第
一
章
热
力
学
基
础
知
识
第
二
章
热
力
学
第
一
定
律
第
三
章
理
想
气
体
的
热
力
性
质
及
基
本
热
力
过
程
第
四
章
热
力
学
第
二
定
律
第
五
章
水
蒸
气
第
六
章
蒸
气
的
流
动
第
七
章
蒸
气
的
动
力
循
环
工质和热力系、状态和基本
状态参数、平衡状态和热力
过程、功和热量
第一章 热力学基础知识
第一节 工质和热力系
一、工质
1.热机,能够将热能转变为机械能的设备
热能 机械能
2.工质,在热机中热能不断的转变为机械能所借助的
媒介物质
3.工质的选择,热力学中热能与机械能之间的相互转换
是通过物质的体积变化来实现的，常选气态物
质作为工质
媒介物质
(一 )、热 力系、外界和边界
1.热力系,具体制定的，用界面分离出来的研究对象。
2.外界,系统以外与之相关的所有有关物体
二、热力系
3.边界 (界面 ),系统与外界的分界面
界面的性质：它可以是 真实 的，也可以 假想 ；可以 固
定 也可以 移动
系统 与 外界 的作用都通过 边界
(二 )、闭口系和开口系、绝热系和孤立系
热力系 外界 物质交换 能量交换
物质流进和流
出热力系统
传热和作功两
种形式
1.热力系分类,
按热力系与外界进行物质交换的情况分,
闭口系,系统与外界无物质交换，即无物质穿过边界
开口系,系统与外界有物质交换，即有物质穿过边界
绝热系,系统与外界无热交换
孤立系,系统与外界无任何相互作用，既没有物质穿过边
界，也不与外界发生任何形式的能量交换。
绝对的绝热系和孤立系实际上不存在，是两种理想模型。某段时间
内与外界传热量很少，对于系统的能量传递和能量转换所起的作用
可忽略，就可看成绝热系；研究对象连同它直接相关的外界所有物
体一起取做新的热力系，就是一个孤立系。
第二节 状态和基本状态参数
一、状态与状态参数
1.状态,某一瞬间热力系所呈现的宏观物理状况
2.状态参数,描述工质状态的宏观物理量
3.状态参数的特征,
(1)、状态确定，则状态参数也 确定,反之亦然
(2),状态参数的积分特征,状态参数的变化量
与路径无关，只与初终态有关。数学表达式如下,
? ???? 21 12 xxdxx
式中,x1,x2分别代表两
种状态的状态参数
4.基本状态参数,常用的三个状态参数是压力、温度
和比体积，它们都是可以直接测量的物理量,
并且物理意义简单易懂
二、基本状态参数
(一 )、压力
1.压力,单位面积上所承受的垂直作用力，以 表示 p
A
Fp ?
注意,物理学,压强 压力
工程,压力 总压
对应
绝对压力
2.表压与真空,
工程上，工质的压力常用压力表或真空表来测量
测量压力的仪表通常处于大气环境中，不能直
接测量出绝对压力，显示的是绝对压力和当时
当地大气压的差值。
(1)表压力,当气体的绝对压力高于大气压力时，压
力计显示的绝对压力超出大气压力的部分。
表压力 =绝对压力 -大气压力
bg ppp ??
(2)真空度,当气体的绝对压力低于大气压力时，真空
计显示的绝对压力低于大气压力的部分。
真空度 =大气压力 -绝对压力 ppp
bv ??
要想知道气体的绝对压力，还要知道当时当地的
大气压力，然后通过上述公式进行计算。
bpp?
bpp?
pb
pg
p pv
p
如左侧图所示，如果大气
压力发生变化，即使工质
的绝对压力不变，测压计
的对数也会变，所以只有
绝对压力才是状态参数。
工程计算中，必须选取绝
对压力
3.压力的单位,
国际单位制中压力 的 单位, Pa,1 Pa=1 N/m2
1 MPa = 106Pa
常用单位,
1 atm (标准大气压 )= 760 mmHg(毫米汞柱 ) = 1.013?105 Pa
1 mmHg =133.3 Pa
1 at(工程大气压 )=735.6 mmHg = 9.80665?104 Pa
(二 )、温度
1.温度,标志物体冷热程度的物理量。其数值称为温标
摄氏温标：用 t表示，单位为 ℃
热力学 (开尔文或绝对 )温标：用 T表示，单位为 K
15.2 7 3?? Tt
可以看出两种温标的温差是相等的
(三 )、比体积
比体积,单位质量的物质所占有的体积，用 v表示。
m
Vv ?
式中 V—— 体积 ； m—— 质量。
比体积是表示物质内部分子疏密程度的状态参数。
比体积大 物质内部分子 间的距离大
比体积的倒数为 密度,用 表示 ?
第三节 平衡状态和热力过程
一、平衡状态、状态方程和参数坐标图
1.平衡状态,在 没有外界影响 的情况下，系统内工质
的宏观性质不随时间而变化的状态。
2.平衡状态的特性,
(1)工质个点相同的状态参数均匀一致，有确定的数值
(2)只有平衡状态下才可以用确定的状态参数来描述工
质的状态特性
3.状态方程,
描述热力系状态的各状态参数不都是独立的，不必给
出全部状态参数 。三个基本参数之间联系表示为,
0),,( ?Tvpf
这样的函数关系式就称为 状态方程 。具体形式取决
于工质的性质。
3.参数坐标图,热力学中为了分析问题的方便和直观，常采
用任意 两个独立参数 组成的一个平面直角坐标图。
p
v 0
p1
p2
v1 v2
1
2
此图为 p-v图，称为压容图，
图中每一点代表工质的某
一平衡状态。还有其他形
式的坐标图。
二、热力过程
热力过程,工质从一个平衡状态过渡到另一个平衡
状态所经历的全部状态的总和。
1.准平衡过程,工质从一个平衡状态连续经历一系列
平衡的中间状态过渡到另一个平衡状态。
准平衡过程的特点,由于热力系经历的过程中每一状
态均可称为平衡态，因而准平衡过程可在状态参数坐
标图中用连续曲线表示，称过程曲线；准平衡过程是
一种理想化的过程，是实际过程进行得足够缓慢的极
限情况，一切实际过程只能接近于准平衡过程，在工
程实际设备中进行的过程常常可作为准平衡过程。
2.可逆过程
(1)定义,当工质完成某一热力过程之后，若能沿原
来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始
状态而不留下任何痕迹。反之，为不可逆过程。
(2)可逆过程必须满足的条件,
过程必须是准平衡过程
作机械运动时不存在摩擦
传热无温差
可逆过程是热力学的抽象，实际过程是无法实现的，
但人们可以无限的接近它。研究可逆过程的目的，在
于抓主要矛盾，反映本质。把可逆过程作为实际过程
中能量转化效果的比较标准。在实际热力学计算中，
通常是把某一实际过程理想化为可逆过程计算，然后
引入必要的经验修正
第四节 功和热量
热力系在实施热力过程时，与外界发生能量交换只要
是作功和传热两种形式。功是热力系与外界交换机械
能的量度；热量是热力系与外界交换热能的量度。
一、气体的功与 p-v图
1.功,工在物理学中，把物体通过力的作用而传递的
能量称为功，功等于 力 F和物体 在力的作用方
向上的位移△ x的乘积，即
xFw ??
2.功的符号和单位,用符号 W表示，单位 J或 kJ。单位
物质所做的体积变化功用 w表示，单位 J/kg或 kJ/kg。
3.可逆过程的体积变化功和 p-v图,
(1)体积变化功用,可压缩系统通过体积的变化（膨
胀或压缩）来和外界交换的功量。
(2)规定,
系统 外界
功是传递过程中的一种能量形式。它是伴随着相互作
用而产生的，不是系统所含有的能量，所以我们不
能说一个系统具有多少功。
功量正
功量负
(3)功的计算,
?? 21 pdVW
单位工质,
?? 21 pdvw
可逆过程的比容变化功 w
的大小可以在 p-v图上
用过程曲线下面的面积
表示，如图所示。单位
质量气体的膨胀功为,
??? 2121 pdvw
功的大小不仅与过程的初、终状态有关，还与工
质所经历的过程有关，所以说功不是状态参数，
只是一个过程量。
二、热量功与 t-s图
1.热量,热力系与外界之间仅仅由于 温度不同 而通过
边界所传递的能量。
2.热量符号和单位,用符号 Q表示，单位 J或 kJ。单位
物质所做的体积变化功用 q表示，单位 J/kg或 kJ/kg。
是一个 过程量
系统吸热
系统放热
热量为正
热量为负
3.热量的计算和 T-s图,
?? 21 T d SQ
单位工质,
?? 21 Td sq
熵（ S）：状态参数，是可逆过程有无热量传递的标志
性参数。单位质量物质的熵称为比熵，用 s表示。比熵
增大,系统吸热；比熵减小，系统放热。
温熵图 T-s如图所示
T
S
Q
温熵 (示热 )图
熵的说明
1.熵 是 状态参数
3.熵的物理意义,熵 体现了 可逆过程
传热的 大小 与 方向
2.符号 规定
系统 吸热 时 为 正 Q > 0 dS > 0
系统 放热 时 为 负 Q < 0 dS < 0
4.用途,判断热量方向
计算可逆过程的传热量
热量与容积变化功
?? pdvw
能量传递方式 容积变化功 传热量
性质 过程量 过程量
推动力 压力 p 温度 T
标志 dV,dv dS,ds
公式 pdvw ?? T d sq ??
条件 准静态或可逆 可逆
?? T d sq
热力学第一定律的实质、熟练
应用热力学第一定律解决具体问题
第二章 热力学第一定律
第一节 热力学第一定律的实质
热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学上
的应用，确定了热能和机械能之间的相互转换的 数
量关系 。
热力学第一定律,热能 和 机械 能在转移和转换的过
程中，能量的总量必定守恒。
热 功 相应量
第一类永动机,不消耗能量而连续作功的设备
第二节 系统储存能
系统储存能
热力学能,取决于系统本身的状态，与系统
内工质的分子结构及微观运动形式有关
外储存能,系统工质与外力场的相互作用 (如
重力，位能 )；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 )。
一、热力学能
是指组成热力系的大量微观粒子本身所具有的能量，
由两部分组成,
内动能：分子热运动的动能
内位能：分子之间由于相互作用所形成的位能
热力学能,是指储存于热力系内部的能量。用 U表示，
单位是 J或 kJ，单位质量工质的热力学能称为 比热力
学能,用 u表示，单位是 J/kg或 kJ/Kg。
热力学能是工质的 状态参数,完全取决于工质的初
态和终态，与过程的途径无关。
二、外储存能
宏观动能,m — 物体质量； c — 运动速度
重力位能,Z — 相对于系统外的参考坐标
系的高度
2
2
1 mcE
k ?
m g ZE p ?
三、系统的总储存能
系统总储存能 (E)=热力学能 (U)+外储存能 (Ek+Ep)
单位质量工质的比储存能,
gZcuc ??? 221
比储存能为状态参数
对于 没有宏观运动 且 相对高度为零 的系统，总储存能就等
于热力学能
第三节 闭口系能量方程式
输入系统的能量 -输出系统的能量 =系统总储
存能量的变化
能量平衡关系式,
闭口系,系统与外界没有物质
交换，传递能量只有热量和功
量两种形式。在热力过程中
（如图）系统从外界热源取得
热量 Q；对外界做膨胀功 W；
12 EEWQ ???
对于 不做整体移动的闭口系,系统宏观动能和位
能均无变化，有,
WUQ ???
对于 微元过程,有,
WdUQ ?? ??
对于 单位质量工质,有,
wduqwuq ?? ?????,
各项正负号的规定,吸热和对外作功为 正,
放热和外界对系统作功为 负
热力系吸
收的能量
增加系统的热力学能
对外膨胀作功
热能转变为机械能
的根本途径
热力系吸
收的能量
增加系统的热力学能
对外膨胀作功
第四节 状态参数焓
一、推动功
推动功,开口系统与外界之间因为工质流动而传递
的机械功。对于单位质量工质，推动功等于 pv。
流动净功,出口处付出的
推动功与入口处得到的推
动功的差。流动功可以理
解为开口系统维持流动所
要付出的代价。
二、焓
对于 m千克工质,
pVUH ??
