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自然界的能源中热能的利用最为普遍。热能是指煤、石油、天然气等燃料燃烧产生的热所具有的能量。据统计，目前我国利用的能源中热能占了90%以上。世界上其他国家也平均超过了85%，可见热能的利用多么普遍。
热能最直接的应用是加热，利用燃料燃烧产生的热来做饭、取暖、烘干、烧制陶瓷砖瓦、冶炼等。这是热能利用的初级阶段，也是早期热能利用的唯一途径。热能的直接利用目前也依然存在。
热能的间接利用是提供动力。蒸汽机的出现开创了热能利用的新纪元： 通过蒸汽机将热能转换为机械能以推动机器、汽车、火车、轮船。热能转换提供的动力代替了人力、畜力，极大地促进了生产力的发展。人类从此进入了工业化时代。对于工业生产，热能的动力利用是一种价值更高、前景更为广阔的利用途径。这是热能利用的高级阶段。
热能转换产生的机械能拖动发电机又可产生电能，电能的生产主要借助于热能的动力利用。
人类社会发展的历史与热能的利用息息相关。目前，实现热能与机械能转换的热机，已从蒸汽机发展到蒸汽轮机、内燃机、燃气轮机以及喷气发动机等，热能转换的效率得到提升，热能动力利用的价值也就更大。
制冷装置，如空调、冰箱，其工作过程与热机相反。最常见的蒸气压缩制冷装置以消耗机械能为代价，将热量从低温热源转移到高温热源，以实现人工制冷。制冷过程涉及机械能向热能的转换。
热能动力利用的核心是能量形式的转变。因此，能量转换的规律受到普遍的关注。热力学从而得到快速发展。热能的动力利用与热力学实际上是相互促进，共同发展的。另一个受到关注的问题是热机的效率。无论何种热机，在实现热能与机械能的转变过程中总有较大份额的能量不能利用而被损失掉，热机的热效率也就不高。早期蒸汽机的热效率只有1%~2%，现代燃气轮机的热效率也不过40%左右。
为了有效地实现热能与机械能的转换，提高热机的热效率，就必须熟悉、掌握和研究能量转换的规律。
热力学是研究与热现象有关的能量转换规律的一门科学，工程热力学是从工程的角度出发，分析和研究热能与机械能之间相互转换的学科。
工程热力学的主要内容包括基本概念、基本定律，如系统、参数，热力学第一定律与第二定律。这些内容是工程热力学的理论基础。而热能与机械能的转换是通过工作介质在热机或制冷装置中的状态变化过程，以及由若干过程组成的循环来实现的。因此，工作介质的性质、状态变化过程和循环的分析与热力计算也是工程热力学研究的重要内容。
工程热力学采用宏观研究方法，不涉及工质的微观结构和微观行为。工程热力学也经常采用抽象、概括、理想化和简化的方法。比如将空气、锅炉烟气、内燃机燃气视为理想气体，简化了计算又维持了工程计算的精度。简化与抽象的实质是突出主要矛盾，忽略次要因素，从而更全面、更深刻地反映客观规律。学习热力学要能适应这种方法。









第1章热力学基本概念

1.1工质与热源
电能生产过程中热能首先转换为机械能，再转换为电能。热能与机械能的转换以水蒸气为媒介。水蒸气是热能的载体，水蒸气在汽轮机中膨胀做功，驱动汽轮机，实现了热能与机械能的转换。制冷装置的能量转换也要借助氨、氟利昂等制冷剂。热能与机械能相互转换所借助的媒介物质称为工质。工质必须具有良好的流动性和与其工作相适应的热力性能。
具有无限大热容量的系统在热力学中称为热源。无限大热容量是指在放出或吸收有限热量时工质温度没有明显的变化。根据温度的高低，热源又可分为高温热源和低温热源。夏天室内温度较室外温度低，室内称为低温热源，室外称为高温热源； 冬天则刚好相反。
1.2热力系统



