1-11是否可以认为物质的温度越高,所具有的热量也越多? 1-12什么是准静态过程?它在工程上有何重要意义? 1-13什么是可逆过程?它和准静态过程有何联系? 1-14什么叫热力循环?什么叫循环净功?循环的净功与循环的净热量关系如何?热力循环 的经济性用什么来衡量?其表达式是什么? 1-15说明制冷装置与热泵的区别。 习题 1-1设一新温标,用符号°N表示温度单位(它的绝对温标用°Q表示温度单位)。规定纯水 的冰点和沸点分别为100°N和1000°N,试求 (1)该新温标与摄氏温标的关系 (2)若该温标的绝对零度与热力学温标零度相同,则该温标读数为0°N时,其绝对温标读 数是多少0°Q? 1-2已知某处的当地大气压力为756mmHg,试完成以下计算 (1)绝对压力为10MPa时的表压力; (2)表压力为20bar时的绝对压力 (3)真空计上读数为65kPa时的绝对压力 (4)绝对压力为50kPa时的真空度。 1-3有一烟囱高30m(见图1-13),烟囱内烟气平均密度P2=0735kg/m3,若地面环境大气 压力B2=0.IMPa,温度t=20℃,大气密度p为常数,求烟囱底部的绝对压力及真空度 图1-13习题1-3 图1-14习题1-4 1-4锅炉烟道中烟气的真空度常用上部开口的斜管测量,如图1-14所示。若已知斜管倾角∝ =30°,斜管中所用的液体是煤油,密度p=800kgm3,液柱长度L=200mm。若已知当地大气 压力为755mmHg,求烟气的绝对压力。 1-5一容器被刚性壁分成了两部分,每一部分各装有压力表,如图1-15所示。压力表B的 读数为75kPa,表C为真空表,读数为24kPa,求压力表A的读数。 1-6用U形管压差计测量容器内气体的压力,采用水银作测量液。由于水银蒸气对人体有害, 故在水银液面上注有一层水,以防止水银蒸气产生,如图1-16所示。测得水银柱高为450mm, 水柱高为100mm,若当时当地大气压力750mmHg,求容器内气体的绝对压力 1-7真空容器内有另一容器,容器分为压力不同的两个部分(图1-17)。现由容器上的压力
16 图 1-13 习题 1-3 图 1-14 习题 1-4 1-11 是否可以认为物质的温度越高，所具有的热量也越多？ 1-12 什么是准静态过程？它在工程上有何重要意义？ 1-13 什么是可逆过程？它和准静态过程有何联系？ 1-14 什么叫热力循环？什么叫循环净功？循环的净功与循环的净热量关系如何？热力循环 的经济性用什么来衡量？其表达式是什么？ 1-15 说明制冷装置与热泵的区别。 习 题 1-1 设一新温标，用符号 N 表示温度单位（它的绝对温标用 Q 表示温度单位）。规定纯水 的冰点和沸点分别为 100 N 和 1000 N，试求： （1）该新温标与摄氏温标的关系； （2）若该温标的绝对零度与热力学温标零度相同，则该温标读数为 0 N 时，其绝对温标读 数是多少 0 Q？ 1-2 已知某处的当地大气压力为 756 mmHg，试完成以下计算： (1) 绝对压力为 10 MPa 时的表压力； (2) 表压力为 20 bar 时的绝对压力； (3) 真空计上读数为 65 kPa 时的绝对压力； (4) 绝对压力为 50 kPa 时的真空度。 1-3 有一烟囱高 30 m (见图 1-13) ， 烟囱内烟气平均密度 3 g 0.735 kg/m ，若地面环境大气 压力 pb 0.1 MPa ，温度 t 20 ℃，大气密度 a 为常数，求烟囱底部的绝对压力及真空度。 1-4 锅炉烟道中烟气的真空度常用上部开口的斜管测量，如图 1-14 所示。若已知斜管倾角 ＝30 ，斜管中所用的液体是煤油，密度 3 800 kg/m ，液柱长度 L＝200mm。若已知当地大气 压力为 755 mmHg，求烟气的绝对压力。 1-5 一容器被刚性壁分成了两部分，每一部分各装有压力表，如图 1-15 所示。压力表 B 的 读数为 75kPa，表 C 为真空表，读数为 24kPa，求压力表 A 的读数。 1-6 用 U 形管压差计测量容器内气体的压力，采用水银作测量液。由于水银蒸气对人体有害， 故在水银液面上注有一层水，以防止水银蒸气产生，如图 1-16 所示。测得水银柱高为 450mm， 水柱高为 100mm，若当时当地大气压力 750 mmHg，求容器内气体的绝对压力。 1-7 真空容器内有另一容器，容器分为压力不同的两个部分（图 1-17）。现由容器上的压力
