国能源科学技术人员面临的艰巨任务和挑战。就目前国际国内技术水平而言，在今后相当长的时期内，主要能源仍将以煤炭、石油及天然气等矿物燃料为主，也就是利用燃料燃烧所释放的化学能为主，这种燃料的化学能将转变为燃烧产物的热能，为人类所利用。利用燃料热能的方式有两种。-种是将燃料热能通过各种类型的发动机（热机）及发电机，使热能转变为机械能或电能。例如蒸汽动力装置、燃气动力装置、火箭发动机、内燃机等都能实现热能的转换并获得机械能或电能。这是热能利用的重要方式，这种热能的间接利用方式是极其重要的，是人类文明及生产发展的物质基础。人类自从发明了蒸汽机之后，就引起了第一次工业革命，使手工作坊式生产走向大规模的工业生产，对人类改造自然，发展生产起了重大作用。然而热能的间接利用，还存在着热能转为机械能或电能过程中的有效程度的问题。如在热力发电厂中，最简单的装置，热能有效利用率只有25%左右，最先进的大型装置也只能达到40%左右。将有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，还带有大量有害物质，它污染了人类赖以生存的环境。因此，如何在动力装置中提高热能的有效利用率并消除污染，是能源科技工作者的首要任务。目前正在研究中的大型热能动力装置，如能按理想工况进行运转，有可能将热能的有效利用率提高到55%。提高热能动力装置的热效率是节约能源的主要目标之一。热能利用的另一种方式是热能的直接利用。如工业生产中的冶炼、加热、蒸煮、干燥及分馏等，又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、各种加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。在这些热能直接利用的设备中也存在着换热效率问题。如何提高换热设备的换热效率也是当今的重要研究课题，因为热能的直接利用所消耗的燃料也占有较大的比重，在这方面节约燃料的消耗也是十分重要的。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竞有限，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。二、工程热力学的研究对象及主要内容自从18世纪工业革命大量使用蒸汽机后，人们就不断地探索研究热能的本质以及如何提高蒸汽机的热效率等一系列有关热现象的问题，并在19世纪中叶先后建立了热力学第一定律及热力学第二定律。当时热力学的研究范围仅局限于热能与机械能之间的转换关系，随着工业的发展与科学技术的进步，热力学研究的范围已涉及化工、冶金、冷冻、空调以及近代的低温、超导、电磁及生物等各个领域。由于热力学的应用范围随着科学技术的发展日益扩大，因而如何来定义热力学的研究对象是一个比较复杂的间题。但我们可以PDC概括地认为：热力学是研究物质的热力性质、能量和能量之间相互转换的一门基础理论学科。工程热力学属于应用科学（工程科学）的范畴，是工程科学的重要领域之一。工程热2
力学是从工程的观点出发，研究物质的热力性质、能量转换以及热能的直接利用等问题。它是设计计算和分析各种动力装置、制冷机、热泵空调机组、锅炉及各种热交换器的理论基础。工程热力学中有关能量守恒及转换的基本规律是热力学第一定律，它研究热能与其他各种能量之间的转换关系及热平衡关系。摘是工程热力学中又一重要概念，它提供了分析研究热力过程方向性与不可逆性的基础，提供了一种过程能否进行以及能进行到何种程度的判据。摘的概念还是分析热能产生最大有用功的理论依据。孤立系统中摘增加的过程可以进行，而摘减少的过程不能进行，这一结论概括了热力学第二定律的实质。根据以上分析，工程热力学主要内容大致可分为两个方面：基本理论部分及基本理论的应用部分。基本理论部分包括：工质的性质、热力学第一定律及热力学第二定律等内容。