前言 我国教育部于2001年制定了推动大学双语教学的文件,双语教学近年来,已经逐步成为我国 高校教学改革的一个热点,各高校纷纷参与了双语教学的改革实践 热力学是研究能量转换规律的学科,《工程热力学》是涉及能源利用的工程领域如动力机 械、航天航空、船舶工程、化学工程、建筑环境与设备工程和制冷与低温等的重要技术基础课 程。已经有较完善的基本理论,而其涉及的知识的应用又是当前国际国内能源领域的学者和科 研技术人员研究的热门课题。对工程热力学实施双语教学,可参考的原版英文教材很多,有利于 提高学生穿过语言障碍直接学习国内外本学科知识和参与国际交流的能力,可取得比汉语教学 更好的教学效果。各高校对该课程也在进行着双语教学探讨和实践。本书作者所在的西安建筑 科技大学自2004年起面向建筑环境与设备工程的本科生试行了双语教学,教学过程中除采用专 业指导委员会推荐的中文教材之外,还选用了 Yunus a. Cengel和 Michaela. Boles主编,由清华 大学出版社2002年影印的教材《 Therm odynam ics( An Eng ineer ing approach)》第四版作为英 文教学资料。该教材为国际公认的优秀热力学教材之一,不仅包括基本的热力学概念和原理等 基本知识,还插入了大量的应用例题和相关内容,信息量大,图表丰富,语言纯正,表达生动,逻 辑性强,有时代气息。但是,英文原版教材的内容体系和结构与我国的教学体系偏差较大,文字 对我国学生来讲偏难,直接用于教学对大部分学生会造成很大的学习压力,严重影响到学生用英 语来学习的积极性,难以达到理想的双语教学效果 因此,作者根据5年的教学实践经验,组织编写组成员参阅多本英文原版教材,充分利用互 联网上工程热力学课程的教学资源,根据国内建筑环境与设备工程专业《工程热力学》课程教 学大纲的要求,编排各章节的内容,用中、英文两种文字编写了这部适合我国学生使用的双语 教材。本书具有一定的系统性和完整性,第12章还对可再生能源的相关知识和应用新技术进行 了简单介绍,以拓宽学生能源利用方面的知识。各章节后有中文思考题和习题,可供不同专业 及不同层次的学生参考使用 本书由赵蕾主编,其中绪论、第2、4和5章由赵蕾编撰;第6、7、8和10章的英文部分由赵 蕾与朱常琳共同完成;第9章的英文部分由赵蕾和郭亚军共同完成:第1、3章的中、英文和第9 章的中文部分由郭亚军完成;第6、7、8和10章的中文部分由朱常琳完成;第11章由刘云霞完成 第12章由崔海航完成。 该书稿承西安建筑科技大学刘咸定教授精心审阅,提出了宝贵的意见和修改建议,对提高 书稿的质量帮助极大,在次表示衷心的感谢。 特别感谢西安建筑科技大学环境与市政工程学院的诸位研究生为本书图表的绘制所付出的 辛勤工作 限于编者的学术水平及教学经验,书中难免有一些错误和不妥之处,竭诚希望读者及使用 本书的师生批评和指正
前 言 我国教育部于2001年制定了推动大学双语教学的文件，双语教学近年来,已经逐步成为我国 高校教学改革的一个热点，各高校纷纷参与了双语教学的改革实践。 热力学是研究能量转换规律的学科，《工程热力学》是涉及能源利用的工程领域如动力机 械、航天航空、船舶工程、化学工程、建筑环境与设备工程和制冷与低温等的重要技术基础课 程。已经有较完善的基本理论, 而其涉及的知识的应用又是当前国际国内能源领域的学者和科 研技术人员研究的热门课题。对工程热力学实施双语教学，可参考的原版英文教材很多,有利于 提高学生穿过语言障碍直接学习国内外本学科知识和参与国际交流的能力, 可取得比汉语教学 更好的教学效果。各高校对该课程也在进行着双语教学探讨和实践。本书作者所在的西安建筑 科技大学自2004年起面向建筑环境与设备工程的本科生试行了双语教学，教学过程中除采用专 业指导委员会推荐的中文教材之外，还选用了Yunus A. Cengel和Michael A. Boles主编, 由清华 大学出版社2002 年影印的教材《Therm odynam ics ( An Eng ineer ing approach) 》第四版作为英 文教学资料。该教材为国际公认的优秀热力学教材之一，不仅包括基本的热力学概念和原理等 基本知识，还插入了大量的应用例题和相关内容，信息量大,图表丰富,语言纯正,表达生动,逻 辑性强,有时代气息。但是，英文原版教材的内容体系和结构与我国的教学体系偏差较大，文字 对我国学生来讲偏难,直接用于教学对大部分学生会造成很大的学习压力，严重影响到学生用英 语来学习的积极性，难以达到理想的双语教学效果。 因此，作者根据5年的教学实践经验，组织编写组成员参阅多本英文原版教材，充分利用互 联网上工程热力学课程的教学资源，根据国内建筑环境与设备工程专业《工程热力学》课程教 学大纲的要求，编排各章节的内容，用中、英文两种文字编写了这部适合我国学生使用的双语 教材。本书具有一定的系统性和完整性，第12章还对可再生能源的相关知识和应用新技术进行 了简单介绍，以拓宽学生能源利用方面的知识。各章节后有中文思考题和习题，可供不同专业 及不同层次的学生参考使用。 本书由赵蕾主编，其中绪论、第2、4和5章由赵蕾编撰；第6、7、8和10章的英文部分由赵 蕾与朱常琳共同完成；第9章的英文部分由赵蕾和郭亚军共同完成；第1、3章的中、英文和第9 章的中文部分由郭亚军完成；第6、7、8和10章的中文部分由朱常琳完成；第11章由刘云霞完成； 第12章由崔海航完成。 该书稿承西安建筑科技大学刘咸定教授精心审阅，提出了宝贵的意见和修改建议，对提高 书稿的质量帮助极大，在次表示衷心的感谢。 特别感谢西安建筑科技大学环境与市政工程学院的诸位研究生为本书图表的绘制所付出的 辛勤工作。 限于编者的学术水平及教学经验，书中难免有一些错误和不妥之处，竭诚希望读者及使用 本书的师生批评和指正