?焓的 定义式,焓 =内能 +流动功
?焓的物理意义,
1.对 流动 工质 (开口 系统 )，表示沿流动方向传递
的总能量中,取决于 热力状态 的那部分能量,
思考,特别的对理想气体 h= f (T)
对于 1千克工质,h=u+ p v
2,对 不流动 工质 (闭口 系统 )，焓只是一个 复合状态
参数
第五节 开口系稳定流动的能量方
程及其应用
一、稳定流动的
能量方程
?Wnet
?Q
?min
?mout
uin
uout
gzin
gzout
2
2
1
mc
2
2
1
mc
稳定流动
工程上常用的热工设备，除启动、停止或者加减负荷
外，大部分时间是在外界影响不变的条件下稳定运行
的，可以认为处于稳态稳定流动状态。
1.定义, 开口系统内任意点工质的状态都不随时间而
变化的流动过程。
2.实现稳定流动的必要条件,
（ 1）进、出口截面处工质的状态不随时间而变；
（ 2）单位时间系统与外界交换的热量和功量都不随
时间而变；
（ 3）各流通截面上工质的质量流量相等，且不随时
间而改变。
3.轴功,通过机械轴和外界交换的功称为轴功，用 Ws表示。
进入系统的能量,
)2( 1
2
1
1 gz
chmQ ???
离开系统的能量,
)2( 2
2
2
2 gz
chmW
s ???
由于是稳定流动，系统储存能的变化量为 0。代入能量平衡方
程式，可得开口系统稳定流动能量方程,
sWzzgcchhmQ ??????? )]()(2
1)[(
12
2
1
2
212
单位质量工质,
swzgchq ???????
2
2
1
在上式中，后三项实际上都属于机械能，故把此三项合并在一
起称技术功（ Wt）。
单位质量工质,
st wzgcw ?????
2
2
1
故开口系统的稳定流动能量方程还可以写为,
twhq ???可逆过程技术功的大小可以在 p-v图上用过程线以左和纵坐标围
成的面积表示。
理想气体的热力性质
理想气体状态参数间的关系
理想气体比热
第三章 理想气体的热力
性质及基本热力过程
第一节 理想气体及其状态方程
一、实际气体与理想气体
1.理想气体, 是一种假象的气体模型，气体分子是一些弹性的、
不占体积的质点，分子之间没有相互作用力。工程中常用的氧
气、氮气、氢气、一氧化碳等及其混合气体、燃气、烟气等工
质，在通常使用的温度、压力下都可作为理想气体处理。
2.实际气体,不符合上述理想气体两个微观假设条件的，则称为
实际气体。如：水蒸气、氟里昂蒸汽、氨蒸汽等，它们距离液
体较近，不能忽略分子本身的体积和分子间的作用力。
二、理想气体 状态方程
大量实验证明，理想气体的三个基本状态参数间存在着一定的
函数关系,
1kg,
mkg,
1mol,
nmol,
RTpv ?
m R Tpv ?
TRpV M 0?
TnRpV 0?
R0为通用气体常数，与气体种类及状态无关, R0＝ 8314J/(kmol·K)。
R为气体常数，与气体种类有关,
MM
RR 83140 ??
第二节 理想气体的比热容
一、比热容的定义及单位
1.比热容,单位物量的物体，温度升高 1K所吸收的热
量，用 c表示。
2.比热容分类,
质量比热,单位质量物质的热容量，用 c表示，单位为 J/(kg·K)；
摩尔比热,单位 mol物质的热容量，用 Cm表示，单位 J/(mol·K)；
容积比热,标准状态下单位质量物质的热容量，用 c’表示，单
位为 J/(m3·K)；
ccMC m ????? 4.22
二、影响比热容的因素
过程特性对和温度比热容的影响,
一定量的物质在吸收或放出热量时，其温度变化的大小取决于
工质的性质、数量和所经历的过程。经验表明，同一种气体在
不同条件下，如在保存容积不变或压力不变的条件下加热，同
样温度升高 1K所需的热量是不同的。
定容比热容 (cv),在定容情况下，单位物量的气体，温度升高
1K所吸收的热量。
定压比热容（ cp）,在定压情况下，单位物量的气体，温度升高
1K所吸收的热量。
气体在定压下受热时，由于温度升高的同时，还要克服外力膨胀
做功，而在定容过程中，并不膨胀对外做功，故同样升高 1K，
定压时比定容下受热需要更多的热量，也就意味着定压比热比定
容比热大。
对于理想气体,
Rcc vp ??
比热容比 к,
v
p
c
c
k ?
三、利用比热容计算热量的方法
当气体的种类和加热过程确定后，比热容就只随温度的变
化而变化。可得,
c d Tq ??
1.用定值比热容计算热量,精度要求不高时，忽略温度对比热容
的影响，取比热容为定值，称为定值比热容
对于理想气体，凡分子中原子数目相同的气体，其千摩
尔比热容相同且为定值。这样定值质量比热容和定值容
积比热容可求。
对于 mkg质量气体，所需热量为,
对于标准状态下 V0气体，所需热量为,
)( 12 TTmcQ ??
)( 120 TTcVQ ???
2.用平均比热容计算热量,温度很高时，比热容变化较明显,
常利用平均比热容来计算热量。
平均比热容,是指在一定温度范围内真实比热容的平均值，即一
定温度范围内单位数量气体吸收或放出的热量与该温度差的比值
12
2
1 tt
qc t
t ?
?
tcq t ?? 0
热量计算式,
对于 mkg质量气体，所需热量为,
)( 1020 12 tctcmQ tt ????
对于标准状态下 V0气体，所需热量为,
)( 10200 12 tctcVQ tt ??????
第三节 理想气体热力学能、焓
和熵变化的计算
一、理想气体的热力学能
理想气体的内能和焓是温度的单值函数，这就意味着某种理想
气体，不论其在过程中比容或压力如何变化，只要变化前后温
度相同，其内能和焓的变化量也必然相同。
对于可逆过程,
对定容过程,
当采用定值比热容时,
pdvduq ???
dTcdu V?
Tcu V ???
二、理想气体的焓
理想气体的焓也仅仅是温度的函数。
对于压力不变的可逆过程,
对定压过程,
当采用定值比热容时，有,
v d pdhq ???
dTcdh p?
Tch p ???
三、理想气体定压比热容与定容比热容的关系
gVp Rcc ??
迈耶公式,
将上式乘以千摩尔质量,
RCCMRMcMc mVmpgVp ????,,,
令,称为比热比或等熵指数 kcc
Vp ?/
四、理想气体的熵
1
lnln 2
1
2
v
vR
T
Tcs
v ???
1
2
1
2 lnln
p
pR
T
Tcs
p ???
1
2
1
2 lnln
v
vc
p
pcs
pv ???
（定值比热容）
（定值比热容）
（定值比热容）
内能、焓和熵为状态参数，只与初终状态有关，与中间过程无关，
故理想气体无论经历什么过程，包括不可逆过程，只要过程的初
态、终态参数确定，比热容可以取定值，则都可以用以上各式计
算变化量。
第四节 理想气体的混合物
一、分压力定律和分容积定律
1.理想混合气体,如果混合气体中各组成气体都具有理想气体的
性质，则整个混合气体也具有理想气体的性质，其状态参数间
的关系也符合理想气体状态方程式，这样的混合气体称为理想
混合气体。
2.分压力和道尔顿分压力定律,
(1)分压力,混合气体中每一种组元的分子都会撞击容器壁，从
而产生各自的压力。在与混合气体相同的温度下，各组成气体
单独占有混合气体的容积时，给予容器壁的压力。
(2)分压力定律,理想混合气体的总压力等于各组成气体分压力
之总和。
?
?
????????
n
i
in ppppp
1
21
3.分容积和分容积定律,
(1)分容积,使各组成气体保持与混合气体相同的压力和温度的
条件下，把各组成气体单独分离出来时，各组成气体所占有的
容积。
(2)分容积定律,理想混合气体的分容积之和等于混合气体的总
容积。
?
?
????????
n
i
in VVVVV
1
21
二、理想气体混合物的成分
1.质量分数,
iw
m
mw i
i ?
?
?
??????
n
i
in wwww
1
21
2.容积分数, i?
V
Vi
i ??
?
?
??????
n
i
in
1
21 ????
3.摩尔分数,
ix
n
nx i
i ?
?
?
??????
n
i
in xxxx
1
21
1〉 容积分数和摩尔分数相等
2〉 质量分数与容积分数的换算关系为,
M
M
M
Mxw i
i
i
ii ???
三、折合千摩尔质量与折合气体常数
折合千摩尔质量或平均千摩尔质量,混合物的总质量与混合
物总摩尔数的比
??
?
??
? ????
n
i
ii
n
i
ii
n
i
ii
eq MMxn
Mn
n
mM
11
1 ?
折合气体常数,
eq
eqg MR
8314
,?
四、分压力的确定
理想气体某组元的分压力,
ppVVp iii ???
五、混合气体的热量计算
关键是求出混合气体的比热容的值。
1.利用质量分数计算混合气体的质量比热容
?
?
?
n
i
ii cwc
1
2.利用容积分数计算混合气体的容积比热容
?
?
???
n
i
ii cc
1
?
第五节 理想气体的基本热力过程
一、研究热力过程的目的和方法
1.研究目的
(1).确定工质的状态变化规律；
(2).确定过程中能量传递和转换的情况。
2.研究方法
(1).根据过程特点，列出过程方程式；
(2).建立基本状态参数间的关系式；
(3).在 p－ v图,T－ s图上绘出过程曲线；
(4).计算△ u，△ h，△ s；
(5).计算过程中的能量传递、转换量,q,w,wt。
二、四个基本热力过程
(一 )、定容过程
等容过程是工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。
1.过程方程式,v = 定值
2.基本状态参数间的关系式,
21 vv ?
及
1
2
1
2
T
T
p
p ?
3.功量与热量的分析计算,
定容过程不做膨胀功，即
? ?? 21 0pdvw
定容过程的技术功,
? ???? 21 21 )( ppvp d vw t
4.过程曲线,
定容过程的 p-v 图 T-s图
p
v 0
1
2′
2 T
s 0
2′
2
1
(二 )、定压过程
定压过程是工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。
1.过程方程式,p = 定值
2.基本状态参数间的关系式,
1
2
1
2
T
T
v
v ?
3.功量与热量的分析计算,
膨胀功为
? ??? 21 12 )( vvpp d vw
对理想气体可写成,
)()( 1212 TTRvvpw ????
定压过程技术功,
? ??? 21 0v d pw t
p
v 0
1 2 2′
4.过程曲线,
定容过程的 p-v 图 T-s图
T
s 0
2′
1
2 定 v线
定 p线
(三 )、定温过程
定温过程是工质在变化过程中温度保持不变的热力过程。
1.过程方程式,T = 定值
2.基本状态参数间的关系式,
2211 vpvp ?
3.功量与热量的分析计算,
膨胀功为
2
1
1
22
1
lnln ppRTvvpvpdvw ??? ?
定压过程技术功,
qw t ?
4.过程曲线,
定容过程的 p-v 图 T-s图
p
v 0
1
2
2′ T
s 0
1 2 2′
(四 )、定熵过程
定熵过程是可逆绝热的热力过程为定熵过程。
1.过程方程式,
单原子气体 k=1.66
双原子气体 k=1.4
多原子气体 k=1.33
2.基本状态参数间的关系式,
常数?kpv
k
k
kk
p
p
v
v
v
v
p
p 1
1
2
1
21
2
1
1
2
2
1
1
2 )(
T
T)(
T
T)( ?? ??? 或或
3.功量与热量的分析计算,
膨胀功为
21 uuuuqw ????????
定压过程技术功,
21 hhhhqw t ????????
