第1章 基本概念及定义
1.1 复习笔记
一、热能和机械能相互转换的过程
1．热能动力装置
（1）热能动力装置的定义
热能动力装置是从燃料燃烧中得到热能以及利用热能得到动力的整套设备(包括辅助设备)。
（2）热能动力装置的分类：
①蒸汽动力装置；
②燃气动力装置。
2．各类热能动力装置中的能量转换情况
（1）蒸汽动力装置中，工作介质经历吸热、膨胀、排热过程，热力学能转变成动能；
（2）燃气动力装置中，燃料和助燃的气体在燃烧设备中燃烧，化学能转换成燃气的热能，燃气膨胀作功，作功后的废气排出装置同时向环境介质排热；
（3）制冷装置与热泵中，装置消耗外部机械功，以实现热能由低温物体向高温物体转移。
3．热能动力装置工作过程
（1）工质循环从热源吸热，将其中一部分转化为机械能，并把余下部分传给低温热源。
（2）在制冷装置中，工质消耗外部机械功或其他形式，使热能由低温热源向高温热源转移，所消耗的机械能也转换成热能一并排向高温热源。
二、热力系统
1．基本概念
（1）热力系统定义
热力系统简称系统或体系，是作为热力学分析对象的有限物质系统。
（2）外界
外界是与系统发生质能交换的物体。
（3）边界
边界是系统和外界之间的分界面，边界可以是实际存在，也可以是假想的。
2．热力系统的分类
根据热力系统和外界之间的能量和物质交换情况，热力系统可分为：
（1）闭口系
闭口系统又称闭口系，是指与外界只有能量的交换而无物质交换的热力系统。
（2）开口系
开口系统又称开口系、控制容积或控制体，是指与外界不仅有能量交换而且有物质交换热力系统。
（3）绝热系统
绝热系统又称绝热系，是指与外界间无热量交换的热力系统。
（4）孤立系统
孤立系统又称孤立系，是指与外界既无能量的交换又无物质交换的热力系统。
（5）简单可压缩系
简单可压缩系是指与外界可逆功交换只有体积变化功的热力系统。
热力系统还可分为均匀系、非均匀系、单相系、复相系等。
三、工质的热力学状态及其基本状态参数
1．基本概念
（1）热力学状态
热力学状态简称状态，是指工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况。
（2）状态参数
状态参数是用来描述工质所处平衡状态的宏观物理量；基本状态参数是可直接用仪器测量的参数。使用最多。
（3）强度量
强度量是指压力和温度等与系统质量的多少无关的参数。
（4）广延量
广延量是指体积、热力学能、焓和熵等与系统质量成正比的参数，具有可加性。
2．温度
（1）宏观理解
当各物体的温度不同时，若相互接触，其间将有净能流传递；当温度相同时，各物体之间达到热平衡
（2）微观理解
从微观上看，温度标志物质分子热运动的激烈程度。对于气体，它是大量分子平移动能平均值的量度，其关系式为
(1-1)
式中：T是热力学温度；
是玻耳兹曼常数；
是分子移动的均方根速度。
3．压力
（1）压力的定义
压力，即压强，是单位面积上所受的垂直作用力。分子运动学说指出气体的压力是大量气体分子撞击器壁的平均结果。
（2）表压力与真空度
表压力或真空度是指压力计所测得的工质的真实压力(或称绝对压力)与环境介质压力之差。作为工质状态参数的压力应该是绝对压力。
①当工质的绝对压力大于大气压力时：
②当工质的绝对压力低于大气压力时：
4．比体积及密度
（1）比体积
比体积是单位质量物质所占的体积，即
(1-2)
式中：v为比体积，
/kg；m为物质的质量，kg；V为物质的体积，。
（2）密度
密度是单位体积物质的质量，单位为kg/m3，密度用符号ρ表示，即
(1-3)
四、平衡状态、状态方程式、坐标图
1．平衡状态
（1）平衡状态的定义
平衡状态是指如果在不受外界影响的条件下系统的状态能够始终保持不变的热力系统。
（2）稳定系统与平衡系统地区别：
①只要系统的参数不随时间而改变，即认为系统处在稳定状态，它无须考虑参数保持不变是如何实现的；