图1-1热力系统

(a) 闭口系统；  (b) 开口系统

根据研究工作的需要，选取某一范围内的工质作为研究对象，以研究其热力学规律，这种研究对象称为热力系统，简称系统，如图1-1所示。系统是为了研究的需要而人为定义的。系统之外的物体统称为外界或环境。系统与外界的分界面称为边界或界面。系统与外界之间的分界面可以是真实的，也可以是假想的。图1-1(a)中取气体工质为系统时，汽缸内壁和活塞内壁是真实存在的界面； 图1-1(b)中进口截面与出口截面便是假想的界面。界面可以是固定不变的，也可以是变动的，图1-1(a)中当活塞移动时发生变化的界面是变动的。

一般来说，系统与外界总是处于相互作用之中，彼此之间可能进行能量和质量交换，按系统与外界进行能量和质量交换的情况可将系统分为以下几种。
(1) 闭口系统系统与外界无物质交换，或者说没有物质穿过边界，系统内的物质总量保持恒定不变。图1-1(a)所示就是闭口系统。

(2) 开口系统系统与外界有物质交换，或者说有物质穿过边界，系统内的物质总量可以保持恒定或发生变化。图1-1(b)所示为开口系统，运行中工质不断地流进流出。
(3) 绝热系统系统与外界无热量交换，但可以有功量和质量等交换。
(4) 孤立系统系统与外界既无能量(包括功量和热量)交换又无质量交换。
自然界中的物质都是相互联系、相互制约和相互作用的，绝对的绝热系统和孤立系统并不存在。但若系统与外界的热量、功量、质量的交换甚小，其影响可忽略不计，就可以将这样的系统视为绝热系统或孤立系统。
1.3热力状态与状态参数
1.3.1工质热力状态

热力状态是指某一瞬间系统工质所呈现的宏观物理状况，热力状态又简称为状态。状态通过物理量的描述而变得形象、具体。用以描述工质状态的宏观物理量称为状态参数。主要的状态参数是温度、压力和比体积。
最值得关注的状态是平衡状态。所谓平衡状态是指在没有外界作用(重力场除外)的条件下，系统的状态参数不随时间而改变的状态。无外界作用是指系统与外界没有热和功的交换。而系统的平衡包括力平衡和热平衡两个方面。系统处于力平衡时，各部分工质压力相等，不发生相对位移。系统处于热平衡时各部分工质之间没有热量传递，温度均匀一致。于是工质内部就有统一而确定的温度、压力和其他状态参数。只有处于平衡状态时状态参数才能确定且有意义。当系统处于非平衡态时，工质各部分温度、压力不等，无法用统一的参数进行描述。
1.3.2基本状态参数
热力学常用的状态参数有温度、压力、比体积、焓、熵等。而温度、压力和比体积是三个可以直接测量的物理量，称为基本状态参数。
1. 温度
温度是物体冷热程度的标志。按分子热运动学说，对于气态工质，温度是气体大量分子平均移动动能的量度。气体分子平均移动动能大，温度就高； 反之则低。

当两个温度不同的物体相互接触，它们之间将发生热量传递，经过一段时间后，两者温度相等就不再有热量传递，达到一个共同的热平衡状态。温度概念的建立以及温度的测定都是以热平衡为依据的。当温度计与被测物体达到热平衡时，温度计指示的温度就是被测物体的温度。
衡量温度的标尺叫温标。在国际单位制中，温度测量采用热力学温标，所确定的温度称为热力学温度，其符号为T，单位为K。热力学温标取水的三相点为基本定点，并定义其温度为273.16K。1K等于水的三相点热力学温度的1/273.16。
与热力学温标并用的还有摄氏温标，所确定的温度称为摄氏温度，符号为t，单位为℃。摄氏温标每1℃与热力学温标每1K的大小相等，但两者的起始点不同，摄氏温标的0℃是在一个物理大气压下纯水的冰点，其热力学温度为273.15K，比水的三相点的热力学温度低0.01K。
摄氏温度与热力学温度之间的关系为


T=273.15+t(1-1)


