第一章工程熱力學前言主要內容：1、什么是工程熱力學?2、為什么要學習《工程熱力學》?3、本課程的研究對象及主要內容；

1、什么是工程熱力學?

從工程技術觀點出發，研究工質的熱力學性質，熱能轉換為機械能的規律和方法，以及如何合理而有效地利用熱能的一門學科。即提高機械能與熱能之間相互轉換的效率，以消耗最少的熱能，獲得最多的機械能，或者以花費最少的機械能，獲得最多的熱能。前言2、為什么要學習《工程熱力學》?熱現象是自然界與科技領域中最普遍的物理現象，熱能的轉換和利用仍然是人類有效利用能源的最主要方式。而《工程熱力學》正是研究熱功轉換規律、熱能合理利用的科學。人均資源量少，能源利用效率低，環境污染嚴重，制約國民經濟的發展和人們生活水平的提高。環保、節能意識甚至為解決這些問題而做出貢獻。汽車發動機，火箭、飛機、常規電站、核動力裝置、太陽能集熱器等的設計和分析中，熱力學起著非常重要的作用。所以掌握工程熱力學的基本原理和基本應用是工程教育的重要部分。前言3、本課程的研究對象及主要內容研究對象：研究與熱現象相關的能量利用與轉換規律的科學。主要內容：（1）基本理論：工質的基本熱力性質、熱力學第一、二定律。（2）應用：各種熱力裝置的工作過程，并對氣體和蒸汽循環、制冷循環進行熱力分析和計算，探討提高能量轉換效率的途徑。前言1.1工質及熱力系1.2熱力系的宏觀描述1.3基本狀態參數1.4理想氣體狀態方程第一節基本概念工質：實現熱能和機械能相互轉化的媒介物質。

（1）要有好的流動性；（2）受熱后有顯著的膨脹性；（3）較大的熱容量及安全可靠。工程中最適于充當工質的是氣體或由液態過渡為氣態的蒸氣，如蒸汽輪機中的蒸汽，內燃機中的燃氣，制冷裝置中的制冷劑等。充當工質的最基本條件是：1.1工質及熱力系第一節基本概念熱源（高溫熱源）：工質從中吸取熱能的物系。冷源（低溫熱源）：接受工質放出熱能的物系。為了研究問題方便，熱力學中常把分析對象從周圍物體中分割出來，研究它與周圍物體之間的能量和物質的傳遞。第一節基本概念熱力系統（熱力系）：人為分割出來作為熱力學分析對象的有限物質系統。外界：熱力系統以外的部分。邊界：系統與外界之間的分界面。邊界可以是實在的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移動的。第一節基本概念系統與邊界：

開口系統閉口系統以空間為系統，進、出口邊界均為假想邊界，系統與外界有物質交換。以氣缸內氣體為系統,活塞表面上的邊界是移動邊界，系統與外界沒有物質交換。第一節基本概念熱力系統的分類：根據系統與外界物質交換、熱量交換的情況：閉口系統：系統與外界無物質交換，系統內質量恒定不變，也稱控制質量。開口系統：系統與外界有物質交換，系統被劃定在一定容積范圍內，也稱控制容積。絕熱系統：系統與外界無熱量交換。孤立系統：系統與外界既無能量交換，也無物質交換。第一節基本概念物質流進和流出熱力系統物質交換能量交換傳熱和作功兩種形式熱力系外界若系統流進、流出工質的質量相同，即系統內工質質量保持不變，該系統是開口系統還是閉口系?第一節基本概念在進、排氣閥均關閉時，缸內氣體為閉口系，在進氣閥（或排氣閥）開啟，吸（排）氣時氣缸-活塞系統為開口系。思考：若系統流進、流出工質的質量相同，即系統內工質質量保持不變，該系統是開口系統還是閉口系?答案：開口系，區分開口系和閉口系的關鍵是是否有質量越過邊界，只要有質量越過邊界就是開口系，系統內工質質量的變化在這里沒有影響。閉口系統與開口系統第一節基本概念絕熱系統保溫瓶中熱水向外界散熱很少，可近似作絕熱系統，而熱水袋則不是絕熱系，蒸汽管道外均包保溫材料，也可近似為絕熱系統。第一節基本概念思考1：絕熱系統可否與外界交換功？

答案:可以,只要系統與外界沒有熱量交換就是絕熱系統。

思考2：開口系可不可以是絕熱系？

答案：可以，工質在越過邊界時其熱力學能也越過了邊界，但熱能不是熱量，只要系統與外界沒有熱量交換，就是絕熱系。第一節基本概念A和B溫度不同時，兩物體發生能量傳遞，若取A+B為系統，則為孤立系。孤立系統（1）取A側氣體為系統，是什么系統？（2）取A側和B側全部氣體為系統（不包括電熱絲），是什么系統？（3）取A側和B側全部氣體和電熱絲，是什么系統？（4）取圖中虛線內為系統，是什么系統？第一節基本概念活塞活塞可自由移動A、B中分別裝有某種氣體，但不能相互滲透。加熱絲通電后問：閉口系統閉口系統孤立系統絕熱系統1.2熱力系的宏觀描述一.熱力學狀態：