②平衡状态必须是在没有外界作用下实现参数保持不变。
2．状态方程式
（1）对于简单可压缩热力系统，当它处于平衡状态时，各部分具有相同的压力、温度和比体积等参数，且这些参数服从一定的关系式，这样的关系式叫做状态方程式，即
这种关系也可写作隐函数形式，即
（2）理想气体的状态方程是
(1-4)
其中：Rg是气体常数，仅与气体种类有关而与气体的状态无关；R是摩尔气体常数(以前称通用气体常数)，不仅与气体状态无关，也与气体的种类无关，R=8.3145J/(mol·K)。若气体的摩尔质量为M，则R=MRg。需指出的是，状态方程式中各物理量的单位匹配：压力——Pa；温度——K；比体积——m3/kg，体积——m3；质量——kg；n——mol。
3．状态参数坐标图
热力状态坐标图是由热力系状态参数所组成的坐标图称。常用的这类坐标图有压容(P-v)图和温熵(T-s)图等。
图1-1 压容图和温熵图
五、工质的状态变化过程
1．准平衡过程(准静态过程)
（1）准平衡过程的定义
准平衡过程是工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需的弛豫时间很短，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致显著偏离平衡状态的过程。
（2）实现准平衡过程的条件
①力的平衡
气体工质和外界之间的压力差为无限小：
②热的平衡
气体工质和外界的温差为无限小：
2．可逆过程
（1）可逆过程的定义
可逆过程是指当完成了某一过程之后，可能使工质沿相同的路径逆行而回复到原来状态，并使相互作用中所涉及的外界亦回复到原来状态，而不留下任何改变的热力过程。不满足上述条件的过程为不可逆过程。
（2）准平衡过程和可逆过程的关系
①可逆过程首先应是准平衡过程，应满足热的和力的平衡条件，同时在过程中不应有任何耗散效应。可逆过程必然是准平衡过程，而准平衡过程只是可逆过程的必要条件。
②准平衡过程只着眼于工质内部的平衡，有无外部机械摩擦对工质内部的平衡并无关系，准平衡过程进行时可能发生能量耗散。
③可逆过程是分析工质与外界作用所产生的总效果，不仅要求工质内部是平衡的，而且要求工质与外界的作用可以无条件的逆复，过程进行时不存在任何能量的耗散。
六、过程功和热量
1．功的热力学定义
（1）力学中的功
力学中的功是力和沿力方向位移的乘积。若在力F作用下物体发生微小位移
，则力F所作的微元功为
式中δW表示微小功量，并不表示全微分。现设物体在力F作用下由空间某点1移动到点2，则力F所作的总功为
（2）热力学中的功
热力学中的功是热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物。由于功是热力系通过边界与外界交换的能量，所以与系统本身具有的宏观运动动能和宏观位能不同。
（3）功的单位
系统对外界作功取为正，而外界对系统作功取为负。
我国法定计量单位中，功的单位为焦耳，用符号J表示。1J的功相当于物体在1N力的作用下产生lm位移时完成的功量，即
单位质量的物质所作的功称为比功，单位为J/kg。若质量为m的物质完成的功为W，则比功为
单位时间内完成的功称为功率，其单位为W(瓦)，即
工程上还常用kW(千瓦)作为功率的单位：
2．可逆过程的功
（1）有质量为m的气体工质在气缸中进行可逆膨胀，其变化过程由图1-2中连续曲线1-2表示。按照功的力学定义，工质推动活塞移动距离dx时，反抗斥力所作的膨胀功为
(1-5)
在工质从状态l到状态2的膨胀过程中，所作的膨胀功为
(1-6)
（2）已知可逆的膨胀过程l-2的方程式P=f(V)，即可由积分求得膨胀功的数值。膨胀功
在P-V图上可用过程线下方的面积l-2-n-m-1来表示，因此P-V图也叫示功图。
图1-2 可逆过程的功