绪论 0.1能源与热能的利用 热力学是研究物质的物理性质和能量转换规律的科学。生产实践迫切要求寻找合理的大型 高效热机,因而,工程热力学成为了热力学中最先发展的一个分支。它主要研究热能与机械能 和其他能量之间相互转换的规律及其应用,是化工、冶金、能源动力、航空航天、冷冻空调、 低温超导以及生物工程学科的重要基础课程之一。 自然界中所有的活动都涉及物质和能量的相互作用。自然界中存在大量风力、水力、燃料 的化学能、太阳能、地热能和原子核能等能源,它们是人类赖以生存和发展所必需的燃料和动 力来源。人类对各种能源的不断开发和利用大大地推动了人类社会生产力的发展。纵观世界各 国的国民经济发展状况,能源消费水平一定程度上反映出社会生产力的发展水平。 水 核 太 力 化学能 裂聚 烧 热 风 水 机 燃料电池 热温差 电反应 机 械能 机 热用户 图0-1能源的利用情况 目前,本着可持续发展的思想,国内外均在提倡风能、太阳能、潮汐能等技术的应用,但 是在今后相当长的时期内,国内主要能源仍将以煤炭、石油及天然气等矿物燃料为主,并将加 快核能利用的步伐。由图0-1可见,热能是由一次能源利用过程中重要的转换形式。因此高效 利用燃料燃烧或核聚/裂变所释放的热能将成为今后能源可持续应用的最重要的部分 利用燃料释放出的热能的方式有两种:一种是间接利用,即把热能通过各种类型的发动机 (热机)及发电机转变为机械能或电能,例如蒸汽动力装置、燃气动力装置、大箭发动机、内 燃机等都能实现热能向机械能或电能的转换。热能的间接利用是其主要的应用方式。人类自从 发明蒸汽机之后,就引起了第一次工业革命,使生产力得到巨大的发展。另一种方式是直接利 用,如工业生产中的冶炼、加热、蒸煮、干燥及分馏等,再如日常生活中的热水供应及采暖等。 工业中热能直接利用的设备很多,如各种工业炉窑、工业锅炉、加热器、冷却器、蒸发器和冷
2 热 能 传 热 发 电 机 电 动 机 绪 论 0.1 能源与热能的利用 热力学是研究物质的物理性质和能量转换规律的科学。生产实践迫切要求寻找合理的大型 高效热机，因而，工程热力学成为了热力学中最先发展的一个分支。它主要研究热能与机械能 和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是化工、冶金、能源动力、航空航天、冷冻空调、 低温超导以及生物工程学科的重要基础课程之一。 自然界中所有的活动都涉及物质和能量的相互作用。自然界中存在大量风力、水力、燃料 的化学能、太阳能、地热能和原子核能等能源，它们是人类赖以生存和发展所必需的燃料和动 力来源。人类对各种能源的不断开发和利用大大地推动了人类社会生产力的发展。纵观世界各 国的国民经济发展状况，能源消费水平一定程度上反映出社会生产力的发展水平。 图 0-1 能源的利用情况 目前，本着可持续发展的思想，国内外均在提倡风能、太阳能、潮汐能等技术的应用，但 是在今后相当长的时期内，国内主要能源仍将以煤炭、石油及天然气等矿物燃料为主，并将加 快核能利用的步伐。由图 0-1 可见，热能是由一次能源利用过程中重要的转换形式。因此高效 利用燃料燃烧或核聚/裂变所释放的热能将成为今后能源可持续应用的最重要的部分。 利用燃料释放出的热能的方式有两种：一种是间接利用，即把热能通过各种类型的发动机 （热机）及发电机转变为机械能或电能，例如蒸汽动力装置、燃气动力装置、大箭发动机、内 燃机等都能实现热能向机械能或电能的转换。热能的间接利用是其主要的应用方式。人类自从 发明蒸汽机之后，就引起了第一次工业革命，使生产力得到巨大的发展。另一种方式是直接利 用，如工业生产中的冶炼、加热、蒸煮、干燥及分馏等，再如日常生活中的热水供应及采暖等。 工业中热能直接利用的设备很多，如各种工业炉窑、工业锅炉、加热器、冷却器、蒸发器和冷 风 能 水 力 能 化 学 能 核 能 地 热 能 太 阳 能 燃 烧 裂 变 聚 变 传 热 机 械 能 风 车 水 车 水 力 机 械 电 能 温 差 发 电 磁 流 体 发 电 光 电 反 热 应 用 户 燃 料 电 池 传 热 热 机
凝器等 在热能的间接利用中主要存在热能转化为机械能或电能过程中的有效程度的问题。如在热 力发电中,最简单的装置,热能有效利用率只有25%左右,最先进大型装置也只能达到40%左 右,仍有60%75%的热能无法利用,而排放到大气或江河湖海中去,这部分无法利用的热能称 为废热。再如交通运输中的汽车、火车、飞机及轮船,热能的有效利用率更低。这些装置排放 到大气中的废气带有大量有害物质,已经给人类赖以生存的环境造成了严重的污染。因此,如 何在动力装置中提高热能的利用率,是热能科技工作者的首要任务 热能直接利用所消耗的燃料也占有较大的比重,节约燃料的消耗也是十分重要的。而热能 直接利用的设备中也存在着换热效率问题。因此,如何提高换热设备的换热效率也是当今重要 的研宄课题之一。 国民经济的发展,离不开燃料热能的间接利用和直接利用,然而地球上的矿物燃料资源毕 竟有限,如何提高热能的有效利用率,减少燃料的消耗量,不仅是我国科技界的重大课题,也 是一个世界性的学术问题。因此,对物质热力性质、热能转换及热量传递规律的研究,具有十 分重要的意义。 0.2工程热力学的研究对象与主要内容 据统计,一次能源经热能这一转换环节而被利用的占世界能源耗量的85%以上,是自然界 应用最广泛的一种能量。也就是说其他能量和容易转化为热能,那么,热能是否也可以不花任 何代价而转化为机械能、电能等其他形式的能量呢?这是生产实践中发现的且需要解决的问题 工程热力学就是以热能和机械能之间的相互转换规律为硏究对象,来探索能量合理和有效利用 的一门学科。 机械能是物体有规则宏观运动的结果,是有序运动产生的能量,而热能不同,它是微观粒 子无规则热运动的结果,是无序运动产生的能量,这是它们本质的差别。热能与机械能之间的 转换与其他形式的能量转换,如动能与势能之间的转换有所不同。实践证明:有序能可以很容 易地转化为无序能,但相反的转换却较困难,而且中有一部分热能不能转化为机械能,而仍以 热能的形式存在。