工程热力学基础理论水蒸汽传热学Word下载.docx
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状态参数值只取决于工质的状态，因而，任何物理量，只要它的变化量等于初始、终止两态下该物理量的差值，而与工质的状态变化途径无关，都可以作为状态参数。
热力学中采用的状态参数有：
温度，压力，比容、内能、焓、熵等。
（一）温度
温度是标志物体冷热程度的一个物理量。
当两个不同温度的物体接触时，高温物体就要向低温物体传热，两物体温度相等后，即处于热平衡状态。
处于热平衡的物体具有相同的温度，这是用温度计测量物体温度的依据。
被测物体达到热平衡时，温度计的温度即等于被测物体的温度。
温度的数值表示方法称为温标。
旧的摄氏温标规定在760mm汞柱气压下纯水的冰点温度为0度，沸点的温度为100度，两定点间分为100个分度，每一分度叫做摄氏一度。
国际单位制采用热力学温标为基本温标。
热力学温标采用水的三相点（即水的固、液、气三相平衡共存的状态）为基本定点，并定义它的温度为273.16K。
用该温标确定的温度称为热力学温度，符号为“T”，单位为“开尔文”，中文代号“开”，国际代号“K”。
与热力学温标并用的还有热力学摄氏温标，简称摄氏温标。
它所确定的温度称为摄氏温度，用“t”表示，单位为“摄氏度’，代号℃。
这种摄氏温标与旧的摄氏温标不同，它是由热力学温标导出的。
摄氏温度按以下定义式确定：
t=T-273.15（2-1）
这就是说，规定热力学温度273.15K为摄氏温度的零度。
（二）压力
单位面积上所受到的垂直作用力称为压力。
以符号P表示。
气体的压力是气体分子作不规则运动时撞击容器壁面的结果。
绝对压力是指工质的真实压力，以P表示。
绝对压力大于大气压力时，超出大气压力之值，即表计所测出的压力称为表压力，以Pg表示。
有：
P=Pamb+Pg
当容器内的绝对压力低于大气压力时，例如凝汽器内、锅炉炉膛内，测压仪表指示的读数习惯上称为负压或真空，以Pv表示，则：
P＝Pamb-Pv
显然，真空愈高，说明被测流体的绝对压力愈低。
通常称测量真空的仪表为真空计。
图2-2表明了绝对压力、表压力、真空与大气压力之间的关系。
大气压力Pamb的值可用气压计测定，其值随测量的时间、地点而异。
所以只有绝对压力才能作为状态参数，而表压力或真空的读数将因当地大气压力不同而随之改变。
在国际单位制中，力的单位是N（牛顿），面积的单位是m2，压力的单位则是N／m2，称为帕斯卡，中文代号“帕”，国际代号“Pa”。
工程上因以Pa为压力单位太小，计算不方便，常取MPa（兆帕）作为实用单位，即
lMPa=106Pa
工程上容器内工质的压力是由压力表来测定的。
压力测量一般采用弹簧管式压力计，如图2-3所示，较小的压力用U形管式压力计测量，如图2-4所示。
压力的大小也可用液柱的高度表示的，常用的有mmHg和mmH2O。
换算关系为：
1mmHg=133.322Pa≈133.3Pa
1mmH2O=9.80665Pa=9.81Pa
物理学上还规定，压力为latm，温度为0℃时的状态，称为标准状态。
标准状态的参数常用符号p0，t0等表示。
工程计算中,大气压力可近似取Pamb=1×
105Pa。
（三）比容
系统中工质所占有的空间称为容积，用符号V表示，单位为m3。
单位质量的工质所占有的容积称为比容，用符号v表示，即
=
m3/kg（2-2）
式中m─工质的质量，kg；
单位容积内所含工质的质量称为密度，以符号ρ表示，即
ρ=
kg/m3（2-3）
显然，比容与密度互为倒数，即
例题2-1某容器内气体的温度为50℃，压力用压力计测量，读数为2.7×
105Pa。
气压计测得当地大气压力为755mmHg。
求气体的热力学温度及绝对压力？
若气体压力不变而大气压力下降至740mmHg，问压力计的读数有无变化？
如有，变为多少？
解由式（2-1）求得气体的热力学温度
T＝t+273.15=50+273.15＝323.15K
利用压力换算关系换算出大气压力为：
Pamb＝755×
133.3=1.006×
105Pa
气体的压力大于大气压力，绝对压力为：
P=Pg+Pamb=2.7×
105+1.006×
105=3.70610×
若大气压力变为：
Pamb′=740×
133.3=0.986×
压力计上读出的表压力应为：
Pg′=P-Pamb′=3.706×
105-0.986×
105=2.72×
故此时压力计上读数有变化，它将由2.7×
105Pa变为2.72×
例题2-2用U形管压差计测量凝汽器内蒸汽的压力。
采用水银作测量液体，如图2-5。
测得水银柱高为720.6mm。
若当时当地大气压力Pamb=750mmHg，求凝汽器内的绝对压力（用Pa表示）。
解：
根据题意，蒸汽的压力低于大气压力，计算绝对压力。
P＝Pamb-Pv=750-720.6=29.4mmHg
将单位换算为Pa，则有
P=29.4×
133.3=3919.02≈0.039×