表读得p=36br,p=1.7bar,大气压力p=1013bar。试确定压力表C的读数,以及两个 容器中工质的绝对压力。 图1-15习题1-5 16习题1-6 1-8用一个压力表和一个U型管压力计测量一个 刚性容器中气体的压力,见图1-18。压力表读数为100 kPa,试求U型管的高度差。 (1)管内的液体为水银,密度p=13600kg/m (2)管内的液体为水,密度p=1000kg/m3。 图1-17习题1-7 1-9如图1-19所示,一U型管两侧顶部开口与大 气相通,现从一侧注入水,另一侧注入轻油,其密度为790kg/m3。水侧的高度为700mm,另 一侧水和油的高度比为1:4。试求该侧水和油的高度 气U 图1-18习题1-8 图1-19习题1-9 1-13一蒸汽动力厂输出功率p=150Mw,耗煤G=60th。已知煤的发热量为 qh1=30×103kJ/kg,求该动力厂的热效率n 1-14某空调装置从房间吸取125W的热量,耗电6kW。试求:(1)该空调装置的工作系数 (2)排向大气环境的热量 1-15某房间冬季通过墙壁和窗子向外散热66000kJh,房间内有4只20W电灯照明,其 他家电功率约100W,为维持房内温度不变,房主购买供暖系数为5的热泵,求热泵的最小功 1-16冬季室外温度为10℃,为保持室内温度为20℃,需向室内供热7200kJ。试计算 (1)若采用电热器供暖,则所需电功率为多少? (2)若采用热泵供暖,则热泵的功率为多少?
17 图 1-17 习题 1-7 图 1-18 习题 1-8 图 1-19 习题 1-9 图 1-15 习题 1-5 图 1-16 习题 1-6 表读得 pA 3.6 bar ， pB 1.7 bar ，大气压力 0 p 1.013 bar 。试确定压力表 C 的读数，以及两个 容器中工质的绝对压力。 1-8 用一个压力表和一个 U 型管压力计测量一个 刚性容器中气体的压力，见图 1-18。压力表读数为 100 kPa，试求 U 型管的高度差。 (1) 管内的液体为水银，密度=13 600 kg/m3 ； (2) 管内的液体为水，密度=1 000 kg/m3。 1-9 如图 1-19 所示，一 U 型管两侧顶部开口与大 气相通，现从一侧注入水，另一侧注入轻油，其密度为 790 kg/m3。水侧的高度为 700 mm，另 一侧水和油的高度比为 1：4。试求该侧水和油的高度。 1-13 一 蒸 汽 动 力 厂 输 出 功 率 p 150 MW ， 耗 煤 G 60 t/h 。 已 知 煤 的 发 热 量 为 3 qH 30 10 kJ/kg ，求该动力厂的热效率 t 。 1-14 某空调装置从房间吸取 125 W 的热量，耗电 6 kW。试求：(1) 该空调装置的工作系数； (2) 排向大气环境的热量。 1-15 某房间冬季通过墙壁和窗子向外散热 66 000 kJ/h，房间内有 4 只 20 W 电灯照明，其 他家电功率约 100 W，为维持房内温度不变，房主购买供暖系数为 5 的热泵，求热泵的最小功 率。 1-16 冬季室外温度为-10 ℃，为保持室内温度为 20 ℃，需向室内供热 7 200 kJ。试计算： (1) 若采用电热器供暖，则所需电功率为多少? (2) 若采用热泵供暖，则热泵的功率为多少?
