热力系统

热力系统

发现教学-潜力英文

2023年2月17日发(作者：永强中学)

第一章基本概念

1.基本概念

热力系统：用界面将所要研究的对象与周围环境分隔开来,这种人为分隔的研究

对象,称为热力系统,简称系统;

边界：分隔系统与外界的分界面,称为边界;

外界：边界以外与系统相互作用的物体,称为外界或环境;

闭口系统：没有物质穿过边界的系统称为闭口系统,也称控制质量;

开口系统：有物质流穿过边界的系统称为开口系统,又称控制体积,简称控制体,

其界面称为控制界面;

绝热系统：系统与外界之间没有热量传递,称为绝热系统;

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,称为孤立系统;

单相系：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相系;

复相系：由两个相以上组成的系统称为复相系,如固、液、气组成的三相系统;

单元系：由一种化学成分组成的系统称为单元系;

多元系：由两种以上不同化学成分组成的系统称为多元系;

均匀系：成分和相在整个系统空间呈均匀分布的为均匀系;

非均匀系：成分和相在整个系统空间呈非均匀分布,称非均匀系;

热力状态：系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况,称为工质的热力状态,

简称为状态;

平衡状态：系统在不受外界影响的条件下,如果宏观热力性质不随时间而变化,

系统内外同时建立了热的和力的平衡,这时系统的状态称为热力平衡状态,简称

为平衡状态;

状态参数：描述工质状态特性的各种物理量称为工质的状态参数;如温度T、压

力P、比容υ或密度ρ、内能u、焓h、熵s、自由能f、自由焓g等;

基本状态参数：在工质的状态参数中,其中温度、压力、比容或密度可以直接或

间接地用仪表测量出来,称为基本状态参数;

温度：是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量,其物理实质是物质内部大

量微观分子热运动的强弱程度的宏观反映;

热力学第零定律：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;

压力：垂直作用于器壁单位面积上的力,称为压力,也称压强;

相对压力：相对于大气环境所测得的压力;如工程上常用测压仪表测定系统中工

质的压力即为相对压力;

比容：单位质量工质所具有的容积,称为工质的比容;

密度：单位容积的工质所具有的质量,称为工质的密度;

强度性参数：系统中单元体的参数值与整个系统的参数值相同,与质量多少无关,

没有可加性,如温度、压力等;在热力过程中,强度性参数起着推动力作用,称为

广义力或势;

广延性参数：整个系统的某广延性参数值等于系统中各单元体该广延性参数值

之和,如系统的容积、内能、焓、熵等;在热力过程中,广延性参数的变化起着类

似力学中位移的作用,称为广义位移;

准静态过程：过程进行得非常缓慢,使过程中系统内部被破坏了的平衡有足够的

时间恢复到新的平衡态,从而使过程的每一瞬间系统内部的状态都非常接近平衡

状态,整个过程可看作是由一系列非常接近平衡态的状态所组成,并称之为准静

态过程;

可逆过程：当系统进行正、反两个过程后,系统与外界均能完全回复到初始状态,

这样的过程称为可逆过程;

膨胀功：由于系统容积发生变化增大或缩小而通过界面向外界传递的机械功称

为膨胀功,也称容积功;

热量：通过热力系边界所传递的除功之外的能量;

热力循环：工质从某一初态开始,经历一系列状态变化,最后又回复到初始状态

的全部过程称为热力循环,简称循环;

第二章气体的热力性质

1.基本概念

理想气体：气体分子是由一些弹性的、忽略分子之间相互作用力引力和斥力、

不占有体积的质点所构成;

比热：单位物量的物体,温度升高或降低1K1℃所吸收或放出的热量,称为该物体

的比热;

定容比热：在定容情况下,单位物量的物体,温度变化1K1℃所吸收或放出的热量,

称为该物体的定容比热;

定压比热：在定压情况下,单位物量的物体,温度变化1K1℃所吸收或放出的热量,

称为该物体的定压比热;