105Pa
（四）内能
工质内部所具有的各种微观能量的总和，称为内能。
内能的符号用U表示。
单位为J。
每kg工质的内能称为比内能（工程习惯简称内能），用符号u表示，单位为J／kg。
如mkg质量工质，则：
U=mu
内能包括内动能和内位能。
1．内动能
气体分子热运动的动能，称为内动能。
内动能又包括：
分子直线运动的动能；
分子旋转运动的动能；
分子内部原子的振动能。
温度的高低是内动能大小的反映，内动能大，工质的温度就高。
因此，内动能是温度的函数。
2．内位能
气体分子之间存在相互作用力，故分子间具有位能，称为内位能。
分子的位能决定于分子间的平均距离，即决定于气体的容积。
因此，内位能是容积的函数。
综上所述，工质的内能决定于它的温度和比容，即决定于工质所处的状态。
内能也是一个状态参数。
可以表示为两个独立参数的函数，即
u=ƒ（T，v）
当工质处于一定的热力状态时，具有确定的温度和比容，则工质具有确定的内能值。
当工质状态发生变化时，内能的变化量取决于过程始点1和终点2的状态，而与中间所经历的过程路线无关，即
（五）焓
工质流动时，随一定质量的工质流进或流出热力设备的有内能也有流动功，将两者之和，用一个新的物理量“焓”来代表。
符号H，单位为J。
每kg工质的焓称为比焓（工程习惯简称焓），用符号h表示，单位为J／kg。
u和pv两项，即
H=U+pVJ或h=u+pvJ／kg（2-4）
焓也是一个取决于工质状态的状态参数，它具有壮态参数的一切特征。
焓的物理意义：
焓由u和pv项组成，内能u的物理意义已在前面介绍过，而pv这一项则代表1kg工质在流动情况下的流动功。
所以，焓代表系统因引入工质而获得的取决于工质热力状态的那部分能量。
如果工质的动能和位能可以忽略不计，则焓就代表随工质流动而转移的总能量。
焓的引入极大的简化了热力设备的分析计算。
（六）熵
熵是导出的状态参数，在可逆传热过程中存在，可用来作为热量传递标志的状态参数，定义这个新的状态参数为“熵”。
用符号S表示。
单位为J/K。
每kg工质的熵称为比熵（工程习惯简称熵），用符号s表示，单位为J／（kg•K）。
比熵的数学定义式为：
J／（kg•K）（2-5）
为1kg工质在发生微小的可逆状态变化过程中，外界传给工质的微小热量
与工质的热力学温度T之比。
根据方程δq=Tds，因热力学温度T总是正值，所以，过程中工质的熵有无增减可以判断工质在可逆过程中是吸热、放热、还是绝热。
第二节 功和热量
一、容积功和p―v图
（一）功的定义
功的基本概念起源于力学。
其定义为力与沿力的方向所产生位移的乘积。
功的热力学定义：
“在没有质量传递的情况下，系统通过边界和外界之间发生相互作用时，如外界的唯一效果可以用升起重物来表示。
那么我们就说系统对外界作了功。
反之，如外界的唯一效果是降低重物，则外界对系统作了功”。
如图2-6所示，在气缸中有一定的质量的气体，当气体膨胀时，活塞右移，通过曲柄连杆机构使一重物升起。
功是能量传递的一种度量。
因此，我们不能说在某一状态下工质有多少功。
所以，功不是状态参数。
（二）功的单位
功的符号用W表示。
国际单位制中，功的单位采用J（焦耳）或kJ（千焦）。
在1J作用下产生1m位移时完成的功量，即
1J=1N·
m
单位质量的工质所作的功称为比功，用
表示。
单位为J／kg。
如mkg质量工质作了W的功，则：
J／kg（2-6）
单位时间内完成的功称为功率。
功率的单位为瓦特，代号为W（瓦）或kW（千瓦）。
1W=1J／s
lkW＝1kJ／s
（三）容积功
对于由可压缩流体组成的简单系统来说，系统与外界只交换一种形式的功，就是在不平衡压力推动下产生的系统容积膨胀或压缩的功，通常称为膨胀功或压缩功。
由于它们都是通过系统容积变化与外界交换的功量，故称为容积变化功。
设有一以气缸内壁与活塞端面为边界的热力系统，如图2-7所示，1kg工质在气缸内膨胀。
工质由状态1经过一可逆膨胀过程到状态2。
在p―v图上用过程曲线1-2表示。
设活塞面积为A。
当活塞移动一微小距离ds时，工质的容积相应地变化dv=Ads。
在此微元过程中，工质的压力p可看为不变，工质对活塞的作用力即为pA。
因为是可逆过程，所以作用在活塞上的外力与工质作用在活塞上的力是随时相等的。
这样，工质在微元过程中反抗外力所作的功为：
（2-7）
在1-2过程中工质所作的功为：
J／kg（2-8）
对mkg工质，则所作的功为：
W=m
=mwJ（2-9）
式（2-8）、式（2-9）为任意可逆过程容积变化功的表达式。
热力学中规定，系统对外界作功时，功值取为正，即膨胀功为正；
外界对系统作功时，功值取为负，即压缩功为负。
从p―v图上可见，积分
相当于过程曲线1-2下的面积1-2-3-4-1。
因此，工质在可逆过程中的功可以在p―v图上用过程曲线下的面积表示。
由此可见，功的大
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