4.过程曲线,
定容过程的 p-v 图 T-s图
p
v 0
1
2
2′ T
s 0
1
2′
2
定 T线
热力学第二定律，卡诺循环，
卡诺定理 。
第四章 热力学第二定律
第一节 热力循环
循环：工质从某一状态出发，经过一系列的状态变化后又
回到初态的热力过程，称为循环。
1、可逆循环,如果组成循环的全部热力过程都是可逆过程。
2、不可逆循环,如果组成循环的热力过程包含有不可逆过程。
一、正向循环
正向循环的任务是将热变为功，也称为热机循环。
p
v 0
2
1 T
0 3 4
a
b 2
1
3 4
a′
b′
热效率,
二、逆向循环
逆向循环是指循环中压缩过程所消耗的功大于
膨胀过程所作的功，循环的总效果不是产生功而是
消耗外界功。如图所示,
0 12
11
t
w QQ
QQ?
???
v 0
2
3 4
d
c
第二节 热力学第二定律
一、自发过程的方向性和不可逆性
经验告诉我们，自然界发生的许多过程是有方向性的。例如,
1.热可以自发地从高温物体传到低温物体，但却不能自发地从低温物体传到高温；
2.气体自发向真空膨胀，但却不能自发压缩，空出一个空间；
3.两种气体可自发地混合，却不可自发地分离；
自发过程,不需任何外界作用而可以自动进行的过程。
非自发过程,没有外界作用的情况下不能自动进行的过程。
自然界的一切自发过程都是具有方向性和不可逆性的,热力过程总是朝着一个方
向自发进行而不能自发地反向进行。非自发过程可以进行，但其进行必须以
一定的补偿条件作为代价。
二、热力学第二定律的实质
能量是有品质高低之分的。 如：机械能的品质高于热能；高温热能的品质高于低
温热能。
定律的实质：能量贬值原理,也就是说在能量的传递与转化的过程中，能量的品
质只能降低不能提高。
三、表述
,热二”有各种各样的说法，最常见的两种是,
克劳修斯说法（ 1850）：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。
开尔文说法（ 1851）：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功，而不引起
其它变化。
无论有多少种不同的说法，它们都反映了客观事物的一个共同本质，即自然界的
一切自发过程有方向性。
第三节 卡诺循环与卡诺定理
一、卡诺循环及其热效率
卡诺循环是 1824年法国青年工程师卡诺
提出的一种理想的有重要理论意义的可逆热
机的可逆循环。
1.卡诺循环的组成
它是工作于两个热源间的，由两个可
逆等温过程和两个可逆绝热过程所组成的
可逆正向循环。
2.卡诺循环的热效率,
1
2
1
2
1
0 11
T
T
q
q
q
w
ct ?????，?
二、卡诺定理
定理一,在两个温度不同的恒温热源之间工作的一切可逆热
机，都具有相同的热效率，且与工质性质无关。
定理二,在两个温度不同的恒温热源之间工作的一切可逆热
机的热效率恒高于不可逆热机的热效率。
结论,
（ 1）热效率 η t,c与工质的性质无关，只取决于高温热源的温
度 T1与低温热源的温度 T2。
（ 2）提高 T1，降低 T2，可以使卡诺循环的热效率提高。
（ 3）热效率 η t,c总是小于 1，也就是说不可能通过热机循环
将热能全部转换为机械能。
（ 4） T1＝ T2时,η t,c＝ 0，说明没有温差是不可能连续不断地
将热能转换为机械能的。
三,逆卡诺循环
1、逆卡诺循环,是逆向进行的卡诺循环。
2、作用效果,消耗机械能，从低温热源吸收热量，向高温热源放
出热量。
制冷系数,
供热系数,
结论,
1.制冷系数和供热系数只取决于高温热源和低温热源的温度，与工
质无关。
2.提高 T2，降低 T1，可以使制冷系数和供热系数提高。
3.供热系数总是大于 1，制冷系数可以大于、等于、小于 1。
4.逆卡诺循环可分别用来制冷或供热，也可以联合交替进行。
21
2
0
2,1 TT Twqc ????
21
1
0
1,2
TT
T
w
q
c ????
第四节 孤立系统熵增原理
一、克劳修斯积分
自然界的物质发生的一切自发变化过程都是不可逆的，而且都是等
效的，因此这些过程存在着某种内在的联系，有一个共同的本
质的东西在起作用，为了定量地描述这一本质的特征,1865年，
克劳修斯在前人工作的基础上，提出了著名的克劳修斯积分,
式中 Tr是热源的温度值。
一切可逆循环的克劳修斯积分等于零，一切不可逆循环的
克劳修斯积分小于零,
任何循环的克劳修斯积分都不会大于零。 我们可以利用
0??
rT
Q?
? rTQ?
二、熵
闭口系统熵方程,
1.△ Sf是由于系统与外界发生热交换，热流引起的熵的变化，称为
熵流 。
系统吸热，△ Sf＞ 0；系统放热，△ Sf＜ 0；系统绝热，△ Sf＝ 0。
2.△ Sg是由于不可逆因素的存在而引起的熵的增加，称为 熵产 。
对于不可逆过程，△ Sg＞ 0；对于可逆过程，△ Sg＝ 0。
熵产过程不可逆性大小的度量与表征。不可逆性越大，熵产也越大。
三、孤立系统熵增原理
在孤立系统内，一切实际过程（即不可逆过程）都朝着使
系统熵增大的方向进行，在极限情况（可逆过程）下，系统的
熵保持不变。即,
gf SSS ?????
应用：设某热机通过工质进行一个循环，从热源吸热
Q1，向冷源放热 Q2，对外作功 W，把热源、冷源、工
质、热机划为一个孤立系统，则,
热源的熵变,（热源放出热量给工质，熵减少）
工质的熵变,（经过一个循环，工质的熵不变）
冷源的熵变,（冷源吸收热量，熵增大）
0?? i s oS
201 SSSS i s o ???????
1
11 TQS ???
? ??? 00 dsS
2
22 TQS ??
进行一个循环后,
可逆时,
不可逆时,
2
2
1
1
2
2
1
1 0
T
Q
T
Q
T
Q
T
QS
i s o ????????
2
2
1
1
T
Q
T
Q ?
2
2
1
1 TQTQ ?
→
0?? isoS
0?? isoS →
第五节 热量的作功能力
热力学第二定律实质上说明了在转变为功的能力
方面，各种形式的能的转换能力是不同的，并不
都具有可用性。。机械能可以全部转变为功具有
完全可用性，热能不具有完全可用性。
热能所转换为功的最高极限为,
我们将其称之为 热量的作功能力 或 可用能
其余部分称之为 废热 或 无效能
)1(
1
0
,T
TQQQ
cta ???? ?
热量作功损失与孤立系熵增之间的关系为,
siSTI,0 ???
当孤立系统内实施某不可逆过程时，不可逆因素造
成了能量品质的下降，使孤立系统的总熵增加。故
孤立系的熵增量可作为过程不可逆所导致的可用能
减少的量度，是系统不可以程度的量度。
水蒸汽的定压形成过程，水
蒸汽图表查参数。
第五章 水蒸气
第一节 水蒸气的饱和状态
一、水蒸气的饱和状态
1、汽化和液化
（ 1）汽化
物质从液态变为气态的相变过程，有蒸发和
沸腾两种方式,
? 蒸发,液体表面的汽化过程，任何温度下都可
以发生。
? 沸腾,液体内部的汽化过程，只能在达到沸点
温度时才发生。
汽化速度的大小取决于液体温度的高低；凝
结速度的大小取决于蒸汽的压力。
（ 2）液化
物质从气态变为液态的相变过程，也称为凝结。
液化与汽化是物质相变的两种相反过程。
二、饱和状态
饱和状态：水蒸汽在密闭容器中，汽、液两相平衡共
存的状态。此时的平衡共存其实是一种汽化速度和凝结速
度相等的动态平衡。
工质处于饱和状态时的压力和温度分别称为饱和压
力与饱和温度。饱和温度和饱和压力是一一对应的关系，
饱和压力愈高，对应的饱和温度也愈高。
第二节 水蒸气的定压产生过程
一、水蒸气的定压产生过程
工程上所用的水蒸气是由锅炉在压力不变的情况下
产生的，水蒸气的发生过程，即是水的定压汽化过程。
在此过程中，工质会经过三个阶段、五种状态的变化。
1、预热阶段
预热阶段：即由未饱和水加热为相应压力下的饱和
水。液体热,
未饱和水：当水温低于饱和温度时的水。
饱和水：水温达到压力 p所对应的饱和温度 ts 时的水。
01 ' hhq ??
2、汽化阶段
由饱和水加热为饱和蒸汽的阶段称为汽化阶段。
湿饱和蒸汽,对饱和水继续加热，饱和水开始沸腾，
在定温下产生蒸汽而形成的饱和液体和饱和蒸汽的混合物。
干饱和蒸汽,继续加热，直至水全部变为蒸汽，此
时的蒸汽温度等于压力 p所对应的饱和温度 ts。
汽化阶段，二相中的含量在变化，为了说明湿蒸气中干
饱和蒸气所占的百分比，引入干度（ x）,
即湿蒸气中干饱和蒸气所占的质量百分比。 x＝ 0为饱和
水； x＝ 1为干饱和蒸气。
汽化潜热,
)/( wvv mmmx ??
'''1 hhq ??
3、过热阶段
过热阶段,由饱和蒸汽加热为过热蒸汽的阶段。
过热蒸汽,对干饱和蒸汽继续定压加热，则蒸汽的温度自
饱和温度起往上升高，温度已经超过相应压力下的饱和温度的蒸汽
称为过热蒸汽。
过热度,
过热热,
sttD ??
''hhq s ??
二、水蒸气的 P-V图与 T-S图
在表示水蒸气各种状态的 p-v图与 T-s图上，可归结为
一点两线三区五态,
一点,临界点（饱和水线与干饱和蒸汽线的交点 c）；
两线,饱和水线（下界线） C-B与干饱和蒸汽线（上界线）
C-D；
三区,未饱和水区（液相区）、湿蒸汽区（汽液两相区）和
过热蒸汽区（气相区）；
五态,未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽。
临界点,Pc=22.064MPa,tc=374℃, Vc=0.003106m3/kg,
临界点
饱和气线
三相线
p
v
T
饱和液线
第三节 水蒸气图表
一、水蒸气热力性质表
1.计算基准点
国际规定：水的三相点的液相水为基准点。
2.饱和水和饱和蒸汽表
表一：见 P206附录 5,6，分别按温度、压力排序；
3.未饱和水和过热蒸汽表
表二：见 P207附录 7，粗线左下侧为未饱和水，右
上侧为过热蒸气。
二、水蒸气焓－熵图（ h－ s图）
见附图，由上界线、下界线及定压线群，定温线
群，定容线群、定干度线群组成。
焓 熵 图
s
C
pC h
三、水蒸气图、表的应用
1.已知某状态任意两个独立参数（ p,v,t,u,h,s,x）就
能查出其余各参数，并可判别工质的状态。
2.分析计算热力过程中工质的状态变化及与外界的能量交换。
分析计算的一般步骤,
（ 1）已知任意两个初态参数，查出其它各初态参数（ p1,v1，
t1,u1,h1,s1,x1）。
（ 2）根据过程条件（定压、定温、定熵、定容）及终态的一
个参数，查得终态各参数（ p2,v2,t2,u2,h2,s2,x2）。
（ 3）根据初终态参数及过程条件计算能量交换。（注意：
根据取的系统为开口系统还是闭口系统，选用相应的“热
－”“热二”）
（ 4）将过程表示在状态图上（ p-v,T-s,h-s? ）。
表二：见 P208附录 6，按压力排序。
第四节 水蒸气的基本热力过程
一、定压过程
定压过程是蒸汽动力装置循环中实施得
最普遍的过程，锅炉个换热器内的吸热过程、
给水在回热加热器内的加热过程、凝汽器内
的加热过程、放热过程等均可看成可逆定压
过程。
定压过程的热量等于
12 hhq ??
二、绝热过程
绝热过程也是蒸汽动力装置循环中实施得
较普遍的过程，如水蒸气在汽轮机内的膨胀过
程、水在水泵中的升压过程等都是绝热过程。
绝热过程的技术功等于
21 hhq ??
第五节 湿蒸气
一、湿空气与干空气
1、干空气,空气中水蒸汽以外的所有气体。
2、湿空气
可以看作干空气和水蒸气的混合物。但由
于湿空气中的水蒸气在一定条件下有相变，所
以湿空气是一种特殊的理想混合气体。
湿空气的总压力等于干空气和水蒸气的分
压力之和，即大气压力,
汽干 PPP b ??
