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，这两部分都是与热有关的学科。

我们先讲热力学，第二部分再讲传热学。

热力学中热指的是热能，力在我们工程热力学中主要指的是用它来做功，也就是机械能，简单地理解工程热力学主要研究的是热能和机械能之间的相互转化。也就是说由热产生力，进而对物体做功的过程，所以热力学主要研究的是热能和机械能之间的相互转化。

举个例子：比如汽车的发动机（内燃机），它是利用燃料（汽油）在汽缸中燃烧，燃烧后得到高温高压的烟气，烟气此时温度高，压力高，具有热能，那么高压的燃气会推动气缸的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，这就是一个热力学的例子。

工程热力学的研究重点是热能与机械能之间的转化规律，那么下面我们来详细的看一下工程热力学的研究内容：

①研究热力学中的一些基本概念和基本定律。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和热力学第二定律，第一定律和第二定律是工程热力学的理论基础，其中热力学第一定律主要研究热能与机械能之间转化时的数量关系，热力学第二定律主要研究热能和机械能转换时的方向、条件、限度问题。

②研究工质的性质。我们热能和机械能之间的转化需要依靠一定的工作物质才能实现，因此，我们要研究热能和机械能之间的相互转化，我们首先要研实现这一工作的工质的性质。

③研究工质参与下，遵循热力学第一定律和第二定律在热力设备中进行的实际热力过程。

第一章 基本概念

在我们研究工程热力学的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的是什么。

我们先来看第一个概念：工质 一、工质

我们前面讲了，工程热力学是研究热能和机械能之间的相互转化，那么工质就是用来实现热能和机械能之间相互转化的工作物质。

工质大多数情况下只是在能量转化的过程中起媒介的作用，而不会直接参与能量的转化。像我们化学中学到的催化剂一样，工质这一物质本身并不发生化学性质的变化，发生变化的是工质的热力学状态（物理性质），像工质的温度、压力、体积等。也就是说工质在能量转化过程中起媒介的作用。

举个例子：

① 就是前面我们举的汽车发动机。

这里面的工质是汽油燃烧后所产生的烟气，最初，烟气的温度很高，压力很高，它所具有的是热能，烟气在高温高压下会膨胀，对外做功，把它所具有的热能转化为机械能，并传递给汽车，烟气膨胀后，温度和压力都会降低，在这个能量转化过程中，工质烟气的化学性质并没有发生变化，工质还是工质，发生变化的仅仅是工质所呈现出来的状态，最初是高温高压，膨胀之后变为低温低压。

② 锅炉中的蒸汽动力循环装置

在这个装置中，工质是水蒸气，水进入锅炉中，通过锅炉加热后，变成水蒸气，水蒸气推动汽轮机的叶轮旋转做功，做功后变成液体水，水再送回锅炉中加热循环使用。这个装置中就是通过工质——水的状态的不断变化将热能转化为机械能的，工质水本身并没有发生变化，水还是水，不管是以液体状态存在还是以蒸汽状态存在，发生变化的是水的物理状态，像水的温度、压力等。

综上：工质是实现热能和机械能之间相互转化的工作物质，是媒介物质。 二、热力学系统 1.热力学系统的概念

简单的说，热力学系统是认为地划分出来作为热力学研究对象的系统，也就是我们的研究对象，简称热力系。

热力系可以是一种真实的物质，如泵中被压缩的水，也可以是一个真实的设备，如锅炉，也可以是一种抽象出来的或假象的热力学模型。

2.边界与外界

热力学系统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的。那么系统周围的物体称为外界，热力系统与外界的分界面叫做边界。

外界可以是自然环境，也可以是另一个热力系统。自然环境是一类特殊的外界，它所经历的过程是可逆的，而且本身的性质不变。

边界可以是真实的，也可以是假想的，可以是固定不变的，也可以是运动可变的。

比如：若取前面我们讲的汽轮机中的工质——水蒸气作为热力学系统时，汽轮机的汽缸外壁是一个实际的边界，而水蒸气的进口和出口则是一个假想的虚拟的边界。

再举一个例子：活塞式压缩机的汽缸活塞系统，当我们取汽缸中的工质为热力系时，则边界的一部分——汽缸壁面是固定的，边界的另一部分——活塞顶就是运动的。

（a）汽轮机 （b）活塞式压缩机汽缸

3.热力学系统的分类

通常情况下，“热力学系统”与“外界”之间会处于相互作用之中，他们通过“边界”相互交换能量或物质。我们根据两者之间相互作用的不同，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。闭口系统内的质量是保持恒定不变的，因此又叫做控制质量。如前图（b）所示的汽缸，热力学系统只通过汽缸壁和活塞杆与外界发生热和功的交换，汽缸中工质的质量

在能量转化过程中是保持不变的。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）所示的汽轮机。

（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，也可以有其他形式的能量交换）。

（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。

由于自然界中物体和物体之间是相互联系、相互作用的，而且也不存在绝对的绝热物质，因此，绝对的孤立系统和绝热系统是不存在的。只有系统与外界之间的热量和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.热力学状态的概念

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的工作，在这一转化过程中，工质的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的某一瞬间所呈现的宏观物理状况成为工质的热力学状态，简称状态。

下面我们介绍一个热力学系统中比较特殊的一个状态。 2.平衡状态

一个热力学系统，如果在不受外界影响的条件下，系统的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：热的平衡和力的平衡。 ① 热的平衡

当热力系内部各点温度均匀一致且等于外界温度时，组成热力系统的各部分之间以及热力系统与环境之间没有热量的传递，那么系统就处于热平衡状态。 ② 力的平衡

当热力系各部分之间没有相对位移（即内部无不平衡力，且作用在边界上的

力和外力达到平衡），则该热力系处于力的平衡状态。

同时具备了热的平衡和力的平衡的系统就处于热力平衡状态。 平衡状态的特点：

①处于热力平衡状态的系统，只要不受外界影响，他的状态就不会随时间而改变，即平衡状态不会自发被破坏。

②处于不平衡状态的系统，由于各部分之间的传热和位移，其状态将随时间而改变，随着状态的不断变化，传热和位移也会逐渐减弱，直到完全停止，此时会达到另一个新的平衡状态，所以我们说，处于不平衡状态的系统在没有外界影响的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

即用来描述状态的参数。

工质所处的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的宏观物理量称为状态参数。

状态参数和热力学状态是一一对应的，热力学状态一定，则状态参数就确定了，工质的热力学状态发生变化，那么状态参数也会随之发生变化。

状态参数的属性：

①状态参数只取决于状态，而与如何到达这一状态的途径无关。

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所用的状态参数的数值是一样的。都是P2，v2压力是一定的，比容也是一定的e。

这类似于我们高中时学过的重力做功，只取决于前后的高度差，而与途径无关。举个例子：第一天早上吃牛肉面，心情很好，第二天早上吃的包子，和昨天心情一样好，那么这两天早上的心情状态时一样的，那么用来表示这两

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