第1章　基本概念及定义

1.1　考点归纳

一、热能和机械能相互转换的过程

1．热能动力装置

（1）定义

热能动力装置是指从燃料燃烧中得到热能以及利用热能得到动力的整套设备(包括辅助设备)。

（2）分类

①蒸汽动力装置；②燃气动力装置。

2．各类热能动力装置中的能量转换情况

（1）蒸汽动力装置：工作介质经历吸热、膨胀、排热过程，热力学能转变成动能。

（2）燃气动力装置：燃料和助燃的气体在燃烧设备中燃烧，化学能转换成燃气的热能，燃气膨胀作功，作功后的废气排出装置同时向环境介质排热。

（3）制冷装置与热泵：装置消耗外部机械功，以实现热能由低温物体向高温物体转移。

3．热能动力装置工作过程

（1）工质循环从热源吸热，将其中一部分转化为机械能，并把余下部分传给低温热源。

（2）在制冷装置中，工质消耗外部机械功或其他形式，使热能由低温热源向高温热源转移，所消耗的机械能也转换成热能一并排向高温热源。

二、热力系统

1．系统、边界与外界

（1）热力系统（系统）

热力系统是指人为将所要研究的对象与周围环境分隔出来的研究对象。

（2）边界

边界是指分隔系统与外界的分界面，其作用是确定研究对象，将系统与外界分隔开来。

（3）外界

外界是指边界以外与系统相互作用的物体。

2．闭口系统与开口系统

（1）闭口系统

闭口系统是指没有物质穿过边界的系统，又称为控制质量系统。

（2）开口系统

开口系统是指有物质流穿过边界的系统，又称开口系统为控制体积。

3．绝热系统与孤立系统

（1）绝热系统

绝热系统是指系统与外界之间没有热量传递的系统。

（2）孤立系统

孤立系统是指系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统。

4．系统的内部状况

（1）单相系与复相系

①单相系

单相系是指由单一物相组成的系统。

②复相系

复相系是指由两个相以上组成的系统。

（2）单元系与多元系

①单元系

单元系是指由一种化学成分组成的系统。

②多元系

多元系是指由两种以上不同化学成分组成的系统。

（3）均匀系与非均匀系

①均匀系

均匀系是指成分和相在整个系统空间呈均匀分布的系统。

②非均匀系

非均匀系是指成分和相在整个系统空间不均匀分布的系统。

三、工质的热力状态及其基本状态参数

1．状态与状态参数

（1）状态

状态是指系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况。

（2）状态参数

状态参数是指描述工质状态特性的各种物理量。

（3）状态参数特征

状态参数一旦确定，工质的状态也就确定了，状态参数发生变化，工质所处的状态也就发生变化，因此状态参数是热力系统状态的单值性函数。

2．基本状态参数

（1）温度

①定义

温度是指描述热力平衡系统冷热状况的物理量，从微观上看，是标志物质内部大量分子热运动的强烈程度的物理量。

②热力学温度与分子平移运动平均动能的关系

（2）压力（压强）

①定义

压力是指垂直作用于器壁单位面积上的力。

②表达式

  （1－1）

③气体的压力

（1－2）

（3）绝对压力和相对压力

①绝对压力

绝对压力是指根据式（1－1）、式（1－2）计算的压力，它是气体的真正压力。

②相对压力

相对压力是指气体的绝对压力与当地大气压力的差值。

③绝对压力、相对压力和大气压力的关系，如图1-1所示

图1-1  各压力间的关系

（4）比体积和密度

①比体积

a．定义：比体积是指单位质量工质所占有的体积。符号v。

b．表达式

c．单位：/kg。

②密度

a．定义：密度是指单位体积的工质所具有的质量。符号ρ。

b．表达式

c．单位：kg/m³。

3．强度性参数与广延性参数

（1）强度性参数

强度量是指压力和温度等与系统质量的多少无关的参数。

（2）广延性参数

广延量是指体积、热力学能、焓和熵等与系统质量成正比的参数，具有可加性。