工質在某一瞬間呈現出來的宏觀物理狀況，簡稱狀態。二.狀態參數：

描述工質所處狀態的宏觀物理量。如溫度、壓力等。第一節基本概念三.狀態參數的特性：

狀態參數都是宏觀的物理量。

狀態參數是熱力系統的單值函數，其值只取決于初終態，與過程無關。四.平衡狀態如果在不受外界影響的條件下，系統的狀態能夠始終保持不變,則系統的這種狀態稱為平衡狀態。第一節基本概念實現平衡的充要條件：系統內部及系統與外界之間的一切不平衡勢差（力差、溫差、化學勢差）消失是系統實現熱力平衡狀態的充要條件。第一節基本概念自然界的物質實際上都處于非平衡狀態，平衡只是一種極限的理想狀態。

工程熱力學通常只研究平衡狀態。熱力平衡狀態滿足：熱平衡：組成熱力系統的各部分之間沒有熱量的傳遞。力平衡：組成熱力系統的各部分之間沒有相對位移。第一節基本概念實現條件：力平衡：無壓差△p→0

熱平衡：無溫差

△T→0

思考題：熱力系實現平衡的條件是什么？平衡態定義：在不受外界影響下，熱力系客觀性質不隨時間改變的狀態。第一節基本概念一.溫標定義：溫標是指溫度的數值表示法。溫標三要素：測溫物質及其測溫屬性基準點分度方法1.3基本狀態參數第一節基本概念第一節基本概念如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于熱平衡，則這兩個物體彼此也一定處于熱平衡，這個基本的實驗事實又稱為熱力學第零定律。這一定律為溫度這一概念的建立、溫度的測量以及建立溫度計量的標尺提供了理論基礎。在溫度的測量中，溫度計即為第零定律中的第三個物體，當溫度計與被測物體達到熱平衡時，溫度計所指示的溫度就是被測物體的溫度。熱力學第零定律任選一種物質的某一測溫屬性，采用以上溫標的規定所得到的溫標稱為經驗溫標，經驗溫標依賴于測溫物質的物理性質。熱力學理論指出可以建立一種不依賴于測溫物質的性質的溫標,即熱力學絕對溫標。

經驗溫標與絕對溫標：第一節基本概念熱力學絕對溫標（熱力學溫度或絕對溫度）開爾文在熱力學第二定律的基礎上，從理論上引入的與測溫物質性質無關的溫標。是國際單位制（SI）的基本溫標，它可作為標準溫標，一切經驗溫標均可以用此溫標來校正。

符號為T，單位為K(稱“開爾文”)

規定水的三相點為基準點，并規定此點的溫度為273.15K第一節基本概念攝氏溫度與熱力學溫度之間的關系是：T＝t＋273.15（K）

華氏溫標與攝氏溫標之間有以下關系：t＝5/9(tF-32)（℃）

第一節基本概念二.壓力定義：單位面積上所受的垂直作用力稱為壓力（即壓強)壓力計：測量工質壓力的儀器。常見的壓力計有壓力表和U型管。由于壓力計的測壓元件處于某種環境壓力的作用下，因此壓力計所測得的壓力是工質的真實壓力（或稱絕對壓力）與環境壓力度之差，叫做表壓力或真空第一節基本概念真空度絕對壓力、表壓力、真空度及大氣壓力之間的關系：第一節基本概念壓力的單位：國際標準單位：帕斯卡(簡稱帕)符號：，

工程單位：標準大氣壓（atm,也稱物理大氣壓）巴(bar)工程大氣壓（at）毫米汞柱（mmHg)毫米水柱（mmH2O)第一節基本概念具體換算見教材表1-1PSI(Poundspersquareinch)