第2章热力学第一定律 能量守恒及转换定律是自然界中最普遍、最基本的定律之一。实践证明:能量既不能被创 造,也不会凭空消失,而只能从一种形式转换成另一种形式,或者从一个系统转移到另一个系 统,其总量保持恒定。将能量守恒定律应用于具有热现象的能量转换过程即为热力学第一定律。 由热力学第一定律可以断定:不消耗任何能量而连续做功的“第一类永动机”是造不成的。 生活中,有许多熟悉的例子可以表明系统的能量守恒关系。比如,对锅中的水加热,则加 入的热量就等于水的能量的增加量:如果有散热损失,则水的能量增加量就是其净得热量。再 如,利用电加热器对壁面绝热的房间加热,则房间中能量的增加就等于电源通过电加热器对房 间输入的电功 热力学第一定律说明热能和机械能在转换过程中是能量守恒的。根据热力学第一定律建立 起能量方程,可以确定热力过程中各种能量在数量上的相互关系。能量方程在热力过程的分析 和计算中有着广泛的应用。对于任何热力系统中的任意过程,能量方程的表达式为, 进入系统的能量-离开系统的能量=系统总储存能的变化量 进行热力过程分析时,合理地选取热力系统十分重要。对同一热力现象,选取的热力系统不 ,系统与外界之间的能量关系也不同,建立起来的能量方程亦各异。 2.1热力学能和总能量——储存能 自然界中能量的形式与物质的运动形态有关,物质处于不同的运动形态,就有不同的能量 形式。系统的储存能包含两部分:一部分与系统内工质的分子结构及微观运动形式有关,由系 统本身内部的状态决定,称为热力学能;另一部分则因以外界为参考坐标的系统的宏观运动而 具有的能量,取决于系统工质与外力场的相互作用及其宏观运动,称为外部储存能。 2.1.1热力学能 热力学能是因物质分子微观运动而具有的能量,包括内动能、内势能和化学能、原子核能等 (1)内动能 内动能由分子的热运动而形成的能量,包括分子的移动动能、转动动能以及分子中原子的 振动动能。因此,热力学能是温度的函数。物质的温度越高,分子内动能越大。 (2)内位能 内位能由分子间存在相互作用力而形成的能量,取决于分子间的距离,与气体的比体积有 关。因此,热力学能也是比体积的函数。 (3)内化学能和原子能
18 第 2 章 热力学第一定律 能量守恒及转换定律是自然界中最普遍、最基本的定律之一。实践证明：能量既不能被创 造，也不会凭空消失，而只能从一种形式转换成另一种形式，或者从一个系统转移到另一个系 统，其总量保持恒定。将能量守恒定律应用于具有热现象的能量转换过程即为热力学第一定律。 由热力学第一定律可以断定：不消耗任何能量而连续做功的“第一类永动机”是造不成的。 生活中，有许多熟悉的例子可以表明系统的能量守恒关系。比如，对锅中的水加热，则加 入的热量就等于水的能量的增加量；如果有散热损失，则水的能量增加量就是其净得热量。再 如，利用电加热器对壁面绝热的房间加热，则房间中能量的增加就等于电源通过电加热器对房 间输入的电功。 热力学第一定律说明热能和机械能在转换过程中是能量守恒的。根据热力学第一定律建立 起能量方程，可以确定热力过程中各种能量在数量上的相互关系。能量方程在热力过程的分析 和计算中有着广泛的应用。对于任何热力系统中的任意过程，能量方程的表达式为， 进入系统的能量-离开系统的能量=系统总储存能的变化量 进行热力过程分析时，合理地选取热力系统十分重要。对同一热力现象，选取的热力系统不 同，系统与外界之间的能量关系也不同，建立起来的能量方程亦各异。 2.1 热力学能和总能量----储存能 自然界中能量的形式与物质的运动形态有关，物质处于不同的运动形态，就有不同的能量 形式。系统的储存能包含两部分：一部分与系统内工质的分子结构及微观运动形式有关，由系 统本身内部的状态决定，称为热力学能；另一部分则因以外界为参考坐标的系统的宏观运动而 具有的能量,取决于系统工质与外力场的相互作用及其宏观运动，称为外部储存能。 2.1.1 热力学能 热力学能是因物质分子微观运动而具有的能量,包括内动能、内势能和化学能、原子核能等: （1）内动能 内动能由分子的热运动而形成的能量，包括分子的移动动能、转动动能以及分子中原子的 振动动能。因此，热力学能是温度的函数。物质的温度越高，分子内动能越大。 （2）内位能 内位能由分子间存在相互作用力而形成的能量，取决于分子间的距离，与气体的比体积有 关。因此，热力学能也是比体积的函数。 （3）内化学能和原子能