能量的这种不等价性表明能量有“品质”的属性。热力学第一、二定律分别 从能量的“量”和“质”两方面揭示出热能与机械能,即有序能和无序能之间的相互转换规律, 是研究热现象不可缺少的理论基础。 热能转变为机械能必须借助设备和工质。要使设备不断地作功,就要求工质具有良好的膨 胀性,而且必须不断地将工质引入到设备中,并将作完功的工质排出,即要求工质有良好的流 动性。因此,所采用的工质一般是气态物质 工程热力学的主要任务是通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和 工质的分析研究,改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环,提高热能利用率和热功 转换效率。为此,必须以热力学基本定律为依据,探讨各种热力过程的特性;研究气体和液体
3 凝器等。 在热能的间接利用中主要存在热能转化为机械能或电能过程中的有效程度的问题。如在热 力发电中，最简单的装置，热能有效利用率只有 25%左右，最先进大型装置也只能达到 40%左 右，仍有 60%~75%的热能无法利用，而排放到大气或江河湖海中去，这部分无法利用的热能称 为废热。再如交通运输中的汽车、火车、飞机及轮船，热能的有效利用率更低。这些装置排放 到大气中的废气带有大量有害物质，已经给人类赖以生存的环境造成了严重的污染。因此，如 何在动力装置中提高热能的利用率，是热能科技工作者的首要任务。 热能直接利用所消耗的燃料也占有较大的比重，节约燃料的消耗也是十分重要的。而热能 直接利用的设备中也存在着换热效率问题。因此，如何提高换热设备的换热效率也是当今重要 的研究课题之一。 国民经济的发展，离不开燃料热能的间接利用和直接利用，然而地球上的矿物燃料资源毕 竟有限，如何提高热能的有效利用率，减少燃料的消耗量，不仅是我国科技界的重大课题，也 是一个世界性的学术问题。因此，对物质热力性质、热能转换及热量传递规律的研究，具有十 分重要的意义。 0.2 工程热力学的研究对象与主要内容 据统计，一次能源经热能这一转换环节而被利用的占世界能源耗量的 85%以上，是自然界 应用最广泛的一种能量。也就是说其他能量和容易转化为热能，那么，热能是否也可以不花任 何代价而转化为机械能、电能等其他形式的能量呢？这是生产实践中发现的且需要解决的问题。 工程热力学就是以热能和机械能之间的相互转换规律为研究对象，来探索能量合理和有效利用 的一门学科。 机械能是物体有规则宏观运动的结果，是有序运动产生的能量，而热能不同，它是微观粒 子无规则热运动的结果，是无序运动产生的能量，这是它们本质的差别。热能与机械能之间的 转换与其他形式的能量转换，如动能与势能之间的转换有所不同。实践证明：有序能可以很容 易地转化为无序能，但相反的转换却较困难，而且中有一部分热能不能转化为机械能，而仍以 热能的形式存在。能量的这种不等价性表明能量有“品质”的属性。热力学第一、二定律分别 从能量的“量”和 “质”两方面揭示出热能与机械能，即有序能和无序能之间的相互转换规律， 是研究热现象不可缺少的理论基础。 热能转变为机械能必须借助设备和工质。要使设备不断地作功，就要求工质具有良好的膨 胀性，而且必须不断地将工质引入到设备中，并将作完功的工质排出，即要求工质有良好的流 动性。因此，所采用的工质一般是气态物质。 工程热力学的主要任务是通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和 工质的分析研究，改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环，提高热能利用率和热功 转换效率。为此，必须以热力学基本定律为依据，探讨各种热力过程的特性；研究气体和液体
的热物理性质,以及蒸发和凝结等相变规律等。现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反应过 程,溶解吸收或解吸等物理化学过程,这就又涉及化学热力学方面的基本知识。 因此,工程热力学的主要内容包括以下三部分 (1)介绍工程热力学理论基础的两个基本定律--热力学第一定律和热力学第二定律 (2)常用工质的热力性质 (3)根据热力学基本定律,结合工质的热力性质,分析计算实现热能和机械能相互转换的各种 热力过程和热力循环;阐明提高转换效率的途径 03工程热力学的研究方法 工程热力学是一门从工程观点来论述热力学普遍原理及其应用的基础性学科。因而,采用宏 观热力学(经典热力学)的方法进行研究。宏观热力学将物体视为连续体,用宏观物理量描述 物质的行为,从少数抽象概念和大量观察、实践总结出来的热力学定律出发,用严密的逻辑推 理方法对物体的宏观性质和宏观现象进行分析研究,得出对实践有指导意义的结论,即从经典 热力学的普遍理论以及在此基础上引出的各种合理利用能源的工程方案和一些相应的特殊规 律。热力学定律是大量客观实践的总结,具有高度的可靠性和普遍性。但是,经典热力学也具 有局限性,它没有深入到物质的微观结构中去,如不能提供比热容的理论、不能解释物质宏观 性质的涨落等 但是,在应用热力学理论进行工程分析计算时,还必须知道有关物质的某些具体的热力性 质,如物质的状态方程、比热容等等。这些基本物性,用经典热力学理论是无法求得的,需要 由试验来提供,或利用统计热力学的研究成果。统计热力学是从物质的微观结构出发,依据微 观粒子的力学规律,应用概率论和统计平均的方法,研究大量微观粒子的运动所表现出来的宏 观性质。由于它可深入热现象的本质,使热力学理论获得微观机理上的说明,并可揭示宏观性 质的微观决定因素,在理论上起到指导作用。但是,统计热力学不可避免地要对物质结构模型 做一些简化或假设,所得结果和实际情况往往有所差异。 工程热力学中也普遍采用抽象、概括、理想化和简化的方法。这种略去细节、抽取共性、 抓主要矛盾处理问题的方法,在进行理论分析时特别有用。这种科学的抽象,不但不脱离实际, 而且总是更深刻地反映事物的本质。 第一章基本概念 工程热力学是硏究热能和机械能转换规律的科学,涉及很多的概念和术语。本章主要介绍 热力系统、状态参数、热力过程、循环以及功和热等基本概念,为以后的学习奠定基础。 1.1热力系统