二、未饱和湿空气、饱和湿空气与露点
1、未饱和湿空气
若湿空气中的水蒸气处于过热蒸汽状态，称
为未饱和湿空气。自然界中的空气大都处于未饱
和湿空气状态。通常水蒸气的分压力只有
20~30mmHg。
2、饱和湿空气
由饱和水蒸气和干空气组成的湿空气称为饱
和湿空气，饱和湿空气中水蒸气的含量达到最大，
不再具有吸湿能力。
3、露点
是指湿空气中水蒸气的分压力所对应的饱和
温度。露点温度对锅炉的设计和运行有重要的实
际意义。
三、绝对湿度和相对湿度
1、绝对湿度
1m3湿空气中所含有的水蒸气质量，用 ρ v表
示。
2、相对湿度
湿空气的实际绝对湿度与同温度下可能达
到的最大绝对湿度的比值，用 φ 表示。
φ 愈小，表明湿空气愈干燥、吸取水蒸气的
能力愈强。 φ 愈大，湿空气愈潮湿，吸取水蒸
气的能力愈小。当 φ ＝ 0时，即为干空气；当 φ
＝ 1时，为饱和湿空气。
ss
v pv???? ??
第六章 蒸气的流动
本章重点
? 工质稳定流动的基本方程式，工质在
喷管中的定熵流动，绝热节流及其应用。
第一节 稳定流动的基本方程式
稳定流动是只开口系统内每一点的热力参数与
运动参数都不随时间变化的流动过程。本章只讨论
一维稳定流动，即管道内垂直于轴向的任一截面上
的各种参数值都均匀一致，流体参数只沿管道轴向
或流动方向发生变化。
一、连续性方程式
由质量守恒定律知，在稳定流动过程中，流道内
各截面处的质量流量都相等,
此式适用于任何工质的可逆或不可逆的稳定流动
过程。
22 221 111 mm qv cAv cAq ???
二、稳定流动的能量方程式
根据热力学第一定律等出稳定流动的能量方程式为,
也可表示为,
不作轴功的绝热稳定流动过程中，工质动能的增加
等于其焓降。
21
2
1
2
2 )(2
1 hhcc ???
2222211 212121 chchch ?????
二、过程方程式
工质在管内绝热稳定流动时，若忽略摩擦
和扰动，则可视为可逆绝热流动，过程方程式
为,
过热蒸汽,k=1.30
干饱和蒸汽,k=1.135
湿饱和蒸汽,k=1.035+0.1x
常数?kpv
第二节 工质在喷管中的定熵流动
一、声速和马赫数
1、音速,声音（即微小振动）的传播速度。
当地声速,某一特定状态（如 p,v,t时）下的声速，
用 a表示。
2,马赫数,流体速度
根据马赫数的大小，将流动分为三种,
M＜ 1，即 c＜ a，为亚音速流动；
M＞ 1，即 c＞ a，为超音速流动；
M＝ 1，即 c＝ a，为音速流动或临界流动。
二、流速变化和压力变化的关系
二、流速变化和喷管截面变化的关系
对定熵过程，可推得,cdc=-vdp
气流速度增加 (dc>0)，必导致气体的压力下降 (dp<0)，这就
是喷管中的流动特征。气体速度下降 (dc<0)，则将导致气体的压
力升高 (dp>0)，这就是扩压管中的流动特征。
喷管截面与流速变化关系式,
1、喷管（降压增速）
渐缩喷管,当进入喷管的气流速度是 M＜ 1的亚声速气流时，则沿气
流方向喷管截面积必须逐渐缩小。
渐扩喷管,当进入喷管的气流是 M＞ 1的超音速气流时，则沿气流方
向喷管截面逐渐扩大。
渐缩渐扩喷管,将 M＜ 1的亚声速气流增大到成为 M＞ 1的超声速气流，
则喷管截面由逐渐缩小转为逐渐扩大。收缩与扩张之间的最小截
面处称为喉部。
c
dcM
A
dA a )1( 2 ??
2、扩压管（减速增压）
渐缩扩压管,当进入扩压管的气流速度是 M
＞ 1的超声速气流时，则沿气流方向扩压
管的截面积应逐渐缩小。
渐扩扩压管,当进入扩压管的气流是 M＜ 1的
亚声速气流时，则气流方向扩压管的截面
积应逐渐扩大。
渐缩渐扩扩压管,气流的速度在扩压管中由
M＞ 1的超声速一直降低到 M＜ 1的亚声速，
则扩压管截面由逐渐缩小转为逐渐扩大。
三、临界参数
临界截面,Ma＜ 1的涯声速流动与 Ma＞ 1的
超声速流动的转折点，又称喉部。此处的参数
称为临界参数。
临界流速是渐缩喷管可能达到的 最大出口
速度,也是缩放性喷管喉部的速度。
理想气体的临界流速,
000 1212 RTvpc c ???? ?
?
?
?
第三节 喷管的计算
一、流量计算
1.渐缩喷管,如出口截面处的流速为 v2，比
容为 c2，出口截面积为 f2，则由连续性方
程可得,
2 22v cfm ?
㎏ /s
最大流量为,
c
c
v
cfm 2
m a x ?
㎏ /s
2,渐缩渐扩喷管,
c
c
v
cfm m i n
m a x ? ㎏ /s
二、临界压力比
临界压力 Pcr与进口压力 P1之比为临界压力比。
过热蒸汽,
干饱和蒸汽,
1p
pcr
?cr?
5 4 6.0?cr?
5 7 7.0?cr?
三、流速的计算
出口流速,
临界流速,
212 72.44 hhc ??
cc hhc ?? 172.44
四、喷管内有摩擦阻力的绝热流动
速度系数,
2
2'
c
c
??
第四节 绝热节流及其应用
一、绝热节流的概念
流体在管道中流过突然缩小的截面，而又未及
与外界进行热量交换的过程。
二、绝热节流的一般分析
1、过程的基本特性
h1＝ h2
2、节流过程分析
1,理想气体, 节流后，焓不变、温度不变、
压力降低、比容增大，由于是不可逆绝热
过程，节流后熵的值增大。
2,实际气体,节流前后焓不变，但温度有
三种可能，即升高、不变或降低。
绝热节流引起的温度变化，称绝热节
流 温度效应 。节流后温度升高，称为热效
应；节流后温度降低，称为冷效应；节流
前后温度不变，称为零效应，所有理想气
体都是零效应。
三、实际应用
1、利用节流降低工质的压力
2、利用节流测定蒸汽的流量
3、利用节流减少汽轮机汽封系统的蒸汽泄漏
量。
利用节流调节汽轮机的功率
第七章 蒸汽动力循环
本章重点
? 朗肯循环、蒸汽参数对循环热效率的影响，
再热循环、回热循环、热电合供循环。
第一节 朗肯循环
一、朗肯循环
1、装置示意图
进行朗肯循环的蒸汽动力装置包括锅炉、汽
轮机、凝汽器和给水泵等四部分主要设备。如图
所示。
二,T-S图
三、工作流程
朗肯循环的工作流程,
3’ -4-5-1 水在蒸汽锅炉中定压预热、汽化
并过热，变成过热蒸汽；
1-2 过热水蒸汽在汽轮机内的定熵膨胀过程；
2-3 湿蒸汽在凝汽器内的定压定温冷却凝结
放热过程；
3-3’ 凝结水在水泵中的定熵压缩过程。
四、朗肯循环的热经济性指标
1、热效率
1kg水蒸汽在流经汽轮机的定熵膨胀过程 1-2中所做的理
论轴功为,ws.t=h1－ h2
水泵中定熵压缩过程 3-3’消耗功为,
ws.p=h3’－ h3=v3(p1-p2)
蒸汽在定压过 3’-1中从锅炉吸收的热量,q1 =h1－ h3’
乏气在定压凝结过程 2-3中向冷凝器放出的热量,q2 = h2－
h3
循环热效率
'31
32'31
1
0 )()(
hh
hhhh
q
w
t ?
??????
通常水泵消耗功与汽轮机做功量相比很小，
可忽略不计，故 h3＝ h3’
朗肯循环热效率简化为
31
21
hh
hh
t ?
???
2、汽耗率
汽耗率指的是每产生 1KWh的功（ 3600KJ）
需要消耗多少 Kg的蒸汽量，用 d表示。
210
3 6 0 03 6 0 0
hhwd ???
第二节 蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响
卡诺循环给我们指出了提高热机热效率的根
本途径，为便于分析，我们引入平均吸热温度的
概念。
如图所示，以一个等效的卡诺循环 2-3-9-8-2
代替郎肯循环 1-2-3-4-1，则平均吸热温度为,
于是等效卡诺循环热效率为,
故提高郎肯循环热效率的基本途径是提高平均
吸热温度及降低放热温度，可以采取以下措施,
一,提高蒸汽初温度
保持初压、终压不变，蒸汽初温由 T1提高到
T1’,可以看出新循环的平均吸热温度提高了，故
而提高了热效率。
76
1
3
1 ss
Td s
T m ?? ?
1
21
m
t T
T???
提高蒸汽初温度 T1的 T-S图如下
二,提高蒸汽初压力
保持初始温度及终压力不变，将初压由 p1提高
到 p1’,由图中可以看出，新循环的平均吸热温度
增高了，所以热效率得到了提高。但随着初压的提
高，乏汽的干度变大，对汽轮机的运行不利。
三、降低排汽压力
初参数不变而将终压 p2降低至 p2’,相应的放
热温度降低，因而提高了循环的热效率。然而终
压的数值主要取决于冷却水的温度，并不能任意
降低。
第三节 再热循环
一、再热循环的装置系统图和 T-S 图
二、再热循环工作原理
从图可以看出，再热部分实际上相当于在原来
的郎肯循环的基础上增加了一个新的循环。一般而
言，采用再热循环可以提高 3%左右的热效率。
三、再热循环经济性指标的计算
1、热效率
2、汽耗率
)6'1'21
'2'161
1
0
()(
)()(
hhhh
hhhh
q
w
t ???
??????
)()(
3 6 0 03 6 0 0
'2'1610 hhhhw
d ?????
四、再热循环分析
1、采用再热循环后，可明显提高汽轮机排
汽干度，增强了汽轮机工作的安全性；
2、采用再热循环后，可明显提高循环热效
率；
3、采用再热循环后，可明显降低汽耗率；
4、因要增设再热管道、阀门等设备，采用
再热循环要增加电厂的投资，故我国规定
单机容量在 125MW及以上机组才采用此循环。
第四节 回热循环
一、回热循环的装置系统图和 T-S 图
分析朗肯循环，导致平均吸热温度不过的原
因是水的预热过程温度较低，故设法使吸热过程
不包括这一段水的预热过程，提出了回热循环。
回热是指从汽轮机的适当部位抽出尚未完全
膨胀的压力、温度相对较高的少量蒸汽，去回热
器中加热低温冷凝水。这部分抽汽未经凝汽器，
因而没有向冷源放热，但是加热了冷凝水，达到
了回热的目的，这种循环称为抽汽回热循环。
二、一级抽汽回热循环的热经济指标
1、抽汽率
进入汽轮机的 1Kg蒸汽中所抽出的蒸汽量叫抽
汽率，用 a表示。
2、热效率
3、汽耗率
'20
'2'0
hh
hha
?
???
'01
2001
1
0 ))(1()(
hh
hhahh
q
w
t ?
???????
k w hkghhahhwd /))(1()( 3 6 0 03 6 0 0
20010 ????
??