定压质量比热：在定压过程中,单位质量的物体,当其温度变化1K1℃时,物体和

外界交换的热量,称为该物体的定压质量比热;

定压容积比热：在定压过程中,单位容积的物体,当其温度变化1K1℃时,物体和

外界交换的热量,称为该物体的定压容积比热;

定压摩尔比热：在定压过程中,单位摩尔的物体,当其温度变化1K1℃时,物体和

外界交换的热量,称为该物体的定压摩尔比热;

定容质量比热：在定容过程中,单位质量的物体,当其温度变化1K1℃时,物体和

外界交换的热量,称为该物体的定容质量比热;

定容容积比热：在定容过程中,单位容积的物体,当其温度变化1K1℃时,物体和

外界交换的热量,称为该物体的定容容积比热;

定容摩尔比热：在定容过程中,单位摩尔的物体,当其温度变化1K1℃时,物体和

外界交换的热量,称为该物体的定容摩尔比热;

混合气体的分压力：维持混合气体的温度和容积不变时,各组成气体所具有的压

力;

道尔顿分压定律：混合气体的总压力P等于各组成气体分压力Pi之和;

混合气体的分容积：维持混合气体的温度和压力不变时,各组成气体所具有的容

积;

阿密盖特分容积定律：混合气体的总容积V等于各组成气体分容积Vi之和;

混合气体的质量成分：混合气体中某组元气体的质量与混合气体总质量的比值

称为混合气体的质量成分;

混合气体的容积成分：混合气体中某组元气体的容积与混合气体总容积的比值

称为混合气体的容积成分;

混合气体的摩尔成分：混合气体中某组元气体的摩尔数与混合气体总摩尔数的

比值称为混合气体的摩尔成分;

对比参数：各状态参数与临界状态的同名参数的比值;

对比态定律：对于满足同一对比态方程式的各种气体,对比参数

r

p、

r

T和

r

v中若

有两个相等,则第三个对比参数就一定相等,物质也就处于对应状态中;

第三章热力学第一定律

1.基本概念

热力学第一定律:能量既不能被创造,也不能被消灭,它只能从一种形式转换成另

一种形式,或从一个系统转移到另一个系统,而其总量保持恒定,这一自然界普遍

规律称为能量守恒与转换定律;把这一定律应用于伴有热现象的能量和转移过程,

即为热力学第一定律;

第一类永动机：不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机,称为第一类永

动机;

热力学能：热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和;

外储存能：也是系统储存能的一部分,取决于系统工质与外力场的相互作用如重

力位能及以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量宏观动能;这两种能量

统称为外储存能;

轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功称为轴功;

流动功或推动功：当工质在流进和流出控制体界面时,后面的流体推开前面的流

体而前进,这样后面的流体对前面的流体必须作推动功;因此,流动功是为维持流

体通过控制体界面而传递的机械功,它是维持流体正常流动所必须传递的能量;

焓：流动工质向流动前方传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量;对于流

动工质,焓=内能+流动功,即焓具有能量意义；对于不流动工质,焓只是一个复合

状态参数;

稳态稳流工况：工质以恒定的流量连续不断地进出系统,系统内部及界面上各点

工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定,不随时间变化,称稳态稳流工况;

技术功：在热力过程中可被直接利用来作功的能量,称为技术功;

动力机：动力机是利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备;

压气机：消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备称为压气机;

节流：流体在管道内流动,遇到突然变窄的断面,由于存在阻力使流体压力降低

的现象;

2.常用公式

外储存能：

1．宏观动能：

2．重力位能：

式中g—重力加速度;