4 的热物理性质，以及蒸发和凝结等相变规律等。现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反应过 程，溶解吸收或解吸等物理化学过程，这就又涉及化学热力学方面的基本知识。 因此，工程热力学的主要内容包括以下三部分： （1）介绍工程热力学理论基础的两个基本定律----热力学第一定律和热力学第二定律； （2）常用工质的热力性质； （3）根据热力学基本定律，结合工质的热力性质，分析计算实现热能和机械能相互转换的各种 热力过程和热力循环；阐明提高转换效率的途径； 0.3 工程热力学的研究方法 工程热力学是一门从工程观点来论述热力学普遍原理及其应用的基础性学科。因而，采用宏 观热力学（经典热力学）的方法进行研究。宏观热力学将物体视为连续体，用宏观物理量描述 物质的行为，从少数抽象概念和大量观察、实践总结出来的热力学定律出发，用严密的逻辑推 理方法对物体的宏观性质和宏观现象进行分析研究，得出对实践有指导意义的结论，即从经典 热力学的普遍理论以及在此基础上引出的各种合理利用能源的工程方案和一些相应的特殊规 律。热力学定律是大量客观实践的总结，具有高度的可靠性和普遍性。但是，经典热力学也具 有局限性，它没有深入到物质的微观结构中去，如不能提供比热容的理论、不能解释物质宏观 性质的涨落等。 但是，在应用热力学理论进行工程分析计算时，还必须知道有关物质的某些具体的热力性 质，如物质的状态方程、比热容等等。这些基本物性，用经典热力学理论是无法求得的，需要 由试验来提供，或利用统计热力学的研究成果。统计热力学是从物质的微观结构出发，依据微 观粒子的力学规律，应用概率论和统计平均的方法，研究大量微观粒子的运动所表现出来的宏 观性质。由于它可深入热现象的本质，使热力学理论获得微观机理上的说明，并可揭示宏观性 质的微观决定因素，在理论上起到指导作用。但是，统计热力学不可避免地要对物质结构模型 做一些简化或假设，所得结果和实际情况往往有所差异。 工程热力学中也普遍采用抽象、概括、理想化和简化的方法。这种略去细节、抽取共性、 抓主要矛盾处理问题的方法，在进行理论分析时特别有用。这种科学的抽象，不但不脱离实际， 而且总是更深刻地反映事物的本质。 第一章 基本概念 工程热力学是研究热能和机械能转换规律的科学，涉及很多的概念和术语。本章主要介绍 热力系统、状态参数、热力过程、循环以及功和热等基本概念，为以后的学习奠定基础。 1.1 热力系统
1.1.1热力系统 在进行宏观热力学分析时,首先要确定一个具体的分析对象,即热力系统,指由一定边界 所包围的、被取作研究对象的物体或空间,也简称为系统。 热力系统可以是一个物体,也可以是一组物体,还可以 只是物体的某一个部分,或者是某一特定的空间,它是由封 闭的边界面所包围的。边界面以外与系统有相互作用的物体 或空间统称为外界或环境。边界面在图中通常用封闭的虚线 图1-1闭口系 框表示。选取系统就是要明确研究的对象。 下面以几个例子来说明热力系统及边界的某些特性。 如图1-1所示的气缸-活塞机构,气缸内有一定质量的 气体,活塞可以在气缸内移动。以气缸内气体作为研究对象 取如图1-1中虚线所包围的物质为系统。随着活塞的前后移 动,气缸内气体的体积是可变的,但是系统内工质的质量 定。可见,系统的边界可以是固定的,也可以是移动的 图1-2开口系 再如,图1-2所示的刚性容器,流体经进口截面1-1流入,从出口截面2-2流出。为了分 析容器内流体的热力性质,同样要求首先确定系统。由于工质不断地流进或流出容器,其中的 物质是不确定的,分析时可以选取容器壳体以及进出口截面1-1和2-2所包围的空间为系统, 即图1-2中虚线所包围的体积。其中边界面1-1,2-2截面并非真实的,只是假想的边界。可见, 边界可以是真实的,也可以是假想的。此时,系统的边界是固定的,有工质可以从这两个位置 进、出系统。 对一个具体的问题,热力系统的选择方式可以有很多种,应该视具体的情况而定。 确定系统以后,该如何来进行分析和研究呢?在物理学或者力学中,主要研究系统与外界 之间所存在的力的作用。而在热力学中,则主要研究系统和外界之间的能量及物质的相互作用。 1.1.2系统的分类 (1)按与外界的相互作用分类 一般情况下,热力系与外界之间总是存在能量和物质的相互交换作用。因此,可根据热力 系与外界之间相互作用情况,对热力系分类如下 闭口系:指与外界之间没有物质交换的热力系统。系统中物质的质量不变,有时也称为控 制质量 开口系:指与外界有物质交换的热力系统,有质量的流入或流出。系统内物质的质量可能 发生变化,因此开口系也可以称为流动热力系或变质量热力系。在研究开口系时,为了分析方 便,常常把研究范围设定在一定的空间内,这个空间常被称为控制容积