三、回热循环的分析
1、与相同参数的朗肯循环相比，回热循环提高的给水的温度，
使循环的平均吸热温度得到了提高,从而提高了循环的热效率；
2、由于给水温度提高，锅炉的热负荷减少，可以相应减少锅炉
的受热面，从而 减少锅炉设备的投资；
3、由于抽汽不进入凝汽器向冷源放热，使得乏汽减少，凝汽器
负荷减小，从而 减少凝汽器设备的投资；
4、采用回热循环，增大了汽耗率，但同时可以加大汽轮机高压
缸的流通面积，减小低压缸的流通面积，有利于汽轮机结构改
进。
5、根据经济分析，可以确定一个最佳的给水温度，经综合分析，
最佳给水温度约为锅炉压力下饱和温度的 0.65~0.75倍 。
第五节 热电合供循环
热电厂供热的方式主要有两种：一是采用背压式汽轮机；
另一种是采用调节抽汽式汽轮机。
一、背压式汽轮机
抽汽压力大于 0.1MPa的汽轮机称为背压式汽轮机。
根据蒸汽的用途不同，背压式汽轮机的排汽压力也不同，
工业上使用的蒸汽压力一般为 0.24~0.8MPa，日常生活取暖
的蒸汽压力一般为 0.12~0.25MPa。
背压式供热机组被利用的能量包括供量和送给用户的
热量。在理想情况下，能量利用系数 K=1.实际上，除去各
种损失，能量利用系数 K一般为 65%~70%。
背压式供热机组主要优点能量利用系数高，主要不足
是供电和供热互相制约，发出的电或热不能根据拥护需要
自由调节。
二、调节抽汽式汽轮机
和背压式供热机组相比较，调节抽汽式汽轮机装设了
一个调节阀，可以调节汽轮机低压缸与热用户之间的进汽
量，从而达到同时满足热、电负荷需要的目的。
一
章
热
力
学
基
础
知
识
第
二
章
热
力
学
第
一
定
律
第
三
章
理
想
气
体
的
热
力
性
质
及
基
本
热
力
过
程
第
四
章
热
力
学
第
二
定
律
第
五
章
水
蒸
气
第
六
章
蒸
气
的
流
动
第
七
章
蒸
气
的
动
力
循
环
工质和热力系、状态和基本
状态参数、平衡状态和热力
过程、功和热量
第一章 热力学基础知识
第一节 工质和热力系
一、工质
1.热机,能够将热能转变为机械能的设备
热能 机械能
2.工质,在热机中热能不断的转变为机械能所借助的
媒介物质
3.工质的选择,热力学中热能与机械能之间的相互转换
是通过物质的体积变化来实现的，常选气态物
质作为工质
媒介物质
(一 )、热 力系、外界和边界
1.热力系,具体制定的，用界面分离出来的研究对象。
2.外界,系统以外与之相关的所有有关物体
二、热力系
3.边界 (界面 ),系统与外界的分界面
界面的性质：它可以是 真实 的，也可以 假想 ；可以 固
定 也可以 移动
系统 与 外界 的作用都通过 边界
(二 )、闭口系和开口系、绝热系和孤立系
热力系 外界 物质交换 能量交换
物质流进和流
出热力系统
传热和作功两
种形式
1.热力系分类,
按热力系与外界进行物质交换的情况分,
闭口系,系统与外界无物质交换，即无物质穿过边界
开口系,系统与外界有物质交换，即有物质穿过边界
绝热系,系统与外界无热交换
孤立系,系统与外界无任何相互作用，既没有物质穿过边
界，也不与外界发生任何形式的能量交换。
绝对的绝热系和孤立系实际上不存在，是两种理想模型。某段时间
内与外界传热量很少，对于系统的能量传递和能量转换所起的作用
可忽略，就可看成绝热系；研究对象连同它直接相关的外界所有物
体一起取做新的热力系，就是一个孤立系。
第二节 状态和基本状态参数
一、状态与状态参数
1.状态,某一瞬间热力系所呈现的宏观物理状况
2.状态参数,描述工质状态的宏观物理量
3.状态参数的特征,
(1)、状态确定，则状态参数也 确定,反之亦然
(2),状态参数的积分特征,状态参数的变化量
与路径无关，只与初终态有关。数学表达式如下,
? ???? 21 12 xxdxx
式中,x1,x2分别代表两
种状态的状态参数
4.基本状态参数,常用的三个状态参数是压力、温度
和比体积，它们都是可以直接测量的物理量,
并且物理意义简单易懂
二、基本状态参数
(一 )、压力
1.压力,单位面积上所承受的垂直作用力，以 表示 p
A
Fp ?
注意,物理学,压强 压力
工程,压力 总压
对应
绝对压力
2.表压与真空,
工程上，工质的压力常用压力表或真空表来测量
测量压力的仪表通常处于大气环境中，不能直
接测量出绝对压力，显示的是绝对压力和当时
当地大气压的差值。
(1)表压力,当气体的绝对压力高于大气压力时，压
力计显示的绝对压力超出大气压力的部分。
表压力 =绝对压力 -大气压力
bg ppp ??
(2)真空度,当气体的绝对压力低于大气压力时，真空
计显示的绝对压力低于大气压力的部分。
真空度 =大气压力 -绝对压力 ppp
bv ??
要想知道气体的绝对压力，还要知道当时当地的
大气压力，然后通过上述公式进行计算。
bpp?
bpp?
pb
pg
p pv
p
如左侧图所示，如果大气
压力发生变化，即使工质
的绝对压力不变，测压计
的对数也会变，所以只有
绝对压力才是状态参数。
工程计算中，必须选取绝
对压力
3.压力的单位,
国际单位制中压力 的 单位, Pa,1 Pa=1 N/m2
1 MPa = 106Pa
常用单位,
1 atm (标准大气压 )= 760 mmHg(毫米汞柱 ) = 1.013?105 Pa
1 mmHg =133.3 Pa
1 at(工程大气压 )=735.6 mmHg = 9.80665?104 Pa
(二 )、温度
1.温度,标志物体冷热程度的物理量。其数值称为温标
摄氏温标：用 t表示，单位为 ℃
热力学 (开尔文或绝对 )温标：用 T表示，单位为 K
15.2 7 3?? Tt
可以看出两种温标的温差是相等的
(三 )、比体积
比体积,单位质量的物质所占有的体积，用 v表示。
m
Vv ?
式中 V—— 体积 ； m—— 质量。
比体积是表示物质内部分子疏密程度的状态参数。
比体积大 物质内部分子 间的距离大
比体积的倒数为 密度,用 表示 ?
第三节 平衡状态和热力过程
一、平衡状态、状态方程和参数坐标图
1.平衡状态,在 没有外界影响 的情况下，系统内工质
的宏观性质不随时间而变化的状态。
2.平衡状态的特性,
(1)工质个点相同的状态参数均匀一致，有确定的数值
(2)只有平衡状态下才可以用确定的状态参数来描述工
质的状态特性
3.状态方程,
描述热力系状态的各状态参数不都是独立的，不必给
出全部状态参数 。三个基本参数之间联系表示为,
0),,( ?Tvpf
这样的函数关系式就称为 状态方程 。具体形式取决
于工质的性质。
3.参数坐标图,热力学中为了分析问题的方便和直观，常采
用任意 两个独立参数 组成的一个平面直角坐标图。
p
v 0
p1
p2
v1 v2
1
2
此图为 p-v图，称为压容图，
图中每一点代表工质的某
一平衡状态。还有其他形
式的坐标图。
二、热力过程
热力过程,工质从一个平衡状态过渡到另一个平衡
状态所经历的全部状态的总和。
1.准平衡过程,工质从一个平衡状态连续经历一系列
平衡的中间状态过渡到另一个平衡状态。
准平衡过程的特点,由于热力系经历的过程中每一状
态均可称为平衡态，因而准平衡过程可在状态参数坐
标图中用连续曲线表示，称过程曲线；准平衡过程是
一种理想化的过程，是实际过程进行得足够缓慢的极
限情况，一切实际过程只能接近于准平衡过程，在工
程实际设备中进行的过程常常可作为准平衡过程。
2.可逆过程
(1)定义,当工质完成某一热力过程之后，若能沿原
来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始
状态而不留下任何痕迹。反之，为不可逆过程。
(2)可逆过程必须满足的条件,
过程必须是准平衡过程
作机械运动时不存在摩擦
传热无温差
可逆过程是热力学的抽象，实际过程是无法实现的，
但人们可以无限的接近它。研究可逆过程的目的，在
于抓主要矛盾，反映本质。把可逆过程作为实际过程
中能量转化效果的比较标准。在实际热力学计算中，
通常是把某一实际过程理想化为可逆过程计算，然后
引入必要的经验修正
第四节 功和热量
热力系在实施热力过程时，与外界发生能量交换只要
是作功和传热两种形式。功是热力系与外界交换机械
能的量度；热量是热力系与外界交换热能的量度。
一、气体的功与 p-v图
1.功,工在物理学中，把物体通过力的作用而传递的
能量称为功，功等于 力 F和物体 在力的作用方
向上的位移△ x的乘积，即
xFw ??
2.功的符号和单位,用符号 W表示，单位 J或 kJ。单位
物质所做的体积变化功用 w表示，单位 J/kg或 kJ/kg。
3.可逆过程的体积变化功和 p-v图,
(1)体积变化功用,可压缩系统通过体积的变化（膨
胀或压缩）来和外界交换的功量。
(2)规定,
系统 外界
功是传递过程中的一种能量形式。它是伴随着相互作
用而产生的，不是系统所含有的能量，所以我们不
能说一个系统具有多少功。
功量正
功量负
(3)功的计算,
?? 21 pdVW
单位工质,
?? 21 pdvw
可逆过程的比容变化功 w
的大小可以在 p-v图上
用过程曲线下面的面积
表示，如图所示。单位
质量气体的膨胀功为,
??? 2121 pdvw
功的大小不仅与过程的初、终状态有关，还与工
质所经历的过程有关，所以说功不是状态参数，
只是一个过程量。
二、热量功与 t-s图
1.热量,热力系与外界之间仅仅由于 温度不同 而通过
边界所传递的能量。
2.热量符号和单位,用符号 Q表示，单位 J或 kJ。单位
物质所做的体积变化功用 q表示，单位 J/kg或 kJ/kg。
是一个 过程量
系统吸热
系统放热
热量为正
热量为负
3.热量的计算和 T-s图,
?? 21 T d SQ
单位工质,
?? 21 Td sq
熵（ S）：状态参数，是可逆过程有无热量传递的标志
性参数。单位质量物质的熵称为比熵，用 s表示。比熵
增大,系统吸热；比熵减小，系统放热。
温熵图 T-s如图所示
T
S
Q
温熵 (示热 )图
熵的说明
1.熵 是 状态参数
3.熵的物理意义,熵 体现了 可逆过程
传热的 大小 与 方向
2.符号 规定
系统 吸热 时 为 正 Q > 0 dS > 0
系统 放热 时 为 负 Q < 0 dS < 0
4.用途,判断热量方向
计算可逆过程的传热量
热量与容积变化功
?? pdvw
能量传递方式 容积变化功 传热量
性质 过程量 过程量
推动力 压力 p 温度 T
标志 dV,dv dS,ds
公式 pdvw ?? T d sq ??
条件 准静态或可逆 可逆
?? T d sq
热力学第一定律的实质、熟练
应用热力学第一定律解决具体问题
第二章 热力学第一定律
第一节 热力学第一定律的实质
热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学上
的应用，确定了热能和机械能之间的相互转换的 数
量关系 。
热力学第一定律,热能 和 机械 能在转移和转换的过
程中，能量的总量必定守恒。
热 功 相应量
第一类永动机,不消耗能量而连续作功的设备
第二节 系统储存能
系统储存能
热力学能,取决于系统本身的状态，与系统
内工质的分子结构及微观运动形式有关
外储存能,系统工质与外力场的相互作用 (如
重力，位能 )；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 )。
一、热力学能
是指组成热力系的大量微观粒子本身所具有的能量，
由两部分组成,
内动能：分子热运动的动能
内位能：分子之间由于相互作用所形成的位能
热力学能,是指储存于热力系内部的能量。用 U表示，
单位是 J或 kJ，单位质量工质的热力学能称为 比热力
学能,用 u表示，单位是 J/kg或 kJ/Kg。
热力学能是工质的 状态参数,完全取决于工质的初
态和终态，与过程的途径无关。
二、外储存能
宏观动能,m — 物体质量； c — 运动速度
重力位能,Z — 相对于系统外的参考坐标
系的高度
2
2
1 mcE
k ?
m g ZE p ?