系统总储存能：

1．

pk

EEUE

或mgzmcUE2

2

1

2．gzcue2

2

1

3．UE或ue没有宏观运动,并且高度为零

热力学能变化：

1．dTcdu

v

,





2

1

dTcu

v

适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程

2．)(

12

TTcu

v



适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程用定值比热计算

3．

1

0

2

0

00

12

122

1

tctcdtcdtcdtcut

vm

t

vm

t

v

t

v

t

t

v





适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程用平均比热计算

4．把

Tfc

v

的经验公式代入





2

1

dTcu

v

积分;

适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程用真实比热公式计算

5．







n

i

ii

n

i

in

umUUUUU

11

21



由理想气体组成的混合气体的热力学能等于各组成气体热力学能之和,各

组成气体热力学能又可表示为单位质量热力学能与其质量的乘积;

6．





2

1

pdvqu

适用于任何工质,可逆过程;

7．qu

适用于任何工质,可逆定容过程

8．





2

1

pdvu

适用于任何工质,可逆绝热过程;

9．0U

适用于闭口系统任何工质绝热、对外不作功的热力过程等热力学能或理

想气体定温过程;

10．WQU

适用于mkg质量工质,开口、闭口,任何工质,可逆、不可逆过程;



适用于1kg质量工质,开口、闭口,任何工质,可逆、不可逆过程



适用于微元,任何工质可逆过程

13．pvhu

热力学能的变化等于焓的变化与流动功的差值;

焓的变化：

1．pVUH

适用于m千克工质

2．pvuh

适用于1千克工质

3．

TfRTuh

适用于理想气体

4．dTcdh

p

,dTch

p





2

1

适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程

5．)(

12

TTch

p



适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程,用定值比热计算

6．

1

0

2

0

00

12

122

1

tctcdtcdtcdtcht

pm

t

pm

t

p

t

p

t

t

p





适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程用平均比热计算

7．把

Tfc

p

的经验公式代入





2

1

dTch

p

积分;

适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程,用真实比热公式

计算

8．







n

i

ii

n

i

in

hmHHHHH

11

21



由理想气体组成的混合气体的焓等于各组成气体焓之和,各组成气体焓又可

表示为单位质量焓与其质量的乘积;

9．热力学第一定律能量方程

适用于任何工质,任何热力过程;

10．

s

wgdzdcqdh2

2

1

适用于任何工质,稳态稳流热力过程

11．

s

wqdh

适用于任何工质稳态稳流过程,忽略工质动能和位能的变化;

12．





2

1

vdpqh

适用于任何工质可逆、稳态稳流过程,忽略工质动能和位能的变化;

13．





2

1

vdph

适用于任何工质可逆、稳态稳流绝热过程,忽略工质动能和位能的变化;

14．qh

适用于任何工质可逆、稳态稳流定压过程,忽略工质动能和位能的变化;

15．0h

适用于任何工质等焓或理想气体等温过程;

熵的变化：

1．





2

1

T

q

s



适用于任何气体,可逆过程;

2．

gf

sss

f

s为熵流,其值可正、可负或为零；

g

s为熵产,其值恒大于或等于零;

3．

1

2ln

T

T

cs

v

理想气体、可逆定容过程

4．

1

2ln

T

T

cs

p

理想气体、可逆定压过程

5．

2

1

1

2lnln

p

p

R

v

v

Rs理想气体、可逆定温过程

6．0s定熵过程

适用于理想气体、任何过程

功量：

膨胀功容积功：

1．pdvw或





2

1

pdvw

适用于任何工质、可逆过程

2．0w

适用于任何工质、可逆定容过程

3．

21

wpvv

适用于任何工质、可逆定压过程

4．

1

2ln

v

v

RTw

适用于理想气体、可逆定温过程

5．uqw

适用于任何系统,任何工质,任何过程;

6．qw

适用于理想气体定温过程;

7．uw

适用于任何气体绝热过程;

8．dTCw

v





2

1

适用于理想气体、绝热过程

9．

适用于理想气体、可逆绝热过程

10．

适用于理想气体、可逆多变过程

流动功:

推动1kg工质进、出控制体所必须的功;

技术功:

1．

st

wzgcw2

2

1

热力过程中可被直接利用来作功的能量,统称为技术功;

2．

st

wgdzdcw2

2

1

适用于稳态稳流、微元热力过程

3．

2211

vpvpww

t



技术功等于膨胀功与流动功的代数和;

4．vdpw

t



适用于稳态稳流、微元可逆热力过程

5．





2

1

vdpw

t

适用于稳态稳流、可逆过程

热量：

1．TdSq

适用于任何工质、微元可逆过程;

2．





2

1

Tdsq

适用于任何工质、可逆过程

3．WUQ

适用于mkg质量任何工质,开口、闭口,可逆、不可逆过程

4．wuq

适用于1kg质量任何工质,开口、闭口,可逆、不可逆过程

5．pdvduq

适用于微元,任何工质可逆过程;

6．





2

1

pdvuq

适用于任何工质可逆过程;

7

CVS

dEWmgZChmgZChQ





























11

2

1122

2

222

1

2

1

适用于任何工质,任何系统,任何过程;

8．

s

wgdzdcdhq2

2

1

适用于微元稳态稳流过程

9．

t

whq

适用于稳态稳流过程

10．uq

适用于任何工质定容过程

11．



12

TTcq

v



适用于理想气体定容过程;

12．hq

适用于任何工质定压过程

13．



12

TTcq

p



适用于理想气体、定压过程

14．0q

适用于任何工质、绝热过程

15．1

112







nTTc

n

kn

q

v

适用于理想气体、多变过程

第四章理想气体的热力过程及气体压缩

1.基本概念

分析热力过程的一般步骤：1.依据热力过程特性建立过程方程式,p=fv；

2.确定初、终状态的基本状态参数；

3.将过程线表示在p-v图及T—s图上,使过程直观,

便于分析讨论;

4.计算过程中传递的热量和功量;

绝热过程：系统与外界没有热量交换情况下所进行的状态变化过程,即0q或0q

称为绝热过程;

定熵过程：系统与外界没有热量交换情况下所进行的可逆热力过程,称为定熵过程;

多变过程：凡过程方程为npv常数的过程,称为多变过程;

定容过程：定量工质容积保持不变时的热力过程称为定容过程;

定压过程：定量工质压力保持不变时的热力过程称为定压过程;

定温过程：定量工质温度保持不变时的热力过程称为定温过程;

单级活塞式压气机工作原理：吸气过程、压缩过程、排气过程,活塞每往返一

次,完成以上三个过程;

活塞式压气机的容积效率：活塞式压气机的有效容积和活塞排量之比,称为容积

效率;

活塞式压气机的余隙：为了安置进、排气阀以及避免活塞与汽缸端盖间的碰撞,

在汽缸端盖与活塞行程终点间留有一定的余隙,称为余隙容积,简称余隙;

最佳增压比：使多级压缩中间冷却压气机耗功最小时,各级的增压比称为最佳增

压比;

压气机的效率：在相同的初态及增压比条件下,可逆压缩过程中压气机所消耗的

功与实际不可逆压缩过程中压气机所消耗的功之比,称为压气机的效率;

热机循环：若循环的结果是工质将外界的热能在一定条件下连续不断地转变为

机械能,则此循环称为热机循环;

2.常用公式

气体主要热力过程的基本公式

过程定容过程定压过程定温过程定熵过程多变过程

过程指数n∞

01

к

n

过程方程v=常数p=常数pv=常数pvк=常数pvn=常数

P、v、T关系

膨胀功

w=0

热量

比热容0

备注表中比热容为定值比热容

多变指数n：

z级压气机,最佳级间升压比：

3.重要图表

图4－3多变过程p-v图

图4－3多变过程T-s图

第五章热力学第二定律

1.基本概念

热力学第二定律：

开尔文说法：只冷却一个热源而连续不断作功的循环发动机是造不成功的;

克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体;