能量转换具有方向性与不可逆性的基本原因是微观物质运动的形态由有序运动向无序运动的不可逆转性。热能是分子无序运动的能量，是一种低级能，其品质较低。其他形式的能量，如宏观动能、位能、机械能及电能都属于有序运动形式的能量，是一种高级能，其品质较高。无序运动的能量与有序运动的能量在本质上是有区别的。无序运动的热能不能无条件地转变为有序运动的能量，但有序运功能量的转换不存在条件的问题。热力学基本理论将研究无序运动的热能与有序运动能量之间的转换条件及转换限度等问题。能量除数量外还有转换能力的大小或质的差别，即能量具有量与质的双重特性。能量在转换时在量与质两个方面遵循不同的客观规律。热力学第一定律从能量的数量出发，指出在能量转换过程中能量的总量守恒。热力学第二定律从能量的质的属性出发，指出在能量转换过程中，能量的质要贬降，即能量的品质要降低贬值。在孤立系统中，随着过程的进展，能量的总和虽然守恒，但能量的品质却不断下降，可用能贬值为无用能。这两个定律从量和质两个方面揭示了能量在转换及传递过程中的客观规律，是热力学研究的理论基础。参数拥的概念将可用能损失与摘联系起来，奠定了热力学第一定律与第二定律结合研究的基础。为热能有效利用与节能技术指出了正确的方向。基本理论的应用部分主要是将热力学基本理论应用于各种热力装置的工作过程，并对气体和蒸汽循环、制冷循环、热泵循环、喷管及扩压管等进行热力分析及计算，探讨影响能量转换效果的因素以及提高转换效率的途径与方法等。三、热力学的研究方法热力学有两种研究方法：一种是宏观方法，即经典热力学方法；另一种是微观方法，即统计热力学方法。宏观方法的特点，是把物质看做是连续的整体，从宏观现象出发，对热现象进行直接观察和实验，从而总结出自然界的一些普遍的基本规律，这些规律就是热力学第一定律和热力学第二定律。然后再以这些定律为基础演绎推论而得到具有高度普遍性的结论。因此，宏观方法所得到的结论是人类通过长期观察自然界的经验总结，它的正确性为无数经验所证明。宏观方法所得到的规律是可靠的和具有普遍意义的，工程热力学主要采用宏观方法。但宏观方法也有不足之处，宏观方法无法解释热现象的本质，不能解P释微观物质结构中个别分子的个别行为，也不能预测物质的具体特性。微观方法的特点，是从物质内部微观结构出发，借助物质的原子模型及描述物质微观行为的量子力学，利用统计方法去研究大量随机运动的粒子，从而得到物质的统计平均性3
质，并得出热现象的基本规律。微观方法从物质内部分子运动的微观机理方面更深刻地解释热现象的本质，从而进一步解释物质的宏观特性。统计热力学还能解释经典热力学不能解释的比热容理论、的物理意义及摘增原理等物理本质。但微观方法也有其局限性，由于微观理论所采用的物质结构的物理模型只是物质实际结构的近似，所得结果往往与实际并不完全一致。微观方法要以繁杂的数学为工具，它的结论又不及宏观方法的可靠，因而在应用上受到一定的限制。四、本书采用的单位国务院已于1984年2月27日发布《关于在我国统一实行法定计量单位的命令》。我国法定计量单位基本上采用国际单位制，其国际代号为SI。要求在1990年前过渡完毕，从1991年开始在全国实行。有关《中华人民共和国法定计量单位》可参阅国务院公布的文件。本书一律采用国务院公布的法定计量单位，但考虑到目前国内某些使用的仪表、手册及书籍等实际情况，在本书附录（附表5及附表6）中将列出各种单位制之间的换算以备查用。6X73同YPDG4