第一節基本概念例題1：如圖所示已知大氣壓Pb=101325Pa，U型管內汞柱高度差H=300mm，壓力表B的讀數為0.2543MPa。求A室壓力PA及壓力表A的讀數PeA。三.比體積和密度比體積單位質量物質所占的體積單位：密度單位體積物質的質量單位：kg/m3v與ρ互成倒數，即：vρ＝1第一節基本概念1.4理想氣體狀態方程一、定義為了便于研究自然界中客觀存在的比較復雜的真實氣體，人們提出了理想氣體的概念。理想氣體：是一種假象的氣體模型，氣體分子是一些彈性的、不占體積的質點，分子之間沒有相互作用力。工程中常用的氧氣、氮氣、氫氣、一氧化碳等及其混合氣體、燃氣、煙氣等工質，在通常使用的溫度、壓力下都可作為理想氣體處理。實際氣體：不符合上述理想氣體兩個微觀假設條件的，則稱為實際氣體。如：水蒸氣、氟里昂蒸汽、氨蒸汽等，它們距離液體較近，不能忽略分子本身的體積和分子間的作用力。第一節基本概念二、理想氣體狀態方程大量實驗證明，理想氣體的三個基本狀態參數間存在著一定的函數關系：1kg：mkg：1mol：nmol：R0為通用氣體常數，與氣體種類及狀態無關：R0＝8314J/(kmol·K)。R為氣體常數，與氣體種類有關：第一節基本概念作業：P111、2、3、4、5、6、7

下次課交2.1熱力過程2.2熱力學第一定律2.3穩定流動能量方程與焓2.4熱力學第二定律2.5熱力學第三定律第二節熱力學基本定律2.1熱力過程一.熱力過程：過程是指系統從一個平衡狀態向另一個平衡狀態變化時經歷的全部狀態的總合。過程是系統平衡被破壞的結果。就熱力系本身而言，熱力學僅對平衡狀態進行描述。第二節熱力學基本定律二.準平衡過程（準靜態過程）定義：由一系列連續的平衡態組成的過程稱為準平衡過程，也稱準靜態過程。準靜態過程特點：準平衡過程是實際過程進行得足夠緩慢的極限情況。實現準平衡過程的條件：促使系統平衡被破壞的壓力差及溫度差為無限小，過程進行的時間非常長。“平衡”和“過程”這兩個矛盾的概念怎樣統一起來呢？這就需要引入準平衡過程。第二節熱力學基本定律T第二節熱力學基本定律為什么要引入準平衡過程概念？有確定的狀態參數變化描述過程在參數坐標圖上用一條連續曲線表示過程12pv第二節熱力學基本定律思考：用常溫的水放入冷庫制冰，這個過程是不是準靜態過程？答案：不是，因為冷庫的溫度和水的溫度差不是無限小。三.可逆過程與不可逆過程如果系統完成某一熱力過程后，再沿原來路徑逆向運行時,能使系統和外界都返回到原來的狀態，而不留下任何變化，則這一過程稱為可逆過程，否則為不可逆過程。注意：判別系統是否經歷了一個可逆過程的關鍵并不在于其是否能恢復到原狀態，而在于是否系統在回復到原狀態的同時不給外界留下任何影響。第二節熱力學基本定律無耗散效應的準靜態過程是可逆過程實現的充要條件。思考題：實現可逆過程的條件是什么？第二節熱力學基本定律第二節熱力學基本定律氣缸內氣體膨脹做功，輸出有用功；轉變為飛輪內的動能，若

準靜態過程由于摩擦損耗，飛輪內儲存的動能不能把活塞推回原地，但施加斥力，仍可使活塞回到原來的位置，這就在外界留下影響，所以沒有摩擦的準靜態過程才可能是可逆過程。

可逆過程

運動無摩擦，傳熱無溫差的準平衡過程是可逆過程。汽缸壓力P大氣壓力P0活塞面積A活塞與汽缸摩擦力f曲柄連桿作用力F可逆過程的實現準靜態過程+無耗散效應=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢差

不可逆根源

耗散效應

耗散效應第二節熱力學基本定律可逆過程與準平衡過程的區別：1.可逆過程一定是準平衡過程；2.準平衡過程不一定是可逆過程。●實際過程都是不可逆過程！第二節熱力學基本定律判斷：可以恢復到原來狀態的過程就是可逆過程。YesorNo一、過程量--功和熱量只要存在不平衡勢差的推動作用，系統和外界就會發生能量的交換-作功或傳熱，功是力和力方向上位移的乘積。功的熱力學定義：

在力差推動下，熱力系統通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現為舉起重物。第二節熱力學基本定律2.2熱力學第一定律功的正負熱力學中約定：系統對外界作功取為正，外界對系統作功取為負。功的單位:焦耳（J）比功與功率比功：單位質量物質所作的功，單位：J/kg功率：單位時間內完成的功，單位：W（瓦）第二節熱力學基本定律可逆過程功的計算：第二節熱力學基本定律功的數值不僅決定于工質的初、終態，而且還和過程的中間途徑有關，因此功不是狀態參數，是過程量。微元過程作出過程量用表示，如微功量用w（狀態參數為微增量，用d表示，如dp、

dv、

dT）膨脹功、壓縮功均是通過工質體積變化與外界交換的功，統稱為體積變化功。體積變化功只與氣體的壓力及體積的變化量有關，與形狀無關。有關功的說明第二節熱力學基本定律熱量的定義熱力系統與外界之間僅僅由于溫度差則通過邊界傳遞的能量，用Q表示（比熱量為q）熱量的正負熱力學中約定：系統吸熱為正，放熱為負熱量的單位國際單位：J（焦耳），工程單位：kJ（千焦）第二節熱力學基本定律定義:熱力系和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量.