2. 压力
垂直作用在单位面积上的力称为压力，用符号p表示。按分子热运动学说，气体的压力是气体的大量分子向容器壁面撞击所产生的平均结果。若气体作用在面积为A的容器壁面上的垂直作用力为F，那么该壁面上的压力为


p=FA(1-2)


在国际单位制中，压力的单位为Pa，1Pa=1N/m2。
而1N=1kg·m/s2，kg为质量单位。
工程上Pa的单位太小，常采用kPa和MPa，它们之间的换算关系为


1kPa=103Pa

1MPa=106Pa


工程中有时也用到其他单位制的压力单位，如bar(巴)、mmH2O、mmHg、atm(标准大气压)、at(工程大气压)等。它们之间的换算关系为


1mmH2O=9.81Pa

1mmHg=133.3Pa

1bar=105Pa=0.1MPa

1at=0.981bar=735.6mmHg

1atm=1.01325bar=1.0332at=760mmHg



压力通常用各种压力计来测定。而压力计本身处于大气压力pb作用下，如图1-2所示。当容器内气体的压力大于大气压力pb时，压力计测得的压力是容器内的压力与外界大气压力pb的差值，是一个相对压力，称为表压力，用符号pe表示。而容器内工质的实际压力称为绝对压力，用符号p表示，则表压力应为


pe=p-pb(1-3)





图1-2各种压力关系图



当容器内气体实际压力低于大气压力pb时，压力计上测得的压力称为真空度，用pv表示，则


pv=pb-p(1-4)


在工程计算中，为简便起见，常把大气压力pb近似地当作0.1MPa来处理，这在计算较高压力时误差很小。但在计算低压力时，特别是在计算真空度时，就会引起较大误差。

例1-1已知两系统内表压力分别为0.015MPa和1.5MPa，当时气压计的读数为101325Pa，试计算两系统的绝对压力。
解已知两系统的表压力分别为



pe1=0.015MPa，pe2=1.5MPa



气压计读数为


pb=0.1013MPa



所以两系统的绝对压力分别为


p1=pe1+pb=0.1163(MPa)

p2=pe2+pb=1.6013(MPa)


3. 比体积与密度

比体积指单位质量的工质所占有的体积，用符号v表示，单位为m3/kg。若质量为m的气体，占有的体积为V，则比体积为


v=Vm(1-5)


单位体积物质的质量称为密度，用符号ρ表示，单位为kg/m3。若体积为V的气体，具有的质量为m，则密度为


ρ=mV(1-6)



显然，比体积和密度互为倒数，即


ρv=1(1-7)



1.4理想气体状态方程
系统的平衡状态用状态参数来描述，表示基本状态参量之间函数关系的方程称为状态方程。

某些气体在质量为定值的情况下，三个基本状态参量之间的关系可由物理学的玻意耳-马里奥特定律、盖·吕萨克定律和查理定律说明。综合这些定律可以得到如下关系式： 


pv=RgT(1-8)




式中，p ——气体的绝对压力,Pa；

T——气体的热力学温度,K；

v——气体的比体积,m3/kg；

Rg——气体常数，与气体的性质有关，而与气体的状态无关。对于同一种气体,Rg为一个常数,不同气体的气体常数值不同。其单位为J/(kg·K)。


上式仅适用于1kg质量的气体。状态参量满足上式的气体称为理想气体，式(1-8)称为理想气体状态方程式。

所谓理想气体是一种抽象的假想气体，这种气体必须符合两条假定： ①气体的分子是一些弹性的、不占有体积的质点； ②分子之间没有相互作用力。不符合这两个假设条件的气体则称为实际气体。
热力学引入理想气体的概念，是为了便于分析计算。在这些条件下，气体分子运动规律可大大简化，状态参数之间只存在简单的函数关系。虽然理想气体是一种抽象的假想气体，但却有较大的实用意义。实验证明，当压力较低或温度较高时，气体的比体积较大，分子间的作用力及分子本身的体积可以忽略，此时这些气体可以看作理想气体。在通常压力和温度下，工程中常用的气体O2、N2、H2、CO、CO2等以及由这些气体组成的空气、烟气，由于远离液态，在工程计算所要求的精度范围内，可作为理想气体来处理。当压力较高或温度较低或接近于液态时，气体的比体积小，分子之间的距离较近，因此分子本身的体积以及分子之间的相互作用力不能忽视，如蒸汽动力装置中的水蒸气以及压缩制冷装置中的制冷剂蒸气等，就不能当作理想气体看待，称其为实际气体或蒸气。