四、平衡状态、状态公理及状态方程

1．平衡状态

（1）平衡状态

平衡状态是指如果在不受外界影响的条件下，热力系统的状态能够始终保持不变的状态。

（2）平衡状态的充要条件

热平衡（温度平衡）、力平衡（压力平衡）、化学势平衡（包括相平衡和化学平衡）。

（3）稳定系统与平衡系统地区别

①只要系统的参数不随时间而改变，即认为系统处在稳定状态。

②平衡状态必须是在没有外界作用下实现参数保持不变。

2．状态公理

确定纯物质系统平衡状态的独立参数＝n＋1。

3．状态方程

纯物质简单可压缩系统的状态方程

F(p,V,T)＝0

4．状态参数坐标图

（1）热力状态坐标图

热力状态坐标图是指由热力系状态参数所组成的坐标图。

（2）常用热力状态坐标图：压容(P－v)图、温熵(T－s)图等。

五、工质的状态变化过程

1．准静态过程

准静态过程是指如果造成系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态的过程。

2．可逆过程和不可逆过程

（1）定义

①可逆过程

可逆过程是指当完成了某一过程之后，可能使工质沿相同的路径逆行而回复到原来状态，并使相互作用中所涉及的外界亦回复到原来状态，而不留下任何改变的热力过程。

②不可逆过程

不满足可逆过程条件的为不可逆过程。

（2）实现可逆过程的具体条件

①过程没有势差（或势差无限小）。

②过程没有耗散效应。

（3）准平衡过程和可逆过程的关系

①可逆过程首先应是准平衡过程，应满足热的和力的平衡条件，同时在过程中不应有任何耗散效应。可逆过程必然是准平衡过程，而准平衡过程只是可逆过程的必要条件。

②准平衡过程只着眼于工质内部的平衡，有无外部机械摩擦对工质内部的平衡并无关系，准平衡过程进行时可能发生能量耗散。

③可逆过程是分析工质与外界作用所产生的总效果，不仅要求工质内部是平衡的，而且要求工质与外界的作用可以无条件的逆复，过程进行时不存在任何能量的耗散。

六、过程功和热量

1．可逆过程的膨胀功（容积功）

（1）定义

可逆过程的膨胀功是指系统容积发生变化而通过界面向外传递的机械功。

（2）表达式

其中，1和2表示工质从状态l到状态2的膨胀。规定系统对外做功为正，外界对系统作功为负。

2．可逆过程的热量

（1）定义

可逆过程的热量是指系统与外界之间依靠温差传递的能量。

（2）表达式

其中，1和2表示工质从状态l到状态2的膨胀。通常规定系统吸热为正，放热为负。

3．功和热量的异同点

（1）相同点

①从对功和热量的定义可以看出，热量和功都是能量传递的度量，它们是过程量。

②说物系在某一状态下有多少功或多少热量是错误的，因为功和热量都不是状态参数。

（2）不同点

①功是有规则的宏观运动能量的传递，在作功过程中往往伴随着能量形态的转化。

②热量是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传递，传热过程中不出现能量形态的转化。③功转变成热量是无条件的而热转变成功是有条件的。

七、热力循环

1．定义

热力循环是指工质从某一初态开始，经历一系列状态变化，最后由回复到初态的过程。

2．热力循环过程

（1）正循环

①定义

如图1-2中1－2－3－4－1所示的循环

图1-2  正循环

②循环净功:工质沿一个循环过程所作功的代数和，即

③正向循环热效率

其中，等于循环过程中工质与热源及冷源换热量的代数和，。

（2）逆循环

①定义

如图1-3中1－4－3－2－1所示的循环

图1-3  逆循环

②循环过程

a．逆向循环时，工质在吸热前可先进行膨胀降温过程(如绝热膨胀)，使工质的温度降低到能自低温热源吸取热量。

b．在放热过程前进行压缩升温过程(如绝热压缩)，使其温度升高到能向高温热源放热。

③制冷系数ε和热泵系数(供热系数)

与热效率η1一样，制冷系数ε和热泵系数愈大，表明循环经济性愈好。