第二类永动机：从单一热源取得热量,并使之完全转变为机械能而不引起其他变

化的循环发动机,称为第二类永动机;

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,称为孤立系统;

孤立系统熵增原理：任何实际过程都是不可逆过程,只能沿着使孤立系统熵增加

的方向进行;

定熵过程：系统与外界没有热量交换情况下所进行的可逆热力过程,称为定熵过

程;

热机循环：若循环的结果是工质将外界的热能在一定条件下连续不断地转变为

机械能,则此循环称为热机循环;

制冷：对物体进行冷却,使其温度低于周围环境温度,并维持这个低温称为制冷;

制冷机：从低温冷藏室吸取热量排向大气所用的机械称为制冷机;

热泵：将从低温热源吸取的热量传送至高温暖室所用的机械装置称为热泵;

理想热机：热机内发生的一切热力过程都是可逆过程,则该热机称为理想热机;

卡诺循环：在两个恒温热源间,由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成的

循环,称为卡诺循环;

卡诺定理：

1．所有工作于同温热源与同温冷源之间的一切可逆循环,其热效率都相等,与

采用哪种工质无关;

2．在同温热源与同温冷源之间的一切不可逆循环,其热效率必小于可逆循环;

自由膨胀：气体向没有阻力空间的膨胀过程,称为自由膨胀过程;

第七章水蒸气

1．基本概念

未饱和水:水温低于饱和温度的水称为未饱和水也称过冷水.

饱和水:当水温达到压力P所对应的饱和温度

s

t时,水将开始沸腾,这时的水称为

饱和水;

湿饱和蒸汽：把预热到ts

的饱和水继续加热,饱和水开始沸腾,在定温下产生蒸

汽而形成饱和液体和饱和蒸汽的混合物,这种混合物称为湿饱和蒸汽,简称湿蒸汽;

干饱和蒸汽：湿蒸汽的体积随着蒸汽的不断产生而逐渐加大,直至水全部变为蒸汽,

这时的蒸汽称为干饱和蒸汽即不含饱和水的饱和蒸汽

2．常用公式

干度：

湿蒸汽的参数：

vxv





x

当p不太大,x不太小时

过热蒸汽的焓：

其中)(

spm

ttc是过热热量,t为过热蒸汽的温度,cpm为过热蒸汽由t到ts的平均比定压

热容;

过热蒸汽的热力学能：

过热蒸汽的熵：

水蒸气定压过程：

uqw或)(

12

vvpw

水蒸气定容过程：

水蒸气定温过程：

水蒸气绝热过程：

3．重要图表

7-1凝固时体积膨胀的物质的p-t图图7-2凝固时体积缩小的物质的p-t图

图7-5水蒸气的p-v图图7-6水蒸气的T-s图

图7-9水蒸气的定压过程图7-10水蒸气的定容过程

图7-11水蒸气的定温过程图7-12水蒸气的定熵过程

第八章湿空气

1.基本概念

湿空气：干空气和水蒸气所组成的混合气体;

饱和空气：干空气和饱和水蒸气所组成的混合气体;

未饱和空气：干空气和过热水蒸气所组成的混合气体;

绝对湿度：每立方米湿空气中所含有的水蒸气质量;

饱和绝对湿度：在一定温度下饱和空气的绝对湿度达到最大值,称为饱和绝对湿度

相对湿度：湿空气的绝对湿度

v

与同温度下饱和空气的饱和绝对湿度

s

的比值

含湿量比湿度：在含有1kg干空气的湿空气中,所混有的水蒸气质量

饱和度：湿空气的含湿量d与同温下饱和空气的含湿量ds

的比值

湿空气的比体积：在一定温度T和总压力p下,1kg干空气和水蒸气所占有的体积湿

空气的焓：1kg干空气的焓和水蒸气的焓的总和

第九章气体和蒸汽的流动

1．基本概念

稳态稳流：稳态稳流是指开口系统内每一点的热力学和力学参数都不随时间而

变化的流动,但在系统内不同点上,参数值可以不同;为了简化起见,可认为管道内垂

直于轴向的任一截面上的各种参数都均匀一致,流体参数只沿管道轴向或流动方向

发生变化;