計算公式:sT21熱量單位:J,kJ可逆過程中熱量的計算：第二節熱力學基本定律二、比熱容

在熱工計算中，常常需要確定工質在熱力過程中的所吸收或放出的熱量。熱量的計算可以通過工質的狀態參數變化，也可利用比熱容（俗稱比熱）進行。第二節熱力學基本定律1kg工質溫度升高（或降低）1K時所吸收（或放出）的熱量稱為質量熱容，又稱比熱容。用c表示，其定義式為：

或比定壓熱容、比定容熱容

經驗表明，同一種氣體在不同的條件下，例如在保持體積不變或壓力不變的條件下加熱，同樣溫度升高1K所需的熱量是不同的，因此，比熱容的數值與加熱（或放熱）過程的性質有關。工程上最常遇到的是氣體在壓力不變或容積不變的條件下加熱（或放熱），這時相應的比熱容分別稱為比定壓熱容和比定容熱容，并分別在比熱容符號的下方以腳注p和V來區別。

氣體在定壓下受熱時，由于在溫度升高的同時，還要克服外力膨脹作功，而在定容過程中，并不膨脹對外做功，所以同樣升高1K，定壓時比在定容下受熱需要更多的熱量，因此氣體的比定壓熱容大于比定容熱容。第二節熱力學基本定律三、顯熱與潛熱對物質進行加熱或冷卻時，物質的聚集狀態(相態)不發生變化，物質的溫度發生變化(升高或者降低)，此時物質所吸收或放出的熱量稱為顯熱。

如果對物質加熱或冷卻到一定程度，使物質發生了相態變化，在此相變過程中所加給物質的熱量(或物質所放出的熱量)就稱為潛熱。

使液體變為氣體，那么該潛熱為汽化潛熱；

使氣體變為液體，則該潛熱稱為凝結潛熱。

第二節熱力學基本定律內動能取決于分子熱運動，是溫度的函數，而內位能取決于分子間的距離，是比體積的函數，所以熱力學能是溫度和比體積的函數

第二節熱力學基本定律熱力學能內動能:包括分子移動、轉動、粒子振動運動的內位能:分子間由于相互作用力的存在而具有的，故又稱內能。四、熱力學能u＝f(T，v)或u＝f(T，P)u＝f(P，v)理想氣體u＝f(T)第二節熱力學基本定律２答案：不對，應該是定量的理想氣體在等溫過程中熱力學能不變，因為一般地說，氣體的熱力學能是溫度和比體積的函數，等溫過程中雖然溫度不變，但比體積改變，故熱力學能要改變。思考：1.熱力學能就是熱量？2.定量氣體在等溫過程中熱力學能不變？

１答案：不對，熱力學能是物質內部所具有的各種能量的總和，是狀態參數，而熱量是傳遞過程中的熱能，不是狀態參數。第二節熱力學基本定律五、熱力學第一定律任何形式的能量，既不能消滅也不能創造，只能從一種形式轉換成另一種形式，在轉換過程中能量的總量保持恒定，這就是能量守恒轉換定律。熱力學第一定律就是能量守恒與轉換在熱力系統中的應用。它說明了熱能和其它形式的能量，特別是機械能，之間可以相互轉換，在轉換過程中總能量保持不變。

系統進入的能量E1=儲存能量的增量△E+離開的能量E2

Q=△E+W

熱力系第二節熱力學基本定律熱可變化功，功也可變為熱；一定量的熱消失時，必產生一定的功；消耗一定量的功時，必出現與之對應的一定量的熱。第一類永動機不可能實現。

一種機器，不需要外界提供能量，卻能不斷地對外做功。閉口系能量方程及應用q＝△u＋w

Q＝△U＋W

熱力學第一定律熱力學能解析式

第二節熱力學基本定律表示了外界熱源向系統所提供熱量，一部分使得系統熱力學能發生變化，另一部分則用于系統與外界的功量交換，并且能量的總量是守恒的。

以上公式的意義：例題：氣體在某一過程中吸收了50kJ的熱量，同時熱力學能增加了84kJ，問此過程中氣體做功是多少？功是負值意味什么？

于是解：第二節熱力學基本定律2.3穩定流動能量方程與焓1、開口系能量傳遞在控制容積中，能量轉換與傳遞主要表現為通過界面的功、熱交換和伴隨工質連續流進、流出控制容積時的能量傳遞。