内化学能和原子能是为维持稳定的分子结构和原子核结构而具有的能量。热力过程中不涉 及化学反应和核反应时,工质的内化学能和原子能保持不变,则其热力学能的变化只包括内动 能和内位能的变化。热力学能的大小只与系统所处的状态有关,是温度和比体积的函数。 mkg工质的热力学能用U表示,单位为J或kJ。1kg工质的热力学能用u表示,称为比热 力学能,单位为J/kg或kJ/kg。 2.1.2外部储存能 (1)宏观动能 mkg物体以速度c运动时,该物体具有的宏观动能为 (2)重力位能 重力场中质量为mkg的物体相对于系统外的参考坐标系的高度为z时,具有的重力位能为 式中c,z是独立于热力系统内部状态的外部参数。因此,系统的宏观动能和重力位能又称为外部 储存能。 2.1.3系统的总储存能 热力系的总储存能为宏观动能、宏观位能和热力学能之和,记作E,单位为J或kJ。 +E,+ 或 E=U+-mc+mg- 能量是广延量,质量为1kg的物体的总储存能记作e,单位为J/kg或kkg 当热力系统静止时,宏观动能、宏观位能无变化,E=U或ε=u,则此时系统总储存能 的变化即为热力学能的变化,即 AE=△U或Ae=M 2.2系统与外界传递的能量 系统与外界传递的能量是指系统与外界的热源、功源、质源等热力源或其他有关物体之间 进行的能量传递。在各种形式的能量转换过程中,工质热能向机械能的转化需通过膨胀做功来 实现,而功则可以通过摩擦等方式转化为热能 2.2.1热量和功量 (1)热量
19 内化学能和原子能是为维持稳定的分子结构和原子核结构而具有的能量。热力过程中不涉 及化学反应和核反应时，工质的内化学能和原子能保持不变，则其热力学能的变化只包括内动 能和内位能的变化。热力学能的大小只与系统所处的状态有关，是温度和比体积的函数。 m kg 工质的热力学能用 U 表示，单位为 J 或 kJ。1 kg 工质的热力学能用 u 表示，称为比热 力学能，单位为 J/kg 或 kJ/kg。 2.1.2 外部储存能 （1）宏观动能 m kg 物体以速度 c 运动时，该物体具有的宏观动能为 2 k 2 1 E mc （2）重力位能 重力场中质量为 m kg 的物体相对于系统外的参考坐标系的高度为 z 时，具有的重力位能为 E mgz p 式中 c,z 是独立于热力系统内部状态的外部参数。因此，系统的宏观动能和重力位能又称为外部 储存能。 2.1.3 系统的总储存能 热力系的总储存能为宏观动能、宏观位能和热力学能之和，记作 E ，单位为 J 或 kJ。 E U Ek Ep （2-1a） 或 E U mc mgz 2 2 1 （2-1b） 能量是广延量，质量为 1 kg 的物体的总储存能记作 e , 单位为 J/kg 或 kJ/kg。 e u c gz 2 2 1 （2-1c） 当热力系统静止时，宏观动能、宏观位能无变化， E U 或 e u ，则此时系统总储存能 的变化即为热力学能的变化，即 E U 或 e u 2.2 系统与外界传递的能量 系统与外界传递的能量是指系统与外界的热源、功源、质源等热力源或其他有关物体之间 进行的能量传递。在各种形式的能量转换过程中，工质热能向机械能的转化需通过膨胀做功来 实现，而功则可以通过摩擦等方式转化为热能。 2.2.1 热量和功量 （1）热量
热量指在温差作用下系统与外界传递的能量。当系统与外界之间达到热平衡时,热量传递 随之停止,再也察觉不到有热量通过界面。热量一旦通过界面传入或传出系统,就变成系统或 外界的储存能的一部分,即热力学能,如图2-1 所示。热力学能与热量之间有原则的区别,热量 是与过程特性有关的过程量,是过程路径的函数 外界大气 而热力学能是状态量,取决于热力状态。因此, 不能说系统具有多少热量,而只能说系统具有多 系统边界 少能量。 热量用符号Q表示,具有能量的单位,J或 图2-1热量传递 kJ。每单位质量工质的传热量用符号q表示,q=Q/m,单位为k/kg。由于热量是过程量,因 此微元过程中传递的热量用8Q表示。习惯上,约定穿越系统边界的热量的方向为:系统吸热 热量为正;系统放热,热量为负 (2)功量 热力学中,功是由除温差以外的其他不平衡势差所引起的系统与外界之间传递的能量。