对质量为m的理想气体，状态方程的形式为


pV=mRgT(1-9)



式中V表示质量为m的气体体积。

由于mRg不变,式（1-9）又可表示为


pVT=恒量(1-10)


意即，理想气体处在任一平衡态时，其压力与容积的乘积与温度的比值等于同一常数。

在标准状况下，式(1-10)就变为


p0V0T0=恒量(1-11)



式中


p0=1.01325×105Pa

T0=273.15K(即0℃)


国际单位制中，物质的量以摩尔(mol)为单位，1mol物质的质量称为摩尔质量，记为M，单位为kg/mol。1kmol气体的质量在数值上等于气体的相对分子质量。例如，氧、氮和空气的摩尔质量分别为32.00kg/kmol、28.02kg/kmol和28.96kg/kmol。1mol物质的体积称为摩尔体积，记为Vm,Vm=Mv。
当采用摩尔质量和摩尔体积时，理想气体的状态方程式变换为


pVm=MRgT


若令R=MRg,则


pVm=RT(1-12)


R称为摩尔气体常数。
阿伏伽德罗假说指出，相同温度和压力下任何气体的摩尔体积相等。根据这个假说，由式(1-11)可以看出： R对于各种气体有相同的数值。因此，R又称为通用气体常数，其值为


R=8.314J/(mol·K)


对于不同种类的气体，1kg气体的气体常数Rg有不同的值。它与通用气体常数R的关系为


Rg=RM(1-13)


利用摩尔气体常数，质量为m的理想气体状态方程式(1-9)又可以写成


pV=nRT(1-14)


式中n=mM，称为物质的量。 

例1-2有一充气刚性容器，体积为5m3，容器内气体的表压力为pe=0.85MPa，温度计读数为t=40℃，问在标准状态下气体体积可达多少？

解设大气压力为


pb=0.1MPa


容器内气体绝对压力


p=pe+pb=0.95(MPa)


热力学温度


T=273+t=313(K)


由于容器内气体质量保持稳定，所以有


pVT=p0V0T0



即


V0=VpT0p0T=5×0.95×2730.1×313=41.43(m3)


例1-3氧气瓶的体积为0.05m3，瓶内氧气的压力为8MPa，室温为27℃。后来用去一部分氧气，压力降低为6MPa。问用去了多少千克的氧气？

解在已知条件下，氧气可作为理想气体来看待，氧气的摩尔质量M=32×10-3kg/mol，故


Rg=RM=8.31432×10-3=259.81(J/(kg·K))


(1) 使用前瓶内原有的氧气质量为


m1=p1V1RgT1


(2) 使用后瓶内原有的氧气质量为


m2=p2V2RgT2


(3) 用去的氧气质量为


Δm=m1-m2=(p1-p2)VRgT=(8-6)×106×0.05259.81×300
=1.2829(kg)



1.5准平衡过程与可逆过程
1.5.1p-�瘙經图

工质的三个基本状态参数p、v、T之中只要已知任意两个，另一个也就随之确定了。比如温度可由压力和比体积确定，其函数关系为


T=f(p,v)


