工程热力学

工程热力学 　　

        热力学是研究热现象中，物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时，系统与外界相互作用的学科。

 工程热力学的主要任务

       热力学是通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究，改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环，提高热能利用率和热功转换效率工程热力学书籍。

    为此，必须以热力学基本定律为依据，探讨各种热力过程的特性；研究气体和液体的热物理性质，以及蒸发和凝结等相变规律；研究工质特性也是分析某些类型制冷机所必需的。现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反应过程，溶解吸收或解吸等物理化学过程，这就又涉及化学热力学方面的基本知识。

　　工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。

　　工程热力学的基本任务是：通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究，改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环，提高热能利用率和热功转换效率。

　　为此，必须以热力学基本定律为依据，探讨各种热力过程的特性；研究气体和液体的热物理性质，以及蒸发和凝结等相变规律；研究溶液特性也是分析某些类型制冷机所必需的。现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反应过程，溶解吸收或解吸等物理化学过程，这就又涉及化学热力学方面的基本知识。

工程热力学研究的内容

       工程热力学是关于热现象的宏观理论，研究的方法是宏观的，它以归纳无数事实所得到的热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律作为推理的基础，通过物质的压力 、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行研究。

　　这种方法，把与物质内部结构有关的具体性质，当作宏观真实存在的物性数据予以肯定，不需要对物质的微观结构作任何假设，所以分析推理的结果具有高度的可靠性，而且条理清楚。这是它的独特优点。

　　古代人类早就学会了取火和用火，不过后来才注意探究热、冷现象的实质。但直到17世纪末，人们还不能正确区分温度和热量这两个基本概念的本质。在当时流行的“热质说”统治下，人们误认为物体的温度高是由于储存的“热质”数量多。1709～1714年华氏温标和1742～1745年摄氏温标的建立，才使测温有了公认的标准。随后又发展了量热技术，为科学地观测热现象提供了测试手段，使热学走上了近代实验科学的道路。

　　1798年，朗福德观察到用钻头钻炮筒时，消耗机械功的结果使钻头和筒身都升温。1799年，英国人戴维用两块冰相互摩擦致使表面融化，这显然无法由“热质说”得到解释。1842年，迈尔提出了能量守恒理论，认定热是能的一种形式，可与机械能互相转化，并且从空气的定压比热容与定容比热容之差计算出热功当量。

　　英国物理学家焦耳于1840年建立电热当量的概念，1842年以后用不同方式实测了热功当量。1850年，焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃了“热质说”。公认能量守恒、能的形式可以互换的热力学第一定律为客观的自然规律。能量单位焦耳就是以他的名字命名的。

　　热力学的形成与当时的生产实践迫切要求寻找合理的大型、高效热机有关。1824年，法国人卡诺提出著名的卡诺定理，指明工作在给定温度范围的热机所能达到的效率极限，这实质上已经建立起热力学第二定律。但受“热质说”的影响，他的证明方法还有错误。1848年，英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标。1850年和1851年，德国的克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律，并在此基础上重新证明了卡诺定理。

　　1850～1854年，克劳修斯根据卡诺定理提出并发展了熵的概念。热力学第一定律和第二定律的确认，对于两类“永动机”的不可能实现作出了科学的最后结论，正式形成了热现象的宏观理论热力学。同时也形成了“工程热力学”这门技术科学，它成为研究热机工作原理的理论基础，使内燃机、汽轮机、燃气轮机和喷气推进机等相继取得迅速进展。

　　与此同时，在应用热力学理论研究物质性质的过程中，还发展了热力学的数学理论，找到了反映物质各种性质的相应的热力学函数，研究了物质在相变、化学反应和溶液特性方面所遵循的各种规律 。1906年，德国的能斯脱在观察低温现象和化学反应中发现热定理；1912年，这个定理被修改成热力学第三定律的表述形式。

　　二十世纪初以来，对超高压、超高温水蒸汽等物性，和极低温度的研究不断获得新成果。随着对能源问题的重视，人们对与节能有关的复合循环、新型的复合工质的研究发生了很大兴趣。

热力学是研究热现象中，物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时，系统与外界相互作用的学科。 工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

工程热力学的定义：阐明和研究能量、能量转换，主要是热能与其他形式的能量间的转换的规律，及其与物质性质之间关系的工程应用学科

1、工程热力学的基本任务

　　通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究，改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环，提高热能利用率和热功转换效率  工程热力学书籍。 　

　为此，必须以热力学基本定律为依据，探讨各种热力过程的特性；研究气体和液体的热物理性质，以及蒸发和凝结等相变规律；研究溶液特性也是分析某些类型制冷机所必需的。现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反应过程，溶解吸收或解吸等物理化学过程，这就又涉及化学热力学方面的基本知识。

3、工程热力学研究内容

　　工程热力学是关于热现象的宏观理论，研究的方法是宏观的，它以归纳无数事实所得到的热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律作为推理的基础，通过物质的压力 、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行研究。 　　这种方法，把与物质内部结构有关的具体性质，当作宏观真实存在  工程热力学书籍的物性数据予以肯定，不需要对物质的微观结构作任何假设，所以分析推理的结果具有高度的可靠性，而且条理清楚。这是它的独特优点。