(1)通過界面傳遞的能量通過開口系統界面傳遞的能量是功量與熱量。與閉口系一樣，只要界面不絕熱，系統就會從外界吸熱(或向外界放熱)；而開口系的功量交換，往往不是通過系統容積變化來實現，而是通過熱力設備的機械軸與外界交換機械功，故被稱為軸功Ws，單位J。第二節熱力學基本定律單位質量工質的軸功用ws表示，單位J/kg。通常規定系統輸出軸功為正功，所獲得的軸功為負功。(2)隨物流傳遞的能量隨物流傳遞的單位質量的能量包括系統熱力學能u、宏觀動能c2/2、重力位能gz及流動功wf。流動功是連續流體流經控制體界面時，為推開前面的流體而流進或流出控制體時所傳遞的能量，亦稱為推擠功。如圖1-12所示，Wf＝F×L＝PA×L＝P×AL＝PV，故wf＝PV。第二節熱力學基本定律2、焓閉口系工質可以計算焓值，但閉口系沒有工質流進或流出，故能量方程中僅出現熱力學能，而不是焓。

熱力學中把

U＋PV兩項合并為一項，以

H

表示之，稱為焓，即

H＝U＋PV

1kg工質的焓稱為比焓，用

h表示，單位為J/kg或kJ/kg。第二節熱力學基本定律U—熱力學能PV—流動功

焓的物理意義

熱力學能u是工質本身所具有的能量，推動功

PV

則是隨工質流動而轉移的能量，因此焓代表工質流入（或流出）開口系時傳遞入（或傳遞出）系統的能量。由于熱力工程中常碰到工質連續不斷流過熱力設備的情況，隨工質流動而轉移的能量中，取決于工質熱力狀態的部分是焓不是熱力學能，因此焓的應用比熱力學能更廣泛。工質的焓和熱力學能一樣，無法測定其絕對值。在熱工計算中關心的是兩個狀態間焓的變化，因此，可選取某一狀態的焓值為零作為計算基準。在狀態變化的過程中，工質的焓變量為

：第二節熱力學基本定律3、穩定流動能量方程

穩定流動就是指工質在流動情況下，流道中任何截面上的各種參數（溫度、壓力、比體積、流速等）及質量流量都不隨時間而改變；系統在單位時間內與外界的熱量及功量的交換也不隨時間而改變。實際熱機的工作過程大多可認為是穩定過程。第二節熱力學基本定律第二節熱力學基本定律圖1-12穩定流動能量方程推導工質在進、出口截面處所具有的能量形式有：熱力學能u1、u2，宏觀動能，重力位能gz1、gz2，流動功P1v1、P2v2。、根據熱力學第一定律，工質穩定流入系統的能量總和應等于流出系統的能量總和，即：h＝u＋Pv

第二節熱力學基本定律能量方程：

Q=△H+1/2m△cf2+mg△z+Ws

=△H+Ws

q=△h+1/2△cf2+g△z+ws

=△h+ws當忽略系統宏觀動能和重力位能時，可得簡化公式第二節熱力學基本定律穩定流動能量方程應用示例：

(1)葉輪機械∵q=△h+1/2△cf2+g△z+ws

q≈0；△cf2≈0；△z≈0

∴-ws=△h第二節熱力學基本定律因此單位質量的工質在壓氣機、泵和風機等機械中被壓縮時，外界所提供的軸功等于工質焓的增加。(2)噴管∵

q=△h+1/2△cf2+g△z+ws

q≈0；△z≈0；ws=0

∴

1/2△cf2=-△h第二節熱力學基本定律單位質量的工質在噴管中動能的增加等于焓的減少

(3)表面式熱交換器第二節熱力學基本定律∵Q=△H+1/2m△cf2+mg△z+Ws

△cf2≈0；△z≈0；Ws=0(熱或冷流體)∴Q=△H

換熱器中單位質量的工質所吸收的熱量等于工質的焓增，而放出的熱量等于工質的焓降。(4)節流第二節熱力學基本定律∵

q=△h+1/2△cf2+g△z+ws

q≈0；△cf2≈0；△z≈0；ws=0

∴△h=0氣體或蒸汽在管道中流動時，由于遇到突然縮小的狹窄通道，如閥門、孔板等，而使流體壓力顯著下降的現象，稱為節流。如果流體在節流時，與外界沒有熱量交換，則稱為絕熱節流。熱力工程上常遇到的節流現象，基本上都可以認為是絕熱節流。

(5)混合式換熱器∵Q=△H+1/2m△cf2+mg△z+WsQ=0；△cf2≈0；△z≈0；Ws=0

∴

△H=0

即

H3=H2+H1第二節熱力學基本定律例題2-1

一個裝有2kg工質的閉口系經歷如下過程：過程中系統散熱25kJ，外界對系統做功100kJ，比熱力學能減少15kJ/kg，并且整個系統被舉高1000m。試確定過程中系統動能的變化。解:

由于需要考慮閉口系統動能及位能的變化，所以應用第一定律的一般表達式,即結果說明系統動能增加了85.4kJ

第二節熱力學基本定律例題2-2

一活塞汽缸設備內裝有５kg的水蒸氣，由初態的比熱力學能

，膨脹到

，過程中加給水蒸氣的熱量為80kJ，通過攪拌器的軸輸入系統18.5kJ的軸功。若系統無動能、位能的變化，試求通過活塞所做的功。

解：這是一閉口系，所以能量方程為：Q

=△H+W方程中W是總功，應包括攪拌器的軸功和活塞膨脹功，則能量方程為Q

=△H+Ws+WpWp=Q-Ws-m(u2-u1)活塞功為正值，說明系統通過活塞膨脹對外做功

第二節熱力學基本定律例2-3

氣缸內儲有完全不可壓縮的流體，氣缸的一端被封閉，另一端是活塞。氣缸是絕熱靜止的。試問：（1）活塞能否對流體做功？（2）流體的壓力會改變嗎？（3）若使用某種方法把流體壓力從0.2提高到4，熱力學能有無變化？焓有無變化？第二節熱力學基本定律解：（1）汽缸活塞系統是閉口系統。由于流體不可壓縮，流體的體積不會變化，因此流體的體積變化功為零，活塞不能對流體做功。（2）根據牛頓第三定律，流體的壓力應與外力時時相等，因此當活塞上的作用力改變時，流體的壓力也隨之改變。（3）根據已知條件，汽缸活塞系統與外界無熱交換，Q=0又W=0，由能量方程,知，故流體熱力學能無變化。焓，當U,V不變，p提高時，H應增大。第二節熱力學基本定律

H＝U＋PV

2.4熱力學第二定律遵循熱力學第一定律的熱力過程未必一定能夠發生，因為涉及熱現象的熱力過程具有方向性。熱力學第二定律揭示熱力過程具有方向性。它闡明了能量不但有“量”的多少問題，而且有“品質”的高低問題，在能量的傳遞和轉換過程中能量的“量”守恒，但“質”卻不守恒。

第二節熱力學基本定律1.自發過程的方向性第二節熱力學基本定律只要Q'不大于Q，B向A傳熱并不違反第一定律電流通過電阻，產生熱量對電阻加熱，電阻內產生反向

電流？

只要電能不大于加入熱能，不

違反第一定律。第二節熱力學基本定律重物下落，水溫升高水溫下降，重物升高？只要重物位能增加小于等于水降內能減少，不違反第一定律。

第二節熱力學基本定律熱工轉換自由膨脹擴散混合溫差傳熱第二節熱力學基本定律可以自動發生的過程稱為自發過程。熱力過程若要發生，必然遵循熱力學第一定律，熱力學第二定律決定著熱力過程能否實現。一個非自發過程的進行必須付出某種代價作為補償。如制冷。為提高能量利用的經濟性，人們一直在最大限度地減少補償。

研究熱力過程的方向性，以及由此而引起的非自發過程的補償和補償限度等問題是熱力學第二定律的任務。第二節熱力學基本定律能量轉換方向性的實質是能質有差異無限可轉換能—機械能，電能部分可轉換能—熱能T=T0不可轉換能—環境介質的熱力學能歸納：1）自發過程有方向性；

2）自發過程的反方向過程并非不可進行，而是要有附加條件；

3）并非所有不違反第一定律的過程均可進行。第二節熱力學基本定律

不可能制造一個機器，使之在循環動作中把一重物升高，而同時使一熱源冷卻。2、熱力學第二定律的表述克勞修斯說法

不可能吧熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。開爾文說法普朗克說法

不可能從單一熱源取熱使之完全變成功而不產生其他影響。

熱力學第一定律否定了創造能量與消滅能量的可能性，宣告第一類永動機不可能制成。熱力學第二定律則指明第二類永動機，即利用大氣、海洋作為單一熱源，從中汲取熱量，轉變為功的熱機是不可能制造成功的。因為它雖然不違反熱力學第一定律，但違反了熱力學第二定律。

第二節熱力學基本定律前面兩種說法的關鍵是“不引起其他變化”。制冷中，引起變化——外界消耗功；定溫膨脹引起系統狀態變化——氣體壓力降低。第二類永動機3、循環(1)正循環：熱效率ηt=W/Q1正循環狀態圖上沿順時針方向進行，消耗熱，獲得功。第二節熱力學基本定律工質由某一初態出，經歷一系列熱力狀態變化后，又回到原來初態的封閉熱力過程稱為熱力循環，簡稱循環。制冷裝置制冷系數ε=Q2/W