三、系统的总储存能
系统总储存能 (E)=热力学能 (U)+外储存能 (Ek+Ep)
单位质量工质的比储存能,
gZcuc ??? 221
比储存能为状态参数
对于 没有宏观运动 且 相对高度为零 的系统，总储存能就等
于热力学能
第三节 闭口系能量方程式
输入系统的能量 -输出系统的能量 =系统总储
存能量的变化
能量平衡关系式,
闭口系,系统与外界没有物质
交换，传递能量只有热量和功
量两种形式。在热力过程中
（如图）系统从外界热源取得
热量 Q；对外界做膨胀功 W；
12 EEWQ ???
对于 不做整体移动的闭口系,系统宏观动能和位
能均无变化，有,
WUQ ???
对于 微元过程,有,
WdUQ ?? ??
对于 单位质量工质,有,
wduqwuq ?? ?????,
各项正负号的规定,吸热和对外作功为 正,
放热和外界对系统作功为 负
热力系吸
收的能量
增加系统的热力学能
对外膨胀作功
热能转变为机械能
的根本途径
热力系吸
收的能量
增加系统的热力学能
对外膨胀作功
第四节 状态参数焓
一、推动功
推动功,开口系统与外界之间因为工质流动而传递
的机械功。对于单位质量工质，推动功等于 pv。
流动净功,出口处付出的
推动功与入口处得到的推
动功的差。流动功可以理
解为开口系统维持流动所
要付出的代价。
二、焓
对于 m千克工质,
pVUH ??
?焓的 定义式,焓 =内能 +流动功
?焓的物理意义,
1.对 流动 工质 (开口 系统 )，表示沿流动方向传递
的总能量中,取决于 热力状态 的那部分能量,
思考,特别的对理想气体 h= f (T)
对于 1千克工质,h=u+ p v
2,对 不流动 工质 (闭口 系统 )，焓只是一个 复合状态
参数
第五节 开口系稳定流动的能量方
程及其应用
一、稳定流动的
能量方程
?Wnet
?Q
?min
?mout
uin
uout
gzin
gzout
2
2
1
mc
2
2
1
mc
稳定流动
工程上常用的热工设备，除启动、停止或者加减负荷
外，大部分时间是在外界影响不变的条件下稳定运行
的，可以认为处于稳态稳定流动状态。
1.定义, 开口系统内任意点工质的状态都不随时间而
变化的流动过程。
2.实现稳定流动的必要条件,
（ 1）进、出口截面处工质的状态不随时间而变；
（ 2）单位时间系统与外界交换的热量和功量都不随
时间而变；
（ 3）各流通截面上工质的质量流量相等，且不随时
间而改变。
3.轴功,通过机械轴和外界交换的功称为轴功，用 Ws表示。
进入系统的能量,
)2( 1
2
1
1 gz
chmQ ???
离开系统的能量,
)2( 2
2
2
2 gz
chmW
s ???
由于是稳定流动，系统储存能的变化量为 0。代入能量平衡方
程式，可得开口系统稳定流动能量方程,
sWzzgcchhmQ ??????? )]()(2
1)[(
12
2
1
2
212
单位质量工质,
swzgchq ???????
2
2
1
在上式中，后三项实际上都属于机械能，故把此三项合并在一
起称技术功（ Wt）。
单位质量工质,
st wzgcw ?????
2
2
1
故开口系统的稳定流动能量方程还可以写为,
twhq ???可逆过程技术功的大小可以在 p-v图上用过程线以左和纵坐标围
成的面积表示。
理想气体的热力性质
理想气体状态参数间的关系
理想气体比热
第三章 理想气体的热力
性质及基本热力过程
第一节 理想气体及其状态方程
一、实际气体与理想气体
1.理想气体, 是一种假象的气体模型，气体分子是一些弹性的、
不占体积的质点，分子之间没有相互作用力。工程中常用的氧
气、氮气、氢气、一氧化碳等及其混合气体、燃气、烟气等工
质，在通常使用的温度、压力下都可作为理想气体处理。
2.实际气体,不符合上述理想气体两个微观假设条件的，则称为
实际气体。如：水蒸气、氟里昂蒸汽、氨蒸汽等，它们距离液
体较近，不能忽略分子本身的体积和分子间的作用力。
二、理想气体 状态方程
大量实验证明，理想气体的三个基本状态参数间存在着一定的
函数关系,
1kg,
mkg,
1mol,
nmol,
RTpv ?
m R Tpv ?
TRpV M 0?
TnRpV 0?
R0为通用气体常数，与气体种类及状态无关, R0＝ 8314J/(kmol·K)。
R为气体常数，与气体种类有关,
MM
RR 83140 ??
第二节 理想气体的比热容
一、比热容的定义及单位
1.比热容,单位物量的物体，温度升高 1K所吸收的热
量，用 c表示。
2.比热容分类,
质量比热,单位质量物质的热容量，用 c表示，单位为 J/(kg·K)；
摩尔比热,单位 mol物质的热容量，用 Cm表示，单位 J/(mol·K)；
容积比热,标准状态下单位质量物质的热容量，用 c’表示，单
位为 J/(m3·K)；
ccMC m ????? 4.22
二、影响比热容的因素
过程特性对和温度比热容的影响,
一定量的物质在吸收或放出热量时，其温度变化的大小取决于
工质的性质、数量和所经历的过程。经验表明，同一种气体在
不同条件下，如在保存容积不变或压力不变的条件下加热，同
样温度升高 1K所需的热量是不同的。
定容比热容 (cv),在定容情况下，单位物量的气体，温度升高
1K所吸收的热量。
定压比热容（ cp）,在定压情况下，单位物量的气体，温度升高
1K所吸收的热量。
气体在定压下受热时，由于温度升高的同时，还要克服外力膨胀
做功，而在定容过程中，并不膨胀对外做功，故同样升高 1K，
定压时比定容下受热需要更多的热量，也就意味着定压比热比定
容比热大。
对于理想气体,
Rcc vp ??
比热容比 к,
v
p
c
c
k ?
三、利用比热容计算热量的方法
当气体的种类和加热过程确定后，比热容就只随温度的变
化而变化。可得,
c d Tq ??
1.用定值比热容计算热量,精度要求不高时，忽略温度对比热容
的影响，取比热容为定值，称为定值比热容
对于理想气体，凡分子中原子数目相同的气体，其千摩
尔比热容相同且为定值。这样定值质量比热容和定值容
积比热容可求。
对于 mkg质量气体，所需热量为,
对于标准状态下 V0气体，所需热量为,
)( 12 TTmcQ ??
)( 120 TTcVQ ???
2.用平均比热容计算热量,温度很高时，比热容变化较明显,
常利用平均比热容来计算热量。
平均比热容,是指在一定温度范围内真实比热容的平均值，即一
定温度范围内单位数量气体吸收或放出的热量与该温度差的比值
12
2
1 tt
qc t
t ?
?
tcq t ?? 0
热量计算式,
对于 mkg质量气体，所需热量为,
)( 1020 12 tctcmQ tt ????
对于标准状态下 V0气体，所需热量为,
)( 10200 12 tctcVQ tt ??????
第三节 理想气体热力学能、焓
和熵变化的计算
一、理想气体的热力学能
理想气体的内能和焓是温度的单值函数，这就意味着某种理想
气体，不论其在过程中比容或压力如何变化，只要变化前后温
度相同，其内能和焓的变化量也必然相同。
对于可逆过程,
对定容过程,
当采用定值比热容时,
pdvduq ???
dTcdu V?
Tcu V ???
二、理想气体的焓
理想气体的焓也仅仅是温度的函数。
对于压力不变的可逆过程,
对定压过程,
当采用定值比热容时，有,
v d pdhq ???
dTcdh p?
Tch p ???
三、理想气体定压比热容与定容比热容的关系
gVp Rcc ??
迈耶公式,
将上式乘以千摩尔质量,
RCCMRMcMc mVmpgVp ????,,,
令,称为比热比或等熵指数 kcc
Vp ?/
四、理想气体的熵
1
lnln 2
1
2
v
vR
T
Tcs
v ???
1
2
1
2 lnln
p
pR
T
Tcs
p ???
1
2
1
2 lnln
v
vc
p
pcs
pv ???
（定值比热容）
（定值比热容）
（定值比热容）
内能、焓和熵为状态参数，只与初终状态有关，与中间过程无关，
故理想气体无论经历什么过程，包括不可逆过程，只要过程的初
态、终态参数确定，比热容可以取定值，则都可以用以上各式计
算变化量。
第四节 理想气体的混合物
一、分压力定律和分容积定律
1.理想混合气体,如果混合气体中各组成气体都具有理想气体的
性质，则整个混合气体也具有理想气体的性质，其状态参数间
的关系也符合理想气体状态方程式，这样的混合气体称为理想
混合气体。
2.分压力和道尔顿分压力定律,
(1)分压力,混合气体中每一种组元的分子都会撞击容器壁，从
而产生各自的压力。在与混合气体相同的温度下，各组成气体
单独占有混合气体的容积时，给予容器壁的压力。
(2)分压力定律,理想混合气体的总压力等于各组成气体分压力
之总和。
?
?
????????
n
i
in ppppp
1
21
3.分容积和分容积定律,
(1)分容积,使各组成气体保持与混合气体相同的压力和温度的
条件下，把各组成气体单独分离出来时，各组成气体所占有的
容积。
(2)分容积定律,理想混合气体的分容积之和等于混合气体的总
容积。
?
?
????????
n
i
in VVVVV
1
21
二、理想气体混合物的成分
1.质量分数,
iw
m
mw i
i ?
?
?
??????
n
i
in wwww
1
21
2.容积分数, i?
V
Vi
i ??
?
?
??????
n
i
in
1
21 ????
3.摩尔分数,
ix
n
nx i
i ?
?
?
??????
n
i
in xxxx
1
21
1〉 容积分数和摩尔分数相等
2〉 质量分数与容积分数的换算关系为,
M
M
M
Mxw i
i
i
ii ???
三、折合千摩尔质量与折合气体常数
折合千摩尔质量或平均千摩尔质量,混合物的总质量与混合
物总摩尔数的比
??
?
??
? ????
n
i
ii
n
i
ii
n
i
ii
eq MMxn
Mn
n
mM
11
1 ?
折合气体常数,
eq
eqg MR
8314
,?
四、分压力的确定
理想气体某组元的分压力,
ppVVp iii ???
五、混合气体的热量计算
关键是求出混合气体的比热容的值。
1.利用质量分数计算混合气体的质量比热容
?
?
?
n
i
ii cwc
1
2.利用容积分数计算混合气体的容积比热容
?
?
???
n
i
ii cc
1
?
第五节 理想气体的基本热力过程
一、研究热力过程的目的和方法
1.研究目的
(1).确定工质的状态变化规律；
(2).确定过程中能量传递和转换的情况。
2.研究方法
(1).根据过程特点，列出过程方程式；
(2).建立基本状态参数间的关系式；
(3).在 p－ v图,T－ s图上绘出过程曲线；
(4).计算△ u，△ h，△ s；
(5).计算过程中的能量传递、转换量,q,w,wt。
二、四个基本热力过程
(一 )、定容过程
等容过程是工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。
1.过程方程式,v = 定值
2.基本状态参数间的关系式,
21 vv ?
及
1
2
1
2
T
T
p
p ?
3.功量与热量的分析计算,
定容过程不做膨胀功，即
? ?? 21 0pdvw
定容过程的技术功,
? ???? 21 21 )( ppvp d vw t
4.过程曲线,
定容过程的 p-v 图 T-s图
p
v 0
1
2′
2 T
s 0
2′
2
1
(二 )、定压过程
定压过程是工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。
1.过程方程式,p = 定值
2.基本状态参数间的关系式,
1
2
1
2
T
T
v
v ?
3.功量与热量的分析计算,
膨胀功为
? ??? 21 12 )( vvpp d vw
对理想气体可写成,
)()( 1212 TTRvvpw ????
定压过程技术功,
? ??? 21 0v d pw t
p
v 0
1 2 2′
4.过程曲线,
定容过程的 p-v 图 T-s图
T
s 0
2′
1
2 定 v线
定 p线
(三 )、定温过程
定温过程是工质在变化过程中温度保持不变的热力过程。
1.过程方程式,T = 定值
2.基本状态参数间的关系式,
2211 vpvp ?