4、工程热力学的历史发展

　　古代人类早就学会了取火和用火，不过后来才注意探究热、冷现象的实质。但直到17世纪末，人们还不能正确区分温度和热量这两个基本概念的本质。在当时流行的“热质说”统治下，人们误认为物体的温度高是由于储存的“热质”数量多。1709～1714年华氏温标和1742～1745年摄氏温标的建立，才使测温有了公认的标准。随后又发展了量热技术，为科学地观测热现象提供了测  工程热力学书籍

试手段，使热学走上了近代实验科学的道路。 　　1798年，朗福德观察到用钻头钻炮筒时，消耗机械功的结果使钻头和筒身都升温。1799年，英国人戴维用两块冰相互摩擦致使表面融化，这显然无法由“热质说”得到解释。1842年，迈尔提出了能量守恒理论，认定热是能的一种形式，可与机械能互相转化，并且从空气的定压比热容与定容比热容之差计算出热功当量。 　　英国物理学家焦耳于1840年建立电热当量的概念，1842年以后用不同方式实测了热功当量。1850年，焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃了“热质说”。公认能量守恒、能的形式可以互换的热力学第一定律为客观的自然规律。能量单位焦耳就是以他的名字命名的。 　　热力学的形成与当时的生产实践迫切要求寻找合理的大型、高效热机有关。1824年，法国人卡诺提出著名的卡诺定理，指明工作在给定温度范围的热机所能达到的效率极限，这实质上已经建立起热力学第二定律。但受“热质说”的影响，他的证明方法还有错误。1848年，英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标。1850年和1851年，德国的克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律，并在此基础上重新证明了卡诺定理。 　　1850～1854年，克劳修斯根据卡诺定理提出并发展了熵的概念。热力学第一定律和第二定律的确认，对于两类“永动机”的不可能实现作出了科学的最后结论，正式形成了热现象的宏观理论热力学。同时也形成了“工程热力学”这门技术科学，它成为研究热机工作原理的理论基础，使内燃机、汽轮机、燃气轮机和喷气推进机等相继取得迅速进展。 　　与此同时，在应用热力学理论研究物质性质的过程中，还发展了热力学的数学理论，找到了反映物质各种性质的相应的热力学函数，研究了物质在相变、化学反应和溶液特性方面所遵循的各种规律 。1906年，德国的能斯脱在观察低温现象和化学反应中发现热定理；1912年，这个定理被修改成热力学第三定律的表述形式。 　　

二十世纪初以来，对超高压、超高温水蒸汽等物性，和极低温度的研究不断获得新成果。随着对能源问题的重视，人们对与节能有关的复合循环、新型的复合工质的研究发生了很大兴趣。

“工程热力学”课程是一门重要的专业基础课程。一般第四学期开设，是动力、建环类本科的第一门专业基础课。该课程主要内容由工质的性质、热力学第一定律、热力学第二定律及两大定律的应用等组成。然而，在这几个大内容之下却有众多的概念和公式，有的概念还比较抽象、难理解。

　　“工程热力学”课程概念众多，贯穿全书的主干内容是热力学第一定律、热力学第二定律，它们之间互相引用、关系密切、错综复杂。本文给出的体系设想思路是：（1）建立推导热力学第一定律能量方式所需要的概念。在该部分里，将概念按照工质、系统、状态、过程和循环五部分归类，突出“工程热力学”课程的整体性，明确指出“工程热力学”最关心的量是哪些，最终要解决什么问题，以便使学生的学习目标明确。（2）推导热力学第一定律能量方程式。（3）给出能量方程式中出现的△u、△h和以后要用到的△s的计算方法。（4）对理想气体基本的热力学过程进行详细讨论。（5）给出热力学一般关系。（6）给出有关水蒸汽的概念、图表以及状态参数的确定方法并对水蒸气热力过程进行讨论。（7）引入热力学第二定律。（8）湿空气。（9）气体的流动。（10）气体动力循环。（11）蒸汽动力循环。（12）制冷循环。（13）化学热力学。（14）溶液化学。在每一个部分中时时刻刻体现“工程应用”和条理性。

　“工程热力学”基本知识

　　（1）工质。实际气体、理想气体、混合气体。

　　（2）系统。1）系统：系统、外界、边界、热源。2）闭口系统和开口系统。3）绝热系统。4）孤立系统。

　　（3）状态。1）状态：非平衡状态、平衡状态。2）状态参数：状态参数、状态参数特征、基本状态参数、广义力和广义位移参数、导出量。3）状态方程式：实际气体、理想气体。4）标准状态：标准状态、标米３。5）系统的储存能。

