wW2-W1ww功功的一般表達式的一般表達式Fdxw Fdxw熱力學最常見的功熱力學最常見的功 容積變化功容積變化功 pdvwpdvw功及熱的單位

33、功及熱的單位: 1j=1w.s 1J=1N.m1 1、熱量熱量定義：熱力系通過邊界與外界的交換的定義：熱力系通過邊界與外界的交換的能能量量中，除了中，除了功功的部分的部分. . 另一定義：另一定義：熱量熱量是熱力系與外界相互作用的另一是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在種方式，在溫度溫度的推動下，以微觀的推動下，以微觀無序無序運動方式傳運動方式傳遞的遞的能量能量。Q Q和和W W雖是能量交換的不同形式，但有許多共同點：雖是能量交換的不同形式，但有許多共同點：都是過程量，都不是狀態參數，都是系統與外界通都是過程量，都不是狀態參數，都是系統與外界通過交換的能量。通過類比，過交換的能量。通過類比，

34、Q Q計算有類似于計算有類似于W W的計算的計算公式。可逆過程傳熱量：公式。可逆過程傳熱量： 21Tdsq 熱量是系統與外界相互作用所傳遞能量的另一種形式。熱量是系統與外界相互作用所傳遞能量的另一種形式。當系統與外界存在溫差時，熱量就從高溫側傳向低溫側。當當系統與外界存在溫差時，熱量就從高溫側傳向低溫側。當T=0達到熱平衡過程就停止了，熱量傳遞也就隨之停止了。達到熱平衡過程就停止了，熱量傳遞也就隨之停止了。所以，所以，Q與與W一樣都是過程量，不是狀態參數。所以，不能講一樣都是過程量，不是狀態參數。所以，不能講某系統有多少熱量（功）只能講某系統在某一過程中和外界交某系統有多少熱量（功）只能講某系

35、統在某一過程中和外界交換了多少熱量（功）換了多少熱量（功） 功和熱量的區別：功和熱量的區別： 功是系統和外界間通過宏觀運動傳遞的能量。功是系統和外界間通過宏觀運動傳遞的能量。 熱量是系統和外界間通過微觀運動傳遞的能量熱量是系統和外界間通過微觀運動傳遞的能量 熱能是指物體分子運動所具有的能量。它可儲存于物體熱能是指物體分子運動所具有的能量。它可儲存于物體 的內部。的內部。 熱量是在傳熱過程中，物體內部熱能改變的結果。熱量一旦傳熱量是在傳熱過程中，物體內部熱能改變的結果。熱量一旦傳入系統就會變成系統所具有的一部分能量儲存起來。所以，不入系統就會變成系統所具有的一部分能量儲存起來。所以，不能講某系統

36、具有多少熱量，可以講某系統具有多少熱能。能講某系統具有多少熱量，可以講某系統具有多少熱能。熱量是否可以用類似于功的式子熱量是否可以用類似于功的式子表示表示？引入引入“熵熵”能量傳遞方式能量傳遞方式 容積變化功容積變化功 傳熱量傳熱量性質性質 過程量過程量 過程量過程量推動力推動力 壓力壓力 p 溫度溫度 T標志標志 dV , dv dS , ds公式公式pdvw Tdsq pdvw Tdsq公式公式條件條件 準靜態或可逆準靜態或可逆 可逆可逆 規定規定:系統系統吸熱吸熱時時為為正正 Q 0 系統系統放熱放熱時時為為負負 Q 0 dS 0系統放熱時系統放熱時為負為負 Q 0 dS 0 系統放熱系

37、統放熱 ds0 S與與q同號同號 絕熱過程絕熱過程 ds=0 熵的單位：對單位質量工質，也稱比熵熵的單位：對單位質量工質，也稱比熵 J/（kg.k） 符號符號s 對系統總質量工質，也稱熵對系統總質量工質，也稱熵 J/k 符符號號S 熵是一個很重要的狀態參數，微觀上代表系統內部分子運動熵是一個很重要的狀態參數，微觀上代表系統內部分子運動的混亂程度，是分子無序度的度量。其意義在第五章講。通的混亂程度，是分子無序度的度量。其意義在第五章講。通過過ds可判別系統與外界有無熱量交換，及其交換方向可判別系統與外界有無熱量交換，及其交換方向21TdsqpVWTSQ p-v 示功圖示功圖T-S 示熱圖示熱圖p

38、dVWTdSQ點：表示狀態，平衡狀態點：表示狀態，平衡狀態線：過程線，實線表示準靜態、可逆過程線：過程線，實線表示準靜態、可逆過程面積：曲線與面積：曲線與s s坐標所圍面積表示過程交換的熱量坐標所圍面積表示過程交換的熱量Q Q方向：過程熵增大方向：過程熵增大dSdS0 0表示吸熱，熵減小表示吸熱，熵減小dSdS0 0表示吸熱表示吸熱T-S 示熱圖示熱圖pVWTSQ p-v 示功圖示功圖pdVW點：表示狀態，平衡狀態點：表示狀態，平衡狀態線：過程線，實線表示準靜態、可逆過程線：過程線，實線表示準靜態、可逆過程面積：曲線與面積：曲線與v v坐標所圍面積表示體積功坐標所圍面積表示體積功w w（過程不

39、同，功不同）（過程不同，功不同）方向：方向： dvdv0 0 功為正功為正 dvdv0 0功為做功的標志是體積變化。功為做功的標志是體積變化。 要實現要實現連續連續作功，必須構成循環作功，必須構成循環循環定義：循環定義：工質從某一初態開始，經歷一系工質從某一初態開始，經歷一系列狀態變化，最后又回復到初始狀態的全部列狀態變化，最后又回復到初始狀態的全部過程稱為熱力循環，簡稱循環。過程稱為熱力循環，簡稱循環。不可逆循環不可逆循環分類分類：循環工作目的分循環工作目的分循環性質分循環性質分可逆循環可逆循環正循環正循環逆循環逆循環圖1-14 任意循環在vp 任意循環在圖上的表示任意循環在圖上的表示正循環