3.功量与热量的分析计算,
膨胀功为
2
1
1
22
1
lnln ppRTvvpvpdvw ??? ?
定压过程技术功,
qw t ?
4.过程曲线,
定容过程的 p-v 图 T-s图
p
v 0
1
2
2′ T
s 0
1 2 2′
(四 )、定熵过程
定熵过程是可逆绝热的热力过程为定熵过程。
1.过程方程式,
单原子气体 k=1.66
双原子气体 k=1.4
多原子气体 k=1.33
2.基本状态参数间的关系式,
常数?kpv
k
k
kk
p
p
v
v
v
v
p
p 1
1
2
1
21
2
1
1
2
2
1
1
2 )(
T
T)(
T
T)( ?? ??? 或或
3.功量与热量的分析计算,
膨胀功为
21 uuuuqw ????????
定压过程技术功,
21 hhhhqw t ????????
4.过程曲线,
定容过程的 p-v 图 T-s图
p
v 0
1
2
2′ T
s 0
1
2′
2
定 T线
热力学第二定律，卡诺循环，
卡诺定理 。
第四章 热力学第二定律
第一节 热力循环
循环：工质从某一状态出发，经过一系列的状态变化后又
回到初态的热力过程，称为循环。
1、可逆循环,如果组成循环的全部热力过程都是可逆过程。
2、不可逆循环,如果组成循环的热力过程包含有不可逆过程。
一、正向循环
正向循环的任务是将热变为功，也称为热机循环。
p
v 0
2
1 T
0 3 4
a
b 2
1
3 4
a′
b′
热效率,
二、逆向循环
逆向循环是指循环中压缩过程所消耗的功大于
膨胀过程所作的功，循环的总效果不是产生功而是
消耗外界功。如图所示,
0 12
11
t
w QQ
QQ?
???
v 0
2
3 4
d
c
第二节 热力学第二定律
一、自发过程的方向性和不可逆性
经验告诉我们，自然界发生的许多过程是有方向性的。例如,
1.热可以自发地从高温物体传到低温物体，但却不能自发地从低温物体传到高温；
2.气体自发向真空膨胀，但却不能自发压缩，空出一个空间；
3.两种气体可自发地混合，却不可自发地分离；
自发过程,不需任何外界作用而可以自动进行的过程。
非自发过程,没有外界作用的情况下不能自动进行的过程。
自然界的一切自发过程都是具有方向性和不可逆性的,热力过程总是朝着一个方
向自发进行而不能自发地反向进行。非自发过程可以进行，但其进行必须以
一定的补偿条件作为代价。
二、热力学第二定律的实质
能量是有品质高低之分的。 如：机械能的品质高于热能；高温热能的品质高于低
温热能。
定律的实质：能量贬值原理,也就是说在能量的传递与转化的过程中，能量的品
质只能降低不能提高。
三、表述
,热二”有各种各样的说法，最常见的两种是,
克劳修斯说法（ 1850）：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。
开尔文说法（ 1851）：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功，而不引起
其它变化。
无论有多少种不同的说法，它们都反映了客观事物的一个共同本质，即自然界的
一切自发过程有方向性。
第三节 卡诺循环与卡诺定理
一、卡诺循环及其热效率
卡诺循环是 1824年法国青年工程师卡诺
提出的一种理想的有重要理论意义的可逆热
机的可逆循环。
1.卡诺循环的组成
它是工作于两个热源间的，由两个可
逆等温过程和两个可逆绝热过程所组成的
可逆正向循环。
2.卡诺循环的热效率,
1
2
1
2
1
0 11
T
T
q
q
q
w
ct ?????，?
二、卡诺定理
定理一,在两个温度不同的恒温热源之间工作的一切可逆热
机，都具有相同的热效率，且与工质性质无关。
定理二,在两个温度不同的恒温热源之间工作的一切可逆热
机的热效率恒高于不可逆热机的热效率。
结论,
（ 1）热效率 η t,c与工质的性质无关，只取决于高温热源的温
度 T1与低温热源的温度 T2。
（ 2）提高 T1，降低 T2，可以使卡诺循环的热效率提高。
（ 3）热效率 η t,c总是小于 1，也就是说不可能通过热机循环
将热能全部转换为机械能。
（ 4） T1＝ T2时,η t,c＝ 0，说明没有温差是不可能连续不断地
将热能转换为机械能的。
三,逆卡诺循环
1、逆卡诺循环,是逆向进行的卡诺循环。
2、作用效果,消耗机械能，从低温热源吸收热量，向高温热源放
出热量。
制冷系数,
供热系数,
结论,
1.制冷系数和供热系数只取决于高温热源和低温热源的温度，与工
质无关。
2.提高 T2，降低 T1，可以使制冷系数和供热系数提高。
3.供热系数总是大于 1，制冷系数可以大于、等于、小于 1。
4.逆卡诺循环可分别用来制冷或供热，也可以联合交替进行。
21
2
0
2,1 TT Twqc ????
21
1
0
1,2
TT
T
w
q
c ????
第四节 孤立系统熵增原理
一、克劳修斯积分
自然界的物质发生的一切自发变化过程都是不可逆的，而且都是等
效的，因此这些过程存在着某种内在的联系，有一个共同的本
质的东西在起作用，为了定量地描述这一本质的特征,1865年，
克劳修斯在前人工作的基础上，提出了著名的克劳修斯积分,
式中 Tr是热源的温度值。
一切可逆循环的克劳修斯积分等于零，一切不可逆循环的
克劳修斯积分小于零,
任何循环的克劳修斯积分都不会大于零。 我们可以利用
0??
rT
Q?
? rTQ?
二、熵
闭口系统熵方程,
1.△ Sf是由于系统与外界发生热交换，热流引起的熵的变化，称为
熵流 。
系统吸热，△ Sf＞ 0；系统放热，△ Sf＜ 0；系统绝热，△ Sf＝ 0。
2.△ Sg是由于不可逆因素的存在而引起的熵的增加，称为 熵产 。
对于不可逆过程，△ Sg＞ 0；对于可逆过程，△ Sg＝ 0。
熵产过程不可逆性大小的度量与表征。不可逆性越大，熵产也越大。
三、孤立系统熵增原理
在孤立系统内，一切实际过程（即不可逆过程）都朝着使
系统熵增大的方向进行，在极限情况（可逆过程）下，系统的
熵保持不变。即,
gf SSS ?????
应用：设某热机通过工质进行一个循环，从热源吸热
Q1，向冷源放热 Q2，对外作功 W，把热源、冷源、工
质、热机划为一个孤立系统，则,
热源的熵变,（热源放出热量给工质，熵减少）
工质的熵变,（经过一个循环，工质的熵不变）
冷源的熵变,（冷源吸收热量，熵增大）
0?? i s oS
201 SSSS i s o ???????
1
11 TQS ???
? ??? 00 dsS
2
22 TQS ??
进行一个循环后,
可逆时,
不可逆时,
2
2
1
1
2
2
1
1 0
T
Q
T
Q
T
Q
T
QS
i s o ????????
2
2
1
1
T
Q
T
Q ?
2
2
1
1 TQTQ ?
→
0?? isoS
0?? isoS →
第五节 热量的作功能力
热力学第二定律实质上说明了在转变为功的能力
方面，各种形式的能的转换能力是不同的，并不
都具有可用性。。机械能可以全部转变为功具有
完全可用性，热能不具有完全可用性。
热能所转换为功的最高极限为,
我们将其称之为 热量的作功能力 或 可用能
其余部分称之为 废热 或 无效能
)1(
1
0
,T
TQQQ
cta ???? ?
热量作功损失与孤立系熵增之间的关系为,
siSTI,0 ???
当孤立系统内实施某不可逆过程时，不可逆因素造
成了能量品质的下降，使孤立系统的总熵增加。故
孤立系的熵增量可作为过程不可逆所导致的可用能
减少的量度，是系统不可以程度的量度。
水蒸汽的定压形成过程，水
蒸汽图表查参数。
第五章 水蒸气
第一节 水蒸气的饱和状态
一、水蒸气的饱和状态
1、汽化和液化
（ 1）汽化
物质从液态变为气态的相变过程，有蒸发和
沸腾两种方式,
? 蒸发,液体表面的汽化过程，任何温度下都可
以发生。
? 沸腾,液体内部的汽化过程，只能在达到沸点
温度时才发生。
汽化速度的大小取决于液体温度的高低；凝
结速度的大小取决于蒸汽的压力。
（ 2）液化
物质从气态变为液态的相变过程，也称为凝结。
液化与汽化是物质相变的两种相反过程。
二、饱和状态
饱和状态：水蒸汽在密闭容器中，汽、液两相平衡共
存的状态。此时的平衡共存其实是一种汽化速度和凝结速
度相等的动态平衡。
工质处于饱和状态时的压力和温度分别称为饱和压
力与饱和温度。饱和温度和饱和压力是一一对应的关系，
饱和压力愈高，对应的饱和温度也愈高。
第二节 水蒸气的定压产生过程
一、水蒸气的定压产生过程
工程上所用的水蒸气是由锅炉在压力不变的情况下
产生的，水蒸气的发生过程，即是水的定压汽化过程。
在此过程中，工质会经过三个阶段、五种状态的变化。
1、预热阶段
预热阶段：即由未饱和水加热为相应压力下的饱和
水。液体热,
未饱和水：当水温低于饱和温度时的水。
饱和水：水温达到压力 p所对应的饱和温度 ts 时的水。
01 ' hhq ??
2、汽化阶段
由饱和水加热为饱和蒸汽的阶段称为汽化阶段。
湿饱和蒸汽,对饱和水继续加热，饱和水开始沸腾，
在定温下产生蒸汽而形成的饱和液体和饱和蒸汽的混合物。
干饱和蒸汽,继续加热，直至水全部变为蒸汽，此
时的蒸汽温度等于压力 p所对应的饱和温度 ts。
汽化阶段，二相中的含量在变化，为了说明湿蒸气中干
饱和蒸气所占的百分比，引入干度（ x）,
即湿蒸气中干饱和蒸气所占的质量百分比。 x＝ 0为饱和
水； x＝ 1为干饱和蒸气。
汽化潜热,
)/( wvv mmmx ??
'''1 hhq ??
3、过热阶段
过热阶段,由饱和蒸汽加热为过热蒸汽的阶段。
过热蒸汽,对干饱和蒸汽继续定压加热，则蒸汽的温度自
饱和温度起往上升高，温度已经超过相应压力下的饱和温度的蒸汽
称为过热蒸汽。
过热度,
过热热,
sttD ??
''hhq s ??
二、水蒸气的 P-V图与 T-S图
在表示水蒸气各种状态的 p-v图与 T-s图上，可归结为
一点两线三区五态,
一点,临界点（饱和水线与干饱和蒸汽线的交点 c）；
两线,饱和水线（下界线） C-B与干饱和蒸汽线（上界线）
C-D；
三区,未饱和水区（液相区）、湿蒸汽区（汽液两相区）和
过热蒸汽区（气相区）；
五态,未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽。
临界点,Pc=22.064MPa,tc=374℃, Vc=0.003106m3/kg,
临界点
饱和气线
三相线
p
v
T
饱和液线
第三节 水蒸气图表
一、水蒸气热力性质表
1.计算基准点
国际规定：水的三相点的液相水为基准点。
2.饱和水和饱和蒸汽表
表一：见 P206附录 5,6，分别按温度、压力排序；
3.未饱和水和过热蒸汽表
表二：见 P207附录 7，粗线左下侧为未饱和水，右
上侧为过热蒸气。
二、水蒸气焓－熵图（ h－ s图）
见附图，由上界线、下界线及定压线群，定温线
群，定容线群、定干度线群组成。
焓 熵 图
s
C
pC h
三、水蒸气图、表的应用
1.已知某状态任意两个独立参数（ p,v,t,u,h,s,x）就
能查出其余各参数，并可判别工质的状态。
2.分析计算热力过程中工质的状态变化及与外界的能量交换。
分析计算的一般步骤,
（ 1）已知任意两个初态参数，查出其它各初态参数（ p1,v1，
t1,u1,h1,s1,x1）。
（ 2）根据过程条件（定压、定温、定熵、定容）及终态的一
个参数，查得终态各参数（ p2,v2,t2,u2,h2,s2,x2）。
（ 3）根据初终态参数及过程条件计算能量交换。（注意：
根据取的系统为开口系统还是闭口系统，选用相应的“热
－”“热二”）
（ 4）将过程表示在状态图上（ p-v,T-s,h-s? ）。
表二：见 P208附录 6，按压力排序。
第四节 水蒸气的基本热力过程
一、定压过程
定压过程是蒸汽动力装置循环中实施得
最普遍的过程，锅炉个换热器内的吸热过程、
给水在回热加热器内的加热过程、凝汽器内
的加热过程、放热过程等均可看成可逆定压
过程。
定压过程的热量等于
12 hhq ??