如果工质是1kg，则所作的功为
(1-7)
(1-8)
过程依反向2-1进行时，同样可得
（3）功的数值不仅决定于工质的初态和终态，而且还和过程的中间途径有关。从状态1膨胀到状态2，可以经过不同的途径，所作的功也是不同的。因此，功不是状态参数，是过程量，它不能表示为状态参数的函数[即W≠f(P，v)]，δw也仅是微小量，不是全微分，故用δ表示。
（4）膨胀功或压缩功都是通过工质体积的变化而与外界交换的功，因此统称为体积变化功。式(1-5)及式(1-6)适用于计算界面包围的气体体积发生了变化，过程是可逆的时在边界上克服外力所作的功。
（5）闭口系工质在膨胀过程中作的功并不能全部用来输出作有用功，若用W
、W
和W
分别表示有用功、摩擦耗功及排斥大气功，则有
(1-9)
由于大气压力可作定值，故
(1-10)
对可逆过程，可用功简化成
(1-11)
3．广义功简介
(1)固体中弹性力所作的功
(2)液体表面张力所作的功
(3)电极化功
(4)磁化功
4．过程热量
（1）热量
热量是热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。
工程热力学中约定：体系吸热，热量为正；反之，则为负。用大写字母Q和小写字母q分别表示质量为m的工质及lkg工质在过程中与外界交换的热量。
（2）热量计算式
(1-12)
(1-13)
对照式(1-5)和式(1-6)可知，可逆过程的热量
在T-s图上可用过程线下方的面积来表示，如图1-3所示。
（2）功和热量的相同点
从对功和热量的定义可以看出，热量和功都是能量传递的度量，它们是过程量。说物系在某一状态下有多少功或多少热量是错误的，因为功和热量都不是状态参数。
（3）功和热量的不同点
①功是有规则的宏观运动能量的传递，在作功过程中往往伴随着能量形态的转化；
②热量是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传递，传热过程中不出现能量形态的转化。功转变成热量是无条件的而热转变成功是有条件的。
图1-3 过程的热量
七、热力循环
1．可逆循环和内可逆循环
（1）热力循环
热力循环简称循环，是指工质在经过若干过程之后，重又回到了原来的状态的一系列过程的综合。
（2）可逆循环与不可逆循环
可逆循环是指全部由可逆过程组成的循环，若循环中有部分过程或全部过程是不可逆的，则该循环为不可逆循环。在状态参数的平面坐标图上，可逆循环的全部过程构成一条闭合曲线。
（3）内循环
如果循环中系统内部的耗散效应可以忽略不计，但工质与热源的传热过程存在很大的不可逆性，不能忽略。可以设想在工质与热源发生传热时有一个假想的物体处于其间，此假想物体与工质的温差无限小，即该传热过程是可逆的。工质的循环便可看成可逆循环，此循环称为内可逆循环。
（4）正向循环和逆向循环
①正向循环是将热能转化为机械能的循环，它使外界得到功；
②逆向循环是将热量从低温热源传给高温热源的循环，一般逆向循环必然消耗外功。
（5）循环经济性指标的原则性定义是：
2．正向循环
正向循环也叫做热动力循环。
（1）循环净功
是工质沿一个循环过程所作功的代数和，即
图1-4 正向循环
（2）
等于循环过程中工质与热源及冷源换热量的代数和
（3）正向循环热效率
（1-14）
3．逆向循环
逆向循环主要应用于制冷装置和热泵。
图1-5 逆向循环
（1）逆向循环时，工质在吸热前可先进行膨胀降温过程(如绝热膨胀)，使工质的温度降低到能自低温热源吸取热量；
（2）在放热过程前进行压缩升温过程(如绝热压缩)，使其温度升高到能向高温热源放热。
（3）制冷循环和热泵循环的用途不同，即收益不同，故其经济性指标也不同，分别用制冷系数ε和热泵系数(也称供热系数)
表示：
(1-15)
(1-16)
与热效率η1一样，制冷系数ε和热泵系数
愈大，表明循环经济性愈好。