5 图 1-1 闭口系 图 1-2 开口系 1.1.1 热力系统 在进行宏观热力学分析时，首先要确定一个具体的分析对象，即热力系统，指由一定边界 所包围的、被取作研究对象的物体或空间，也简称为系统。 热力系统可以是一个物体，也可以是一组物体，还可以 只是物体的某一个部分，或者是某一特定的空间，它是由封 闭的边界面所包围的。边界面以外与系统有相互作用的物体 或空间统称为外界或环境。边界面在图中通常用封闭的虚线 框表示。选取系统就是要明确研究的对象。 下面以几个例子来说明热力系统及边界的某些特性。 如图 1-1 所示的气缸-活塞机构，气缸内有一定质量的 气体，活塞可以在气缸内移动。以气缸内气体作为研究对象, 取如图 1-1 中虚线所包围的物质为系统。随着活塞的前后移 动，气缸内气体的体积是可变的，但是系统内工质的质量一 定。可见，系统的边界可以是固定的，也可以是移动的。 再如，图 1-2 所示的刚性容器，流体经进口截面 1-1 流入，从出口截面 2-2 流出。为了分 析容器内流体的热力性质，同样要求首先确定系统。由于工质不断地流进或流出容器，其中的 物质是不确定的，分析时可以选取容器壳体以及进出口截面 1-1 和 2-2 所包围的空间为系统， 即图 1-2 中虚线所包围的体积。其中边界面 1-1，2-2 截面并非真实的，只是假想的边界。可见, 边界可以是真实的，也可以是假想的。此时，系统的边界是固定的，有工质可以从这两个位置 进、出系统。 对一个具体的问题，热力系统的选择方式可以有很多种，应该视具体的情况而定。 确定系统以后，该如何来进行分析和研究呢？在物理学或者力学中，主要研究系统与外界 之间所存在的力的作用。而在热力学中，则主要研究系统和外界之间的能量及物质的相互作用。 1.1.2 系统的分类 （1）按与外界的相互作用分类 一般情况下，热力系与外界之间总是存在能量和物质的相互交换作用。因此，可根据热力 系与外界之间相互作用情况，对热力系分类如下： 闭口系：指与外界之间没有物质交换的热力系统。系统中物质的质量不变，有时也称为控 制质量。 开口系：指与外界有物质交换的热力系统，有质量的流入或流出。系统内物质的质量可能 发生变化，因此开口系也可以称为流动热力系或变质量热力系。在研究开口系时，为了分析方 便，常常把研究范围设定在一定的空间内，这个空间常被称为控制容积
绝热系:指与外界没有热量交换的热力系统。在热力学中“绝热”是一个理想化的概念, 实际上即使对边界采用很好的绝热保温措施,也难免有一定的热量交换。但当系统与外界交换 的热量与其它形式的能量交换相比足够小时,即可以认为是“绝热”的。如图1-2所示的汽轮 机,对外界的散热量远小于其输出的功量,故可以忽略其散热,认为是一个绝热系统。 孤立系:指与外界不发生任何相互作用的系统。既没有任何形式的能量交换,也不发生物 质的交换。显然,孤立系统也是一个理想化的概念。有时为了便于问题的研究,可以把系统连 同与其进行能量和物质交换的相关物体或空间视为一体,构成一个孤立系统。孤立系统内部各 个子系统间存在各种相互作用,而孤立系统与外界之间则无任何相互作用 进行热力系统分析时,应该注意,系统与外界发生的各种相互作用均穿越边界而实现;对 相互作用(质量、热量或功量交换)的分析也应当从边界着手进行。正确选取系统,对于分析 对象的热力学特性具有重要的意义。选取不当,就很难进行热力学分析或无法得到正确的结论。 (2)按系统内部的状况分类 热力系内部组成状况和系统与外界之间的相互作用密切相关,也可以按照其内部状况对热 力系分类如下 单元系:指内部只包含一种化学成分的物质的热力系统; 多元系:指内部包含两种或两种以上化学成分的物质的热力系统; 均匀系:指各部分的成分、状态和性质都相同的热力系统 非均匀系:内部各个部分的成分、状态及性质各不相同的热力系。而且,即使热力系各个部 分的成分相同,但若它们的状态和性质不同,也为非均匀系。比如在充满水蒸气的容器中,若 存在均匀分布的细微的水滴,则水和水蒸气的混合物属于均匀系,但假如液态水在容器底部而 水蒸气在其上部,就属于非均匀系。 1.1.3工质 能量转换必须通过物质来实现,物质是实现能量转换不可缺少的内部条件。用来实现能量 相互转换的媒介物称为工质。例如,内燃机以燃气为工质,蒸汽动力装置以水蒸气为工质等等 从理论上来说,气、液、固三态物质都可作为工质,但工程热力学所研究的能量转换一般 都是通过工质体积变化来实现的,而对体积变化最灵敏、且最显著而迅速的是气(汽)态物质。 因此,在热力学中,主要选择气(汽)态物质为工质 工质对能量转换有直接的影响,故对不同工质性质的研究也是热力学的主要内容之 1.2热力状态及基本状态参数 1.2.1状态与状态参数
6 绝热系：指与外界没有热量交换的热力系统。在热力学中“绝热”是一个理想化的概念， 实际上即使对边界采用很好的绝热保温措施，也难免有一定的热量交换。但当系统与外界交换 的热量与其它形式的能量交换相比足够小时，即可以认为是“绝热”的。如图 1-2 所示的汽轮 机，对外界的散热量远小于其输出的功量，故可以忽略其散热，认为是一个绝热系统。 孤立系：指与外界不发生任何相互作用的系统。既没有任何形式的能量交换，也不发生物 质的交换。显然，孤立系统也是一个理想化的概念。有时为了便于问题的研究，可以把系统连 同与其进行能量和物质交换的相关物体或空间视为一体，构成一个孤立系统。孤立系统内部各 个子系统间存在各种相互作用，而孤立系统与外界之间则无任何相互作用。 进行热力系统分析时，应该注意，系统与外界发生的各种相互作用均穿越边界而实现；对 相互作用 (质量、热量或功量交换) 的分析也应当从边界着手进行。正确选取系统，对于分析 对象的热力学特性具有重要的意义。选取不当，就很难进行热力学分析或无法得到正确的结论。 （2）按系统内部的状况分类 热力系内部组成状况和系统与外界之间的相互作用密切相关，也可以按照其内部状况对热 力系分类如下： 单元系：指内部只包含一种化学成分的物质的热力系统； 多元系：指内部包含两种或两种以上化学成分的物质的热力系统； 均匀系：指各部分的成分、状态和性质都相同的热力系统； 非均匀系：内部各个部分的成分、状态及性质各不相同的热力系。而且,即使热力系各个部 分的成分相同，但若它们的状态和性质不同，也为非均匀系。比如在充满水蒸气的容器中，若 存在均匀分布的细微的水滴，则水和水蒸气的混合物属于均匀系，但假如液态水在容器底部而 水蒸气在其上部,就属于非均匀系。 1.1.3 工质 能量转换必须通过物质来实现，物质是实现能量转换不可缺少的内部条件。用来实现能量 相互转换的媒介物称为工质。例如，内燃机以燃气为工质，蒸汽动力装置以水蒸气为工质等等。 从理论上来说，气、液、固三态物质都可作为工质，但工程热力学所研究的能量转换一般 都是通过工质体积变化来实现的，而对体积变化最灵敏、且最显著而迅速的是气(汽)态物质。 因此，在热力学中，主要选择气(汽)态物质为工质。 工质对能量转换有直接的影响，故对不同工质性质的研究也是热力学的主要内容之一。 1.2 热力状态及基本状态参数 1.2.1 状态与状态参数