二、绝热过程
绝热过程也是蒸汽动力装置循环中实施得
较普遍的过程，如水蒸气在汽轮机内的膨胀过
程、水在水泵中的升压过程等都是绝热过程。
绝热过程的技术功等于
21 hhq ??
第五节 湿蒸气
一、湿空气与干空气
1、干空气,空气中水蒸汽以外的所有气体。
2、湿空气
可以看作干空气和水蒸气的混合物。但由
于湿空气中的水蒸气在一定条件下有相变，所
以湿空气是一种特殊的理想混合气体。
湿空气的总压力等于干空气和水蒸气的分
压力之和，即大气压力,
汽干 PPP b ??
二、未饱和湿空气、饱和湿空气与露点
1、未饱和湿空气
若湿空气中的水蒸气处于过热蒸汽状态，称
为未饱和湿空气。自然界中的空气大都处于未饱
和湿空气状态。通常水蒸气的分压力只有
20~30mmHg。
2、饱和湿空气
由饱和水蒸气和干空气组成的湿空气称为饱
和湿空气，饱和湿空气中水蒸气的含量达到最大，
不再具有吸湿能力。
3、露点
是指湿空气中水蒸气的分压力所对应的饱和
温度。露点温度对锅炉的设计和运行有重要的实
际意义。
三、绝对湿度和相对湿度
1、绝对湿度
1m3湿空气中所含有的水蒸气质量，用 ρ v表
示。
2、相对湿度
湿空气的实际绝对湿度与同温度下可能达
到的最大绝对湿度的比值，用 φ 表示。
φ 愈小，表明湿空气愈干燥、吸取水蒸气的
能力愈强。 φ 愈大，湿空气愈潮湿，吸取水蒸
气的能力愈小。当 φ ＝ 0时，即为干空气；当 φ
＝ 1时，为饱和湿空气。
ss
v pv???? ??
第六章 蒸气的流动
本章重点
? 工质稳定流动的基本方程式，工质在
喷管中的定熵流动，绝热节流及其应用。
第一节 稳定流动的基本方程式
稳定流动是只开口系统内每一点的热力参数与
运动参数都不随时间变化的流动过程。本章只讨论
一维稳定流动，即管道内垂直于轴向的任一截面上
的各种参数值都均匀一致，流体参数只沿管道轴向
或流动方向发生变化。
一、连续性方程式
由质量守恒定律知，在稳定流动过程中，流道内
各截面处的质量流量都相等,
此式适用于任何工质的可逆或不可逆的稳定流动
过程。
22 221 111 mm qv cAv cAq ???
二、稳定流动的能量方程式
根据热力学第一定律等出稳定流动的能量方程式为,
也可表示为,
不作轴功的绝热稳定流动过程中，工质动能的增加
等于其焓降。
21
2
1
2
2 )(2
1 hhcc ???
2222211 212121 chchch ?????
二、过程方程式
工质在管内绝热稳定流动时，若忽略摩擦
和扰动，则可视为可逆绝热流动，过程方程式
为,
过热蒸汽,k=1.30
干饱和蒸汽,k=1.135
湿饱和蒸汽,k=1.035+0.1x
常数?kpv
第二节 工质在喷管中的定熵流动
一、声速和马赫数
1、音速,声音（即微小振动）的传播速度。
当地声速,某一特定状态（如 p,v,t时）下的声速，
用 a表示。
2,马赫数,流体速度
根据马赫数的大小，将流动分为三种,
M＜ 1，即 c＜ a，为亚音速流动；
M＞ 1，即 c＞ a，为超音速流动；
M＝ 1，即 c＝ a，为音速流动或临界流动。
二、流速变化和压力变化的关系
二、流速变化和喷管截面变化的关系
对定熵过程，可推得,cdc=-vdp
气流速度增加 (dc>0)，必导致气体的压力下降 (dp<0)，这就
是喷管中的流动特征。气体速度下降 (dc<0)，则将导致气体的压
力升高 (dp>0)，这就是扩压管中的流动特征。
喷管截面与流速变化关系式,
1、喷管（降压增速）
渐缩喷管,当进入喷管的气流速度是 M＜ 1的亚声速气流时，则沿气
流方向喷管截面积必须逐渐缩小。
渐扩喷管,当进入喷管的气流是 M＞ 1的超音速气流时，则沿气流方
向喷管截面逐渐扩大。
渐缩渐扩喷管,将 M＜ 1的亚声速气流增大到成为 M＞ 1的超声速气流，
则喷管截面由逐渐缩小转为逐渐扩大。收缩与扩张之间的最小截
面处称为喉部。
c
dcM
A
dA a )1( 2 ??
2、扩压管（减速增压）
渐缩扩压管,当进入扩压管的气流速度是 M
＞ 1的超声速气流时，则沿气流方向扩压
管的截面积应逐渐缩小。
渐扩扩压管,当进入扩压管的气流是 M＜ 1的
亚声速气流时，则气流方向扩压管的截面
积应逐渐扩大。
渐缩渐扩扩压管,气流的速度在扩压管中由
M＞ 1的超声速一直降低到 M＜ 1的亚声速，
则扩压管截面由逐渐缩小转为逐渐扩大。
三、临界参数
临界截面,Ma＜ 1的涯声速流动与 Ma＞ 1的
超声速流动的转折点，又称喉部。此处的参数
称为临界参数。
临界流速是渐缩喷管可能达到的 最大出口
速度,也是缩放性喷管喉部的速度。
理想气体的临界流速,
000 1212 RTvpc c ???? ?
?
?
?
第三节 喷管的计算
一、流量计算
1.渐缩喷管,如出口截面处的流速为 v2，比
容为 c2，出口截面积为 f2，则由连续性方
程可得,
2 22v cfm ?
㎏ /s
最大流量为,
c
c
v
cfm 2
m a x ?
㎏ /s
2,渐缩渐扩喷管,
c
c
v
cfm m i n
m a x ? ㎏ /s
二、临界压力比
临界压力 Pcr与进口压力 P1之比为临界压力比。
过热蒸汽,
干饱和蒸汽,
1p
pcr
?cr?
5 4 6.0?cr?
5 7 7.0?cr?
三、流速的计算
出口流速,
临界流速,
212 72.44 hhc ??
cc hhc ?? 172.44
四、喷管内有摩擦阻力的绝热流动
速度系数,
2
2'
c
c
??
第四节 绝热节流及其应用
一、绝热节流的概念
流体在管道中流过突然缩小的截面，而又未及
与外界进行热量交换的过程。
二、绝热节流的一般分析
1、过程的基本特性
h1＝ h2
2、节流过程分析
1,理想气体, 节流后，焓不变、温度不变、
压力降低、比容增大，由于是不可逆绝热
过程，节流后熵的值增大。
2,实际气体,节流前后焓不变，但温度有
三种可能，即升高、不变或降低。
绝热节流引起的温度变化，称绝热节
流 温度效应 。节流后温度升高，称为热效
应；节流后温度降低，称为冷效应；节流
前后温度不变，称为零效应，所有理想气
体都是零效应。
三、实际应用
1、利用节流降低工质的压力
2、利用节流测定蒸汽的流量
3、利用节流减少汽轮机汽封系统的蒸汽泄漏
量。
利用节流调节汽轮机的功率
第七章 蒸汽动力循环
本章重点
? 朗肯循环、蒸汽参数对循环热效率的影响，
再热循环、回热循环、热电合供循环。
第一节 朗肯循环
一、朗肯循环
1、装置示意图
进行朗肯循环的蒸汽动力装置包括锅炉、汽
轮机、凝汽器和给水泵等四部分主要设备。如图
所示。
二,T-S图
三、工作流程
朗肯循环的工作流程,
3’ -4-5-1 水在蒸汽锅炉中定压预热、汽化
并过热，变成过热蒸汽；
1-2 过热水蒸汽在汽轮机内的定熵膨胀过程；
2-3 湿蒸汽在凝汽器内的定压定温冷却凝结
放热过程；
3-3’ 凝结水在水泵中的定熵压缩过程。
四、朗肯循环的热经济性指标
1、热效率
1kg水蒸汽在流经汽轮机的定熵膨胀过程 1-2中所做的理
论轴功为,ws.t=h1－ h2
水泵中定熵压缩过程 3-3’消耗功为,
ws.p=h3’－ h3=v3(p1-p2)
蒸汽在定压过 3’-1中从锅炉吸收的热量,q1 =h1－ h3’
乏气在定压凝结过程 2-3中向冷凝器放出的热量,q2 = h2－
h3
循环热效率
'31
32'31
1
0 )()(
hh
hhhh
q
w
t ?
??????
通常水泵消耗功与汽轮机做功量相比很小，
可忽略不计，故 h3＝ h3’
朗肯循环热效率简化为
31
21
hh
hh
t ?
???
2、汽耗率
汽耗率指的是每产生 1KWh的功（ 3600KJ）
需要消耗多少 Kg的蒸汽量，用 d表示。
210
3 6 0 03 6 0 0
hhwd ???
第二节 蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响
卡诺循环给我们指出了提高热机热效率的根
本途径，为便于分析，我们引入平均吸热温度的
概念。
如图所示，以一个等效的卡诺循环 2-3-9-8-2
代替郎肯循环 1-2-3-4-1，则平均吸热温度为,
于是等效卡诺循环热效率为,
故提高郎肯循环热效率的基本途径是提高平均
吸热温度及降低放热温度，可以采取以下措施,
一,提高蒸汽初温度
保持初压、终压不变，蒸汽初温由 T1提高到
T1’,可以看出新循环的平均吸热温度提高了，故
而提高了热效率。
76
1
3
1 ss
Td s
T m ?? ?
1
21
m
t T
T???
提高蒸汽初温度 T1的 T-S图如下
二,提高蒸汽初压力
保持初始温度及终压力不变，将初压由 p1提高
到 p1’,由图中可以看出，新循环的平均吸热温度
增高了，所以热效率得到了提高。但随着初压的提
高，乏汽的干度变大，对汽轮机的运行不利。
三、降低排汽压力
初参数不变而将终压 p2降低至 p2’,相应的放
热温度降低，因而提高了循环的热效率。然而终
压的数值主要取决于冷却水的温度，并不能任意
降低。
第三节 再热循环
一、再热循环的装置系统图和 T-S 图
二、再热循环工作原理
从图可以看出，再热部分实际上相当于在原来
的郎肯循环的基础上增加了一个新的循环。一般而
言，采用再热循环可以提高 3%左右的热效率。
三、再热循环经济性指标的计算
1、热效率
2、汽耗率
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四、再热循环分析
1、采用再热循环后，可明显提高汽轮机排
汽干度，增强了汽轮机工作的安全性；
2、采用再热循环后，可明显提高循环热效
率；
3、采用再热循环后，可明显降低汽耗率；
4、因要增设再热管道、阀门等设备，采用
再热循环要增加电厂的投资，故我国规定
单机容量在 125MW及以上机组才采用此循环。
第四节 回热循环
一、回热循环的装置系统图和 T-S 图
分析朗肯循环，导致平均吸热温度不过的原
因是水的预热过程温度较低，故设法使吸热过程
不包括这一段水的预热过程，提出了回热循环。
回热是指从汽轮机的适当部位抽出尚未完全
膨胀的压力、温度相对较高的少量蒸汽，去回热
器中加热低温冷凝水。这部分抽汽未经凝汽器，
因而没有向冷源放热，但是加热了冷凝水，达到
了回热的目的，这种循环称为抽汽回热循环。
二、一级抽汽回热循环的热经济指标
1、抽汽率
进入汽轮机的 