熱泵裝置供熱系數ε'=Q1/W

(2)逆循環狀態圖上沿逆時針方向進行，消耗功，獲得熱。可逆循環由一系列可逆過程組成的循環。不可逆循環含有不可逆過程的循環。第二節熱力學基本定律第二節熱力學基本定律4、卡諾循環與卡諾定理最簡單的熱機必須至少有兩個熱源，那么熱效率最高極限是多少呢？卡諾定理解決了這一問題，并且指出了改進循環提高熱效率的途徑和原則。（1）卡諾循環卡諾循環是工作在恒溫的高、低溫熱源間的理想可逆正循環。它是由兩個定溫和兩個絕熱可逆過程所構成。第二節熱力學基本定律為了實現兩恒溫熱源間的可逆循環，必須消除循環過程中包括內不可逆和外不可逆的所有不可逆因素。為此，工質從高溫熱源吸熱和向低溫熱源放熱必須是工質和熱源間溫差趨于零的定溫吸熱過程和定溫放熱過程，當工質溫度在熱源溫度和冷源溫度間變化時，不允許工質與熱源進行有溫差的熱交換，且內部無耗散效應，故只能是可逆絕熱過程。如此構成的原因是：熱效率p-v圖T-s圖12341234采用理想氣體為工質的卡諾循環過程第二節熱力學基本定律第二節熱力學基本定律1.在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源間工作的可逆熱機的熱效率恒高于不可逆熱機的熱效率；2.在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源間工作的可逆熱機有相同的熱效率，而與工質無關。

（2）卡諾定理卡諾定理的意義：

1.卡諾定理指出了熱效率的極限；

2.提高熱效率的根本途徑在于提高熱源溫度,降低冷源溫度，以及盡可能的減少不可逆因素。

3.溫度為T的熱源放出的熱量轉化為有用功為：

式中T0

為大氣環境溫度，Q為熱源放出的熱量。第二節熱力學基本定律小結：

可逆熱機的熱效率：

不可逆熱機的效率恒低于可逆熱機的效率：

第二節熱力學基本定律例題2-3：自發過程是不可逆過程，非自發過程是可逆過程，這樣說對嗎？

解：這樣說是不全對，誠然自發過程是不可逆過程，但非自發過程卻并非是可逆過程，而是不可逆過程。第二節熱力學基本定律例題2-4：指出循環熱效率公式和各自適用的范圍（T1和T2是指熱源的溫度）。

適用于任何工質進行的任何循環解：適用于任何工質進行的可逆卡諾循環（或可逆的回熱卡諾循環）。第二節熱力學基本定律解：利用卡諾定理來判斷循環是否可行。若在T1和T2之間是一卡諾循環，則循環效率為

例題2-5：欲設計一熱機，使之能從溫度為973K的高溫熱源吸熱2000kJ，并向溫度為303K的冷源放熱800kJ，問此循環能否實現？

而欲設計循環的熱效率為即欲設計循環的熱效率比同溫度限間卡諾循環的低，所以循環可行。第二節熱力學基本定律第二節熱力學基本定律2.5熱力學第三定律人們在研究低溫物理現象時發現，當溫度趨近于絕對零度時，凝聚系統（固體或液體）在可逆定溫過程中熵的變化等于零，即

這就是熱力學第三定律的一種表達。它還有另一種表述：不能用有限的步驟使一個系統的溫度降到絕對零度。

水蒸氣是人類在熱能間接利用中應用最早的工質。在制冷、空調中還常常用到其他蒸氣，如氨蒸氣、氟利昂蒸氣等等。蒸氣距液態較近，微觀粒子之間作用力大，分子本身也占據了相當的體積，而且在工作過程中往往有氣液間的相態變化。

第三節水蒸氣與濕空氣3.1水蒸氣（steam）

因此。蒸氣不能作為理想氣體來對待，它的物理性質較理想氣體復雜得多，它的狀態方程、熱力學能、焓和熵的計算式都不像理想氣體的計算式那樣簡單。工程計算是直接查取為工程計算編制的蒸氣熱力性質圖表。

第三節水蒸氣與濕空氣第三節水蒸氣與濕空氣1.汽化與凝結（1）汽化——由液相變成氣相的過程。包括蒸發、沸騰。

蒸發——在液體表面進行的比較緩慢的汽化。

蒸發是液體表面動能較大的分子脫離液面變成蒸氣分子的過程。蒸發在任何溫度下均可發生。液體溫度愈高，液體表面積愈大，液面上空蒸氣分子密度愈小，蒸發愈快。

沸騰——在液體表面和內部進行的劇烈汽化現象。

對液體加熱，當液體達到一定溫度時，液體內部便產生大量氣泡，氣泡上升到液面破裂而放出大量蒸汽。液體沸騰時的溫度叫做沸點。實驗證明，定壓沸騰時，雖然對液體加熱，但其溫度保持不變。（2）凝結——物質由氣相轉變為液相的過程。它是汽化的反過程。在一定的壓力下，水蒸汽溫度要降到相應壓力的沸點溫度時，才開始凝結。第三節水蒸氣與濕空氣飽和狀態：當汽化速度=液化速度時，系統處于動態平衡，宏觀上氣、液兩相