定熵滞止参数：将具有一定速度的流体在定熵条件下扩压,使其流速降低为零,

这时气体的参数称为定熵滞止参数;

减缩喷管：当进入喷管的气体是M<1的亚音速气流时,这种沿着气体流动方向喷

管截面积逐渐缩小的喷管称为渐缩喷管;

渐扩喷管：当进入喷管的气体是M>1的超音速气流时,这种沿气流方向喷管截面

积逐渐扩大的喷管称为渐扩喷管;

缩放喷管：如需要将M1的超音速气流,则喷管截面积

应由df0,即喷管截面积应由逐渐缩小转变为逐渐扩大,这种喷管称

为渐缩渐扩喷管,或简称缩放喷管,也称拉伐尔Laval喷管;

节流：节流过程是指流体液体、气体在管道中流经阀门、孔板或多孔堵塞物等

设备时,由于局部阻力,使流体压力降低的一种特殊流动过程;这些阀门、孔板或多

孔堵塞物称为节流元件;若节流过程中流体与外界没有热量交换,称为绝热节流,常

常简称为节流;在热力设备中,压力调节、流量调节或测量流量以及获得低温流体等

领域经常利用节流过程,而且由于流体与节流元件换热极少,可以认为是绝热节流;

冷效应区：在转回曲线与温度纵轴围成的区域内所有等焓线上的点恒有j>0,发

生在这个区域内的绝热节流过程总是使流体温度降低,称为冷效应区;

热效应区：在转回曲线之外所有等焓线上的点,其j<0,发生在这个区域的微分绝

热节流总是使流体温度升高,即压力降低dp,温度增高dT,称为热效应区;

喷管效率：是指实际过程气体出口动能与定熵过程气体出口动能的比值;

第十章动力循环

1．基本概念

热机：将热能转化为机械能的设备叫做热力原动机,简称热机;

动力循环：热机的工作循环称为动力循环;根据热机所用工质的不同,动力循环

可分为蒸汽动力循环和燃气动力循环两大类;

奥托循环：定容加热理想循环是汽油机实际工作循环的理想化,又称为奥托循

环;

狄塞尔Diesel循环：定压加热理想循环是柴油机实际工作循环的理想化;

燃气轮机：燃气轮机装置是一种以空气和燃气为工质、旋转式的热力发动机;燃

气轮机装置主要由三部分组成,即燃气轮机、压气机和燃烧室;

第十一章制冷循环

1．基本概念

制冷：对物体进行冷却,使其温度低于周围环境的温度,并维持这个低温称为;

空气压缩式制冷：将常温下较高压力的空气进行绝热膨胀,获得低温低压的空气;

蒸汽喷射制冷循环：用引射器代替压缩机来压缩制冷剂,以消耗蒸汽的热能作为补

偿来实现制冷的目的;

蒸汽喷射制冷装置：由锅炉、引射器或喷射器、冷凝器、节流阀、蒸发器和水泵等

组成;吸收式制冷：利用制冷剂液体气化吸热实现制冷,它是直接利用热能驱动,以

消耗热能为补偿将热量从低温物体转移到环境中去;吸收式制冷采用的工质是两种

沸点相差较大的物质组成的二元溶液,其中沸点低的物质为制冷剂,沸点高的物质为

吸收剂;

热泵：是一种能源提升装置,以消耗一部分高位能机械能、电能或高温热能等为补

偿,通过热力循环,把环境介质水、空气、土壤中贮存的不能直接利用的低位能量转

换为可以利用的高位能;

影响制冷系数的主要因素：降低制冷剂的冷凝温度即热源温度和提高蒸发温度冷源

温度,都可使制冷系数增高;