第一章基本概念本章围绕能量转换过程、工质状态及状态变化、热力学研究方法等内容，讨论热力系统、状态特性、热力过程、循环以及功和热等基本概念，为后续内容莫定基础。.第一节热力系统作任何研究分析，首先必须明确研究对象：选定了热力系统就明确了研究对象所包含的范围和内容，同时也清楚地显示出它与周围事物的相互关系，便于针对热力系统建立定性和定量的关系。一、系统、边界与外界1.系统：将所要研究的对象与周围环境分隔开来，这种人为分隔出来的研究对象，称为热力系统，简称系统。如图1-1所示，气缸中虚线包围的气体就是我们的研究对象，则气体便是热力系统。2.边界：分隔系统与外界的分界面，称为边界，其作用是确定研究对象，将系统与外界分隔开来。系统的边界可以是实际存在的、假想的、固定不变的，也可以是运动或可变形的。如图1-1中的边界就是气缸壁及活塞端部表面等实物界面构成的实际边界，如图1-2所示的真空气缸，当容器与外界连接的阀门打开时，外界空气在大气压力作用下流人容器，若把大气中流人容器的那部分空气用一个假想的边界从大气中划分出来，则容器内壁以及假想的边界所包围的空气便是我们研究的热力系统，当阅门打开后，随着空气流人容器，假想的边界受外界空气压迫，此时边界及整个系统都发生收缩。边界真空气缸阀门窗一活塞系+1系统气红、水平假想边界图1-1热力系统图1-2边界可变形系统3.外界：边界以外与系统相互作用的物体，称为外界或环境。系统与外界之间的作用总是通过分界面进行的、通常有三种形式：功交换、热交换和DDC物质交换。如果系统的外界是大气环境，则可看作是热容量为无限大的热源（或冷源）和质量为无限大的质源。在热力过程中，系统与外界之间通过边界可以有能量的传递（例如功或热量），也可5
以有物质的流人或流出。按系统与外界进行能量和质量交换的情况，可将热力系统分成下述不同类型。二、闭口系统与开口系统没有物质穿过边界的系统称为闭口系统，有时又称为控制质量系统。闭口系统的质量保持恒定，取系统时应把所研究的物质都包括在边界内，如图1-1及图1-2都是闭口系统的实例。有物质流穿过边界的系统称为开口系统。取系统时只需把所要研究的空间范围用边界与外界分隔开来，故又称开口系统为控制体积，简称控制体，其界面称为控制界面。热力工程中遇到的开口系统多数都有确定的空间界面，界面上可以有二股或多股工质流过。如图1-3便是开口系统的实例。需要强调的是，对图1-3在所讨论的dr时间范围内，即使热空气流出量与冷空气流入量相等、系统质量变化为零，仍为开口系统。三、绝热系统与孤立系统1.绝热系统：系统与外界之间没有热量传递的系统，称为绝热系统。事实上，自然界不存在完全隔热的材料，因此绝热系统只是当系统与外界传递的热量小到可以忽略不计时的一种简化模式。热力工程中有许多系统，如汽轮机、喷管等都可当作绝热系统来分析。2.孤立系统：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统，称为孤立系统。当然，自然界中绝对孤立的东西是不存在的，然而一切热力现象所涉及的空间范围总是有限的，我们把研究对象连同与它直接相关的外界用一个新的边界包围起来，这个新的、扩大了的边界就是孤立系统的边界，此时原系统内部的研究对象及与它相互作用的物体都可以看做为孤立系统中的组成部分。即：一切热力系统连同与之相互作用的外界可抽象为孤立系统。图1-4是闭口系统及其相互作用外界（热源）构成的孤立系统。智控制界面热空气冷空气12加热器图1-3开口系统图1-4孤立系统应当指出，热力系统的选取主要决定于所提出的研究任务（即所要解决的问题），必须根据实际情况以能给解决问题带来方便为原则，系统选取方法对研究问题的结果并无影响，仅与解决问题的复杂程度有关，如图1-2是作为边界可改变的闭口系统提出，但如取气缸为系统，则变成由外界向气缸充气的开口系统了。四、系统的内部状况系统内部工质所处的状况通常可有如下不同的类型：PDC1.单相系与复相系：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的部分称为一个相，相与相之间有明显的界限。由单一物相组成的系统称为单相系；由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成称三相系统。6