40、（正循環（順時針方向進行）順時針方向進行）： 將熱能轉換為機械能的循環。將熱能轉換為機械能的循環。 循環中膨脹功大于壓縮功（總效果對外作功）。循環中膨脹功大于壓縮功（總效果對外作功）。逆循環（逆時針方向進行）：逆循環（逆時針方向進行）： 消耗機械能將熱能從低溫物體取出傳至高溫物體的循環。消耗機械能將熱能從低溫物體取出傳至高溫物體的循環。 循環中壓縮功大于膨脹功（對內作功）。循環中壓縮功大于膨脹功（對內作功）。逆循環逆循環正循環正循環圖1-14 任意循環在圖上的表示(a)正循環 ； (b)逆循環 ( (a)a)正循環正循環 設1kg工質在氣缸中進行一個正循環1-2-3-4-1。過程1-2-3表示

41、膨脹過程，所以膨脹功在p-v圖上為面積123561。為使工質回復到處態，必須對工質進行壓縮，此時所消耗的壓縮功為面積341653。正循環所做凈功w0為膨脹功與壓縮功之差，即循環所包含的面積12341 對正循環1-2-3-4-1，在膨脹功1-2-3中工質從熱源吸熱q1，在壓縮過程3-4-1中工質向冷源放熱q2。由于在循環過程中，工質回復到初態，工質的狀態沒有變化，因此，工質內部所具有的能量也沒有變化。循環過程中工質從熱源吸收的熱量q1與向冷源放出的熱量q2的差值，必然等于循環1-2-3-4-1所做的凈功w0,即w0=q1-q2。 正循環熱力循環的評價指標正循環熱力循環的評價指標正循環：凈效應（對

42、外作功，吸熱）正循環：凈效應（對外作功，吸熱）1WQ收 益代 價凈 功吸 熱W機械能機械能T1熱源熱源Q1吸吸Q2放放T2冷源冷源動力循環：熱效率動力循環：熱效率正循環正循環中的熱轉換功的經濟性指標用循環熱效中的熱轉換功的經濟性指標用循環熱效率：率： 循環熱效率循環熱效率= =循環中轉換為功的熱量循環中轉換為功的熱量/ /工質工質從熱源吸收的總熱量從熱源吸收的總熱量 12121101qqqqqqwt式中式中q q1 1工質從熱源吸熱工質從熱源吸熱q q2 2工質向冷源放熱；工質向冷源放熱； w w0 0循環所作的凈功。循環所作的凈功。pVTS凈效應：凈效應：對內作功對內作功凈效應：凈效應：放熱

43、放熱逆循環：逆時針方向逆循環：逆時針方向2112( (b)b)逆循環逆循環 如圖所示，熱力循環按逆時針進行如圖所示，熱力循環按逆時針進行（即循環（即循環1-4-3-2-11-4-3-2-1）時，就成了逆）時，就成了逆循環。由循環。由p-vp-v圖可知，逆循環的凈功圖可知，逆循環的凈功為負值，即為負值，即逆循環需要消耗功逆循環需要消耗功。工程。工程上逆循環有上逆循環有兩種用途兩種用途：如以：如以獲得制冷獲得制冷量量為目的，稱為為目的，稱為致冷循環致冷循環，這時致冷，這時致冷工質從冷源吸收熱量工質從冷源吸收熱量q q2 2（或稱冷量）。（或稱冷量）。 如以獲得熱量為目的，則稱為熱泵循環，這時工如以

44、獲得熱量為目的，則稱為熱泵循環，這時工質將從冷源吸取熱量質將從冷源吸取熱量q q2 2連同循環中消耗的凈功連同循環中消耗的凈功w w0 0，一并，一并向較高溫度的供熱系統供給熱量向較高溫度的供熱系統供給熱量q q1 1（q q1 1=q=q2 2+w+w0 0）2QW收 益代 價吸 熱耗 功W耗耗T0高溫環境高溫環境Q1Q2吸吸T2低溫（制冷處）低溫（制冷處）制冷循環：制冷系數制冷循環：制冷系數212021qqqwq1QW收 益代 價放 熱耗 功W耗耗T1高溫（制熱處）高溫（制熱處）Q1Q2T0低溫環境低溫環境制熱循環：制熱系數制熱循環：制熱系數211012qqqwq式中：式中：q1工質向熱源

45、放出熱量工質向熱源放出熱量q工質從冷源吸取熱量；工質從冷源吸取熱量；w循環所作的凈功。循環所作的凈功。212021qqqwq211012qqqwq逆循環逆循環以獲取制冷量為目的：以獲取制冷量為目的： 致冷致冷系數：系數：逆循環以獲取制熱量為目的逆循環以獲取制熱量為目的供熱供熱系數：系數：本章應注意問題：本章應注意問題：1熱力系統概念，它與環境的相互作用，三種分類方法及其特熱力系統概念，它與環境的相互作用，三種分類方法及其特點，以及它們之間的相互關系。點，以及它們之間的相互關系。2引入準靜態過程和可逆過程的必要性，以及它們在實際應用引入準靜態過程和可逆過程的必要性，以及它們在實際應用時的條件。時的條件。3系統的選擇取決于研究目的與任務，隨邊界而定，具有隨意系統的選擇取決于研究目的與任務，隨邊界而定，具有隨意性。選取不當將不便于分析。選定系統后需要精心確定系統性。選取