因此，两个独立的状态参数就可以确定工质状态。于是，可以用两个独立的参数为坐标，构成平面坐标图，图中的每一个点表示一个平衡状态。经常使用的是分别以p和v为纵、横坐标的平面图，称为p-v图。图中每一点对应的p和v之值确定一个平衡态。非平衡态没有确定的状态参数，无法在p-v图上表示出来。
1.5.2热力过程
处于平衡态的系统无外界影响时其状态参数不变。一旦系统与外界发生了相互作用，平衡被打破，状态就会发生变化，并向新的状态过渡。这时，系统将经历一个热力过程。
系统从一个状态到另一个状态所经历的变化过程称为热力过程，简称过程，是由系统所经历的无数个中间状态所组成的。
1. 准平衡过程
在过程进行的每一时刻系统状态都无限接近平衡态，则该过程称为准平衡过程。
如图1-3所示，汽缸中工质处于平衡态1，其压力p1和外界压力p01相等。若外界压力降到p02，工质将推动活塞向右移动。而系统内部压力出现不均匀状态，各部分工质之间立即开始位移，力图恢复平衡，


图1-3准平衡过程

直到工质压力p2等于p02，达到新的平衡态。外部压力再次减小，上述过程将重复进行，直到状态点3。状态1、2、3均为平衡态，但1—2，2—3之间的状态是不平衡的。但若外界压力每次只减少一个微小量，且两次压力变化之间的时间又比较长，在外界压力第二次变化之前系统已恢复平衡，则过程中系统始终偏离平衡态不远。这样的过程就是准平衡过程。
对于热不平衡引发的热力过程，若温差很小，且过程进行非常缓慢，也同样是准平衡过程。
准平衡过程在p-v图上可表现为一条实线。
2. 可逆过程和不可逆过程
系统从初始状态出发，经历某一热力过程之后到达终态。如果系统能够沿着该过程的路径逆行回到初始状态，而系统与外界均未出现任何变化，则此过程称为可逆过程。反之，若系统和外界不能完全复原，则称为不可逆过程。实现可逆过程必须具备两个条件： 
(1) 系统经历的过程是准平衡过程； 
(2) 系统与外界不存在摩擦和温差传热等耗散效应。
耗散效应造成能量损失，是过程无法实现可逆的原因，又称为不可逆因素。实际过程都会存在一些不可逆因素。在热力学的研究中许多实际过程可以简化为可逆过程，再作适当修正。
3. 热力循环


图1-4热力循环


工质从初始状态出发经历某些过程之后又回到初态，在p-v图上形成一条闭合的曲线，如图1-4所示。这种封闭的过程称为热力循环，简称循环。
全部由可逆过程组成的循环称为可逆循环； 含有不可逆过程的循环称为不可逆循环。只有实现循环才能使热机实现连续地做功。
1.6功量和热量
系统与外界的能量交换形式有两种： 做功和热传递。
1.6.1功量
系统与外界存在压力差时发生的能量传递形式是做功。功的单位为焦耳，记为J，1J=1N·m。单位质量的工质所做的功称为比功，单位为J/kg。
工质体积膨胀时对外所做的功称为膨胀功； 外界压缩工质时对系统所做的功称为压缩功。两者统称为容积变化功。


图1-5工质的膨胀功



如图1-5所示，设有质量为m的气体工质在汽缸中可逆膨胀，活塞移动一微小距离dx时，工质做功为

δW=Fdx=pAdx=pdV(1-15)


其中，A为活塞面积，dV为工质容积变化量。当工质从状态1膨胀到状态2时所做的膨胀功为


W=∫21pdV(1-16)


单位质量的工质所做的比膨胀功记为w： 


δw=1mpdV(1-17)

w=1m∫21pdV=∫21pdVm=∫21pdv(1-18)




工质被压缩时dV和dv为负，功量也为负。因此，工质膨胀对外做功为正，外界压缩工质对系统做功为负。
在 p-v图上过程曲线与横坐标之间曲边梯形的面积表示过程中系统与外界交换的比功，如图1-5所示。因此，p-v图又称为示功图。
系统只有经历过程时才会与外界有功的交换。在初、终态相同时若系统经历的过程不同，则与外界交换的功量也不等。在p-v图上表现为不同的过程曲线及曲边梯形面积。因此，功是过程量而非状态参数。