因 外界功源有各种不同的形式,如电、磁和机械装置等,相应的功也有各种不同的形式,如电功、 磁功、机械拉伸功、表面张力功、弹性变形功和膨胀功、轴功等等。 膨胀功是实现热能与机槭能转换的必要途径。另外,热工设备一般通过机械轴来传递机械 功。因此,这里主要介绍膨胀功和轴功。 1)膨胀功也称为容积功,指在压力差作用下系统通过工质体 积胀缩而与外界交换的机械功。如图2-2所示,系统容积变化是作 膨胀功的必要条件,膨胀过程容积增大,系统对外作功;压缩过程 TTTTTTVITTT 容积缩小,外界对系统作功。但是,工质膨胀过程中并不一定有功 的输出。例如,在绝热刚性容器中,用隔板将容器分为两部分, (气缸内气体) 部分存有气体,另一部分为真空,当隔板抽去后,气体绝热自由膨 胀,压力下降,比容增大,但并没有功的输出。因此,容积变化是图2-2定义膨胀功的模型 作膨胀功的必要条件,而不是充分条件。 膨胀功是过程量,一旦过程结束,系统与外界之间功的传递就停止。工程热力学中规定 系统膨胀,对外作功为正;系统压缩,外界对系统作功为负。 2)轴功指系统通过机械轴的旋转而向外界传递的机械功,如图2-3(a)所示。外界功源可 通过摩擦等耗散效应向刚性闭口系统输入轴功,如图2-3(b)所示。轴功转换成热量被系统所吸收, 增加系统的热力学能。但是,由于密闭刚性容器中的工质不能膨胀,热量不可能自动地转换为 机械功。因此,闭口系统无法靠加热连来续地向外界输岀轴功。如图2-3(c)所示,开口系统可与 外界传递轴功Ⅳ。工程上许多动力机械,如汽轮机、风机、压气机等都是靠机械轴传递功的
20 图 2-2 定义膨胀功的模型 图 2-1 热量传递 热量指在温差作用下系统与外界传递的能量。当系统与外界之间达到热平衡时，热量传递 随之停止，再也察觉不到有热量通过界面。热量一旦通过界面传入或传出系统，就变成系统或 外界的储存能的一部分，即热力学能，如图 2-1 所示。热力学能与热量之间有原则的区别，热量 是与过程特性有关的过程量，是过程路径的函数， 而热力学能是状态量，取决于热力状态。因此， 不能说系统具有多少热量，而只能说系统具有多 少能量。 热量用符号 Q 表示，具有能量的单位，J 或 kJ。每单位质量工质的传热量用符号 q 表示， q Q/ m ，单位为 kJ/kg。由于热量是过程量，因 此微元过程中传递的热量用 δQ 表示。习惯上，约定穿越系统边界的热量的方向为：系统吸热， 热量为正；系统放热，热量为负。 （2）功量 热力学中，功是由除温差以外的其他不平衡势差所引起的系统与外界之间传递的能量。因 外界功源有各种不同的形式，如电、磁和机械装置等，相应的功也有各种不同的形式，如电功、 磁功、机械拉伸功、表面张力功、弹性变形功和膨胀功、轴功等等。 膨胀功是实现热能与机械能转换的必要途径。另外，热工设备一般通过机械轴来传递机械 功。因此，这里主要介绍膨胀功和轴功。 1) 膨胀功 也称为容积功，指在压力差作用下系统通过工质体 积胀缩而与外界交换的机械功。如图 2-2 所示，系统容积变化是作 膨胀功的必要条件，膨胀过程容积增大，系统对外作功；压缩过程 容积缩小，外界对系统作功。但是，工质膨胀过程中并不一定有功 的输出。例如，在绝热刚性容器中，用隔板将容器分为两部分，一 部分存有气体，另一部分为真空，当隔板抽去后，气体绝热自由膨 胀，压力下降，比容增大，但并没有功的输出。因此，容积变化是 作膨胀功的必要条件，而不是充分条件。 膨胀功是过程量，一旦过程结束，系统与外界之间功的传递就停止。工程热力学中规定： 系统膨胀，对外作功为正；系统压缩，外界对系统作功为负。 2) 轴功 指系统通过机械轴的旋转而向外界传递的机械功，如图 2-3(a)所示。外界功源可 通过摩擦等耗散效应向刚性闭口系统输入轴功，如图 2-3(b)所示。轴功转换成热量被系统所吸收， 增加系统的热力学能。但是，由于密闭刚性容器中的工质不能膨胀，热量不可能自动地转换为 机械功。因此，闭口系统无法靠加热连来续地向外界输出轴功。如图 2-3(c)所示，开口系统可与 外界传递轴功 Ws 。工程上许多动力机械，如汽轮机、风机、压气机等都是靠机械轴传递功的