保持一定的相對數量。飽和溫度：飽和狀態下的液體和蒸氣的溫度稱為飽和溫度。飽和壓力：與飽和溫度相對應的飽和蒸氣的壓力稱為飽和壓力。第三節水蒸氣與濕空氣2、幾個名詞

飽和液(saturated

liquid)—處于飽和狀態的液體：t=ts

干飽和蒸汽(dry-saturated

vapor;

dry

vapor

)

—處于飽和狀態的蒸汽：t=ts

未飽和液(unsaturated

liquid)

—溫度低于所處壓力下飽和溫度的液體：t<ts

過熱蒸汽(superheated

vapor)

—溫度高于飽和溫度的蒸汽：t>ts,t–ts=d稱過熱度(degree

of

superheat)。

濕飽和蒸汽(wet-saturated

vapor;

wet

vapor

)

—飽和液和干飽和蒸汽的混合物：t=ts第三節水蒸氣與濕空氣水的p-T圖思考：1.除加熱還有其它使未飽和液體達到飽和的方法嗎？2.剛性絕熱容器內水的壓力為0.1MPa，測得容器內溫度為200℃，那么容器內水不可能是液態？定義：濕蒸汽中干飽和蒸汽的質量分數，用w或x表示。

3、干度x0

1

飽和液

濕飽和蒸汽

干飽和蒸汽

4.水的定壓加熱汽化過程

(1)水的定壓加熱汽化過程的三個階段和五種狀態第三節水蒸氣與濕空氣a)→b)預熱階段b)→d)汽化階段d)→e)過熱階段圖1-19水的定壓汽化過程

水的溫度曲線圖第三節水蒸氣與濕空氣第三節水蒸氣與濕空氣(2)水的定壓加熱過程在P-v圖與T-s圖中的表示

第三節水蒸氣與濕空氣3.水蒸汽表和圖

(1)零點的規定在編制水及水蒸汽圖表時，對h、s、u等狀態參數需規定其計算起點，即零點。由于工程計算中，只需求其變化量，而不必求其絕對值，故可任選一起點。根據國際水蒸汽會議的規定，選定水的三相點(即273.16K的液相水)作為基準點，規定在該點的液相水的u、s值為零，該基準點的參數為：

t0＝0.01℃，P0＝611.659Pa，v0’＝0.00100021m3/kg，

u0’＝0kJ/kg，s0’＝0kJ/kgh0＝u0’

＋P0

v0’＝(0＋611.659×0.00100021)J/kg＝0.6117J/kg≈0kJ/kg

第三節水蒸氣與濕空氣水蒸汽表有三種：1)按溫度排列的飽和水與干飽和蒸汽表，如附表1（附錄A）所示。已知飽和溫度就可在表中依次查出Ps、v′、v″、h′、h″、γ、s′、s″。2)按壓力排列的飽和水與干飽和蒸汽表，如附表2（附錄A）所示。已知飽和壓力便可查出ts、v′、v″、h′、h″、γ、s′、s″。3)未飽和水與過熱蒸汽表，如附表3（附錄A）所示。已知壓力和溫度這兩個獨立參數，可從表中查出v、h、s。黑線上方是未飽和水的參數值，黑線下方是過熱蒸汽的參數值。表中參數角標為“′”表示飽和水的參數，角標為“″”表示干飽和蒸汽的參數。第三節水蒸氣與濕空氣(2)水蒸汽表例如：在飽和水蒸汽表中可查到：130℃對應的飽和壓力為0.27012MPa,140℃對應的飽和壓力為0.36136MPa，求133℃對應的飽和壓力Ps？把上述問題轉化為：已知兩點坐標A(130℃，0.27012MPa)，B(140℃，0.36136MPa)，求直線AB上點C(133℃，Ps)的縱坐標Ps，如圖1-22所示。因為AB//AC，故直線AB的斜率kAB與直線AC的斜率kAC，即kAB＝kAC，也即:(yB－yA)/(xB－xA)＝(yC－yA)/(xC－xA)yC＝(yB－yA)(xC－xA)/(xB－xA)＋yA補充:二維表格的插值!(需3次直線插值)第三節水蒸氣與濕空氣3.2濕空氣(moist

air)一、基本概念濕空氣是水蒸氣和干空氣的混合物。完全不含水蒸氣的空氣稱為干空氣，干空氣本身是氮、氧及少量其它氣體的混合物，其成分比較穩定。大氣中的空氣或多或少都含有水蒸氣，因此人們在日常