热力系统中某一瞬间所表现的工质的宏观物理状况称为系统的热力状态,简称为状态。热 力状态反映工质大量分子热运动的平均特性。用来描述工质所 处状态的各种物理量称为状态参数。状态参数是状态的函数 △K=3m3;w=8u 热力状态一定,描述状态的状态参数也确定。描述一种状态的 状态参数是唯一确定的一组数值。只要其中的一个参数发生变 化,则系统状态就不同。例如,某时室内空气的温度为20℃, 室外空气的温度为12℃,可以说室内外空气的热力状态不同,2m 其中温度为描述空气状态的状态参数之 图1-3状态 状态参数是点函数,这是状态参数的一个重要的基本特 性。如图1-3所示,当系统从初态1经历不同的途径变化至终态2时,状态参数的变化量仅与 初、终状态有关,而与状态变化所经历的途径无关,即 Ax1-2=x2-*=dr (1-1) 热力系统经过一系列变化之后又回复到初始状态时,其状态参数的变化量为零,即 状态参数分为基本状态参数和导出状态参数。基本状态参数可以直接或间接用仪表测量 如温度(T)、体积()、比容(ν)或密度(ρ)等。导出状态参数则无法测量得到,而只能由基 本状态参数间接计算得到,如内能(u)、焓(h)、熵(s)等。下面首先介绍基本状态参数,其他 的状态参数将在以后各章中逐步介绍。 1.22基本状态参数 (1)温度 温度这个名词众所周知。夏天很热,温度高,冬天很冷,则温度低。可见,温度是物体冷 热程度的表现。但是,如何严格地定义温度的概念?又如何定量地来表示温度的数值呢 在孤立系统中,当两个冷、热状况不同的物体互相接触时,冷的物体会变热,热的物体会 变冷。经过足够长时间之后,两物体终将达到相同的冷热状况,即所谓热平衡状态。实践证明, 如两个物体分别和第三个物体处于热平衡,则它们彼此之间也必然处于热平衡,这一规律称为 热力学第零定律。从这一定律可以推论,相互间处于热平衡的系统必定存在一个在数值上相等 的热力参数,用来描述这一热平衡特性的参数就是温度。 热力学第零定律为温度的测量提供了依据。当被测系统与已标定过的带有数值标尺的温度 计达到热平衡时,温度计指示的温度值就等于被测系统的温度值。 温度的数值标尺称为温标。温标的建立一般需要选定测温物质及其某一物理性质,并规定 基准点及分度方法。常用的温标有多种,国际单位制(SD中采用热力学温标,符号为T,单位是
7 图 1-3 状态 热力系统中某一瞬间所表现的工质的宏观物理状况称为系统的热力状态，简称为状态。热 力状态反映工质大量分子热运动的平均特性。用来描述工质所 处状态的各种物理量称为状态参数。状态参数是状态的函数， 热力状态一定，描述状态的状态参数也确定。描述一种状态的 状态参数是唯一确定的一组数值。只要其中的一个参数发生变 化，则系统状态就不同。例如，某时室内空气的温度为 20℃， 室外空气的温度为 12℃，可以说室内外空气的热力状态不同， 其中温度为描述空气状态的状态参数之一。 状态参数是点函数，这是状态参数的一个重要的基本特 性。如图 1-3 所示，当系统从初态 1 经历不同的途径变化至终态 2 时，状态参数的变化量仅与 初、终状态有关，而与状态变化所经历的途径无关，即 2 1 2 2 1 1 x x x xd (1-1) 热力系统经过一系列变化之后又回复到初始状态时，其状态参数的变化量为零，即 x11 dx 0 (1-2) 状态参数分为基本状态参数和导出状态参数。基本状态参数可以直接或间接用仪表测量， 如温度( T )、体积( V )、比容( v )或密度( ）等。导出状态参数则无法测量得到，而只能由基 本状态参数间接计算得到，如内能( u )、焓( h )、熵( s )等。下面首先介绍基本状态参数，其他 的状态参数将在以后各章中逐步介绍。 1.2.2 基本状态参数 (1) 温度 温度这个名词众所周知。夏天很热，温度高，冬天很冷，则温度低。可见，温度是物体冷 热程度的表现。但是，如何严格地定义温度的概念？又如何定量地来表示温度的数值呢？ 在孤立系统中，当两个冷、热状况不同的物体互相接触时，冷的物体会变热，热的物体会 变冷。经过足够长时间之后，两物体终将达到相同的冷热状况，即所谓热平衡状态。实践证明， 如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡，这一规律称为 热力学第零定律。从这一定律可以推论，相互间处于热平衡的系统必定存在一个在数值上相等 的热力参数，用来描述这一热平衡特性的参数就是温度。 热力学第零定律为温度的测量提供了依据。当被测系统与已标定过的带有数值标尺的温度 计达到热平衡时，温度计指示的温度值就等于被测系统的温度值。 温度的数值标尺称为温标。温标的建立一般需要选定测温物质及其某一物理性质，并规定 基准点及分度方法。常用的温标有多种，国际单位制(SI)中采用热力学温标，符号为 T ，单位是