　　（4）过程。1）过程：实际过程、准静态过程、可逆过程。2）过程量：热量和示热图、功量和示功图、正负号规定。

　　（5）循环。循环、循环净功、正循环及其效率、逆循环及其性能系数。

　　热力学第一定律

　　一般形式能量方程式。闭口系统能量方程式、混合问题、充气问题、放、漏气问题以及稳态流动能量方程式。其中，稳态流动能量方程式包括动力机械、压气机、换热器、喷管。 

　 .理想气体的基本热力过程

　　定容过程、定压过程、定温过程、定熵过程、多变过程、热力学基本过程的公式表、压气机。其中，压气机包括压气机的种类、压气机的工作原理、压气机的理论压气功、多级压缩及优点、余隙对排气量的影响。

　　三、“基本知识”部分说明

　　（1）在“基本知识”部分，将概念分为工质、系统、状态、过程和循环五大类，使学生学习完“工程热力学”后具有一个整体感，明确“工程热力学”最关心的量是哪些，“工程热力学”最终要解决什么问题，以便使学生明确学习目标。

　　（2）在“实际气体状态方程式”部分，列举一些实际气体状态方程式，提及查图表法和压缩因子法，使学生对实际气体状态参数的确定有全面了解。

　　（3）在“广义力和广义位移”部分引出“熵”，让学生知道“熵”是温度所对应的广义位移和“熵”的公式定义，以便让学生早了解“熵”，从而分散难点。

　　（4）在“状态参数”部分将压力、温度、比容、内能、焓和熵一起讲完，让学生对我们最关心的六个状态参数具有一个整体感。熵的提前讲可以使学生早点认识熵，并可以使得水蒸汽提前讲，让第一、二定律之间有较大的时间间隔。

　　（5）将实际过程、准静态过程和可逆过程放在一起对照着讲。使学生知道实际过程所经历的状态是一个非平衡状态，有磨擦，有温差传热。准静态过程进行的相当缓慢，以致所经历的状态是无限小的偏离平衡状态，有点磨擦，有点温差热。而可逆过程所经历的状态是一个平衡状态，无磨擦，无温差传热。从而使学生体会到可逆过程是理想化的过程。

　　（6）在“过程”部分要强调过程可以用函数表示，该函数是过程特征方程。

　　（7）在“过程量”部分将热量、容积功、压力功、技术功、轴功、流动功和可逆技术功一起讲，使学生对所有的过程量有个整体感。同时，让学生知道过程量的一般计算方法，即将过程特征方程代入积分。

　　（8）在本课程的开始要告诉学生实际问题是相当复杂的，“工程热力学”解决问题的思路是首先将问题理想化、简单化，然后再对误差大的进行修正。不能理想化的则要用非平衡热力学的方法来解决，相当复杂。

　　（9）在“循环”部分让学生知道计算循环净功、效率和性能系数的一般方法。工质的质量流量起着放大系数的作用。

　　在“热力学第一定律”部分，首先推导一般形式的能量方程，再分别对闭系、混合问题、充气问题、稳定流动问题进行简化。最后，再将稳定流动能量方程应用到压气机、汽轮机、换热器和管道。强调焓的重要性。首先让学生牢记系统与外界之间可以有功量、热量和物质的交换。物质流入或流出系统，随物质转移的能量有哪些。强调怎样才能写对能量方程，而不是应用。

1、如果容器中气体压力保持不变，那么压力表的读数一定也保持不变，对吗？

答：不对。因为压力表的读书取决于容器中气体的压力和压力表所处环境的大气压力

两个因素。因此即使容器中的气体压力保持不变，当大气压力变化时，压力表的读数也会

随之变化，而不能保持不变。

2、“平衡”和“均匀”有什么区别和联系

答：平衡（状态）值的是热力系在没有外界作用（意即热力、系与外界没有能、质交

换，但不排除有恒定的外场如重力场作用）的情况下，宏观性质不随时间变化，即热力系

在没有外界作用时的时间特征-与时间无关。所以两者是不同的。如对气-液两相平衡的状

态，尽管气-液两相的温度，压力都相同，但两者的密度差别很大，是非均匀系。反之，均

匀系也不一定处于平衡态。

但是在某些特殊情况下，“平衡”与“均匀”又可能是统一的。如对于处于平衡状态下

的单相流体（气体或者液体）如果忽略重力的影响，又没有其他外场（电、磁场等）作

用，那么内部各处的各种性质都是均匀一致的。

3、“平衡”和“过程”是矛盾的还是统一的？

答：“平衡”意味着宏观静止，无变化，而“过程”意味着变化运动，意味着平衡被

破坏，所以二者是有矛盾的。对一个热力系来说，或是平衡，静止不动，或是运动，变

化，二者必居其一。但是二者也有结合点，内部平衡过程恰恰将这两个矛盾的东西有条件

地统一在一起了。这个条件就是：在内部平衡过程中，当外界对热力系的作用缓慢得足以

使热力系内部能量及时恢复不断被破坏的平衡。

4、“过程量”和“状态量”有什么不同？

答：状态量是热力状态的单值函数，其数学特性是点函数，状态量的微分可以改成全

微分，这个全微分的循环积分恒为零；而过程量不是热力状态的单值函数，即使在初、终

态完全相同的情况下，过程量的大小与其中间经历的具体路径有关，过程量的微分不能写

成全微分。因此它的循环积分不是零而是一个确定的数值。