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