K( Kelvin)。热力学温标规定以纯水的三相点温度(即水的汽、液、固三相平衡共存的状态)为基 准点,定义该点温度为273.16K,每1K为水三相点温度的1273.16。 国际单位制(SI)及工程中与热力学温标并用的还有摄氏 Celsius)温标,符号为t,单位是℃ 摄氏温标与热力学温标的关系是 t=T-273 (1-3) (2)压力 1)压力及单位压力是指热力系的单位面积上所承受的垂直作用力,即物理学中的压强, 以符号p表示,单位为N/m2。若有合力F(N)垂直作用于面积A(m2)上,则该面积上的压力 压力是大量分子碰撞器壁的宏观表现,取一个充满气体的容器为系统,大量无规则运动的 气体分子不断地与壁面相碰撞,就其中的某一分子而言,这种碰撞是断续的,但是就大量分子 的整体而言,每一时刻都有许多分子与壁面碰撞,在宏观上就表现为恒定的、持续的压力。由 于分子无规则运动在各个方向上都发生撞击,所以热力系的界面及内部任意一个假想表面上均 受到压力的作用 SI和国标规定的压力的单位为帕斯卡(Pa),1Pa=1N/m2。因为单位Pa太小,工程上常用 kPa(千帕)或MPa(兆帕)来表示 1 kPa=10' Pa lMPa=10°Pa 此外,工程上还采用其他压力单位,如巴(bar),标准大气压(atm)、工程大气压(at)、 毫米水柱(mmH2O)和毫米汞柱(mmHg)等单位。它们之间的相互换算关系如下: I bar=105 Pa; 1 atm=1.01325x10 Pa=760 mmHg; 1 at=10 mH,O=1 kgf/cm2 2)绝对压力与相对压力压力用压力表测量。工程上常用的压力表主要有两类,如图 1-4(a)、(b)所示,即簧管式压力表和测量较小压力的U形管压力表。其测量原理都建立在与环 境的力平衡的基础上,测得的压力读数是工质的实际压力与当地大气压力(环境压力)的差值 称为相对压力,也称表压力,记作P2,而容器内工质的实际压力称为绝对压力。若容器内压力 低于当地大气压力,则由真空表测量,真空表指示的读数被称为真空度,记作p,表示当地大 气压力和工质实际压力的差值。可见,绝对压力、相对压力和大气压力值均为正 绝对压力、相对压力和大气压力之间的关系如式(1-5)、(1-6)及图1-5所示。 当P>P时,P=P+P2 (1-5) p<p
8 K (Kelvin)。热力学温标规定以纯水的三相点温度(即水的汽、液、固三相平衡共存的状态)为基 准点，定义该点温度为 273.16 K，每 1 K 为水三相点温度的 1/273.16。 国际单位制(SI)及工程中与热力学温标并用的还有摄氏(Celsius)温标，符号为 t ,单位是℃。 摄氏温标与热力学温标的关系是： t T 273.15 (1-3) (2) 压力 1）压力及单位 压力是指热力系的单位面积上所承受的垂直作用力，即物理学中的压强， 以符号 p 表示，单位为 2 N/m 。若有合力 F (N)垂直作用于面积 A ( 2 m )上，则该面积上的压力 为： F p A (1-4) 压力是大量分子碰撞器壁的宏观表现，取一个充满气体的容器为系统，大量无规则运动的 气体分子不断地与壁面相碰撞，就其中的某一分子而言，这种碰撞是断续的，但是就大量分子 的整体而言，每一时刻都有许多分子与壁面碰撞，在宏观上就表现为恒定的、持续的压力。由 于分子无规则运动在各个方向上都发生撞击，所以热力系的界面及内部任意一个假想表面上均 受到压力的作用。 SI 和国标规定的压力的单位为帕斯卡( Pa ), 2 1 Pa=1 N/m 。因为单位 Pa 太小，工程上常用 kPa (千帕)或 MPa (兆帕)来表示。 3 1 kPa=10 Pa ， 6 1 MPa=10 Pa 此外，工程上还采用其他压力单位，如巴( bar )，标准大气压( atm )、工程大气压（at）、 毫米水柱( mmH O2 )和毫米汞柱( mmHg )等单位。它们之间的相互换算关系如下： 1 bar=105 Pa; 1 atm=1.01325×105 Pa=760 mmHg ;1 at=10 mH O2 =1 kgf/cm2 ; 2) 绝对压力与相对压力 压力用压力表测量。工程上常用的压力表主要有两类，如图 1-4(a)、(b)所示，即簧管式压力表和测量较小压力的 U 形管压力表。其测量原理都建立在与环 境的力平衡的基础上，测得的压力读数是工质的实际压力与当地大气压力（环境压力）的差值， 称为相对压力，也称表压力，记作 g p ，而容器内工质的实际压力称为绝对压力。若容器内压力 低于当地大气压力，则由真空表测量，真空表指示的读数被称为真空度，记作 v p ，表示当地大 气压力和工质实际压力的差值。可见，绝对压力、相对压力和大气压力值均为正。 绝对压力、相对压力和大气压力之间的关系如式(1-5)、(1-6)及图 1-5 所示。 当 b p p 时， b g p p p (1-5) 当 b p p 时， p p p b v (1-6)
式中,p3为当地大气压力;P2为绝对压力高于当地大气压力时的相对压力,称为表压力;p为 绝对压力低于当地大气压力时的相对压力,称为真空度 (a)U形管压力表 (b)簧管式压力表 图1-4.工程上常用的压力表 由于大气压力随地理位置及气候条 件等因素而变化,绝对压力相同的系统 在不同的大气压力条件下,压力表指示的 相对压力并不相同。只有绝对压力才是状 态参数。在后面的分析和计算中,所用的 压力均指绝对压力。本书中如没有特别指 图1-5各压力之间的关系 出是“相对压力或表压力”,都应理解为 绝对压力” (3)比体积和密度 比体积就是单位质量的工质所占有的体积,单位是m/kg。若以m表示质量,V表示工质所 占的体积,则比体积为 密度是单位体积内所包含的工质质量,单位是kg/m3 (1-8) 可见,它们不是相互独立的参数,热力学中常用比体积作为独立状态参数 (4)强度性参数与广延性参数 描述系统状态特性的各种参数,按照与物质数量的关系,可分为强度性参数和广延性参数。 在给定的状态下,凡与系统内所含工质的数量无关的状态参数为强度性参数,如压力p, 温度T等。与系统内所含工质的数量有关的状态参数为广延性参数,如质量m,体积V,热力 学能U,焓H和熵S等。广延性参数具有可加性。如图1-6所示,将一个系统分成两个相等的 子系统,则子系统中的质量和体积均为原系统相应值的一半,两个子系统的相应值相加等于原 系统的值;而子系统的温度、压力、密度则均与原系统的一致
9 图 1-5 各压力之间的关系 (a) U 形管压力表 (b) 簧管式压力表 图 1-4. 工程上常用的压力表 式中， b p 为当地大气压力； g p 为绝对压力高于当地大气压力时的相对压力，称为表压力； v p 为 绝对压力低于当地大气压力时的相对压力，称为真空度。 由于大气压力随地理位置及气候条 件等因素而变化，绝对压力相同的系统， 在不同的大气压力条件下，压力表指示的 相对压力并不相同。只有绝对压力才是状 态参数。在后面的分析和计算中，所用的 压力均指绝对压力。本书中如没有特别指 出是“相对压力或表压力”，都应理解为 “绝对压力”。 (3) 比体积和密度 比体积就是单位质量的工质所占有的体积，单位是 3 m /kg 。若以 m 表示质量，V 表示工质所 占的体积，则比体积为 V v m (1-7) 密度是单位体积内所包含的工质质量，单位是 3 kg/m 。 m V (1-8) 可见，它们不是相互独立的参数，热力学中常用比体积作为独立状态参数。 (4) 强度性参数与广延性参数 描述系统状态特性的各种参数，按照与物质数量的关系，可分为强度性参数和广延性参数。 在给定的状态下，凡与系统内所含工质的数量无关的状态参数为强度性参数，如压力 p ， 温度 T 等。与系统内所含工质的数量有关的状态参数为广延性参数，如质量 m ，体积 V ，热力 学能 U ，焓 H 和熵 S 等。广延性参数具有可加性。如图 1-6 所示，将一个系统分成两个相等的 子系统，则子系统中的质量和体积均为原系统相应值的一半，两个子系统的相应值相加等于原 系统的值；而子系统的温度、压力、密度则均与原系统的一致
广延性参数以大写字母表示(质量除外),如 V,U,H,S等。广延性参数除以系统的总质量,即得单位 T 质量的广延性参数,也称比参数,以小写字母表示,如 比容ν、比热力学能u、比焓h、比熵s等。习惯上,除 比容外,常将“比”字省略,简称为热力学能、焓,熵 等。比参数没有可加性。 【例1-1】有两个容器A和B,A容器上的压力表读数 为3.5bar,B容器上的真空表读数为0.85ba,当地大气 压力为735mmHg。试求:(1)A、B容器的绝对压力;(2) 图1-6强度性参数与广延性参数 大气压力近似取为1bar时,A、B容器的绝对压力:误 差多少?(3)当环境情况变化,大气压力变为755mmHg时,压力表和真空表读数各为多少? 【解】(1)应先统一压力单位,将大气压力单位换算成bar B=735×133.3×103=0.9798bar A容器的绝对压力 P4=B+P2=0.9798+3.5=44798bar B容器的绝对压力 p=B-H=0.9798-0.85=0.1298bar (2)当大气压力未知时,可以近似取B'=1bar PA=B+P2=1.0+35=4.5bar p=B-H=1.0-0.85=0.15bar 与(1)相比,其误差为 A容器:DP△=45-44098 44798×100%045% B容器:PP=015-01298×100=156% 0.1298 (3)大气压力变为:B”=755×133×10-=1006bar时 容器的绝对压力不变,则表压读数发生变化, P2=PA-B=44798-1006=34738bar H"=B”-p=1.006-0.1298=0.8762bar 【讨论】(1)绝对压力是状态参数,而相对压力不是状态参数,其值随外界环境压力变化而变化 (2)当容器压力远大于大气压力时,若大气压力未知,可近似取为B=1bar (3)当容器压力接近于大气压力或容器处于真空状态时,应取实际的大气压力,而不可取B=1bar, 否则会产生较大误差 (4)注意压力单位的换算与一致
10 图 1-6 强度性参数与广延性参数 广延性参数以大写字母表示（质量除外），如 V,U, H, S 等。广延性参数除以系统的总质量，即得单位 质量的广延性参数，也称比参数，以小写字母表示，如 比容 v 、比热力学能 u 、比焓 h 、比熵 s 等。习惯上，除 比容外，常将“比”字省略，简称为热力学能、焓，熵 等。比参数没有可加性。 【例 1-1】 有两个容器 A 和 B，A 容器上的压力表读数 为 3.5bar，B 容器上的真空表读数为 0.85bar，当地大气 压力为 735mmHg。试求：(1) A、B 容器的绝对压力；(2) 大气压力近似取为 1bar 时，A、B 容器的绝对压力；误 差多少？(3) 当环境情况变化，大气压力变为 755 mmHg 时，压力表和真空表读数各为多少？ 【解】(1) 应先统一压力单位，将大气压力单位换算成 bar。 5 B 735 133.3 10 0.979 8 bar A 容器的绝对压力 A g p B p 0.979 8 3.5 4.479 8 bar B 容器的绝对压力 Bp B H 0.979 8 0.85 0.129 8 bar (2) 当大气压力未知时，可以近似取 B 1 bar p B H B 1.0 0.85 0.15 bar 与(1)相比，其误差为： A 容器： A A A 4.5 4.479 8 100%=0.45% 4.479 8 p p p B 容器： B B B 0.15 0.129 8 100%=15.6% 0.129 8 p p p (3) 大气压力变为： 5 B 755 133.3 10 1.006 bar 时 容器的绝对压力不变，则表压读数发生变化， g A p p B 4.479 8 1.006 3.473 8 bar B H B p 1.006 0.129 8 0.876 2 bar 【讨论】(1) 绝对压力是状态参数，而相对压力不是状态参数，其值随外界环境压力变化而变化； (2) 当容器压力远大于大气压力时，若大气压力未知，可近似取为 B 1 bar ； (3) 当容器压力接近于大气压力或容器处于真空状态时，应取实际的大气压力，而不可取 B 1 bar ， 否则会产生较大误差； (4) 注意压力单位的换算与一致。 A g p B p 1.0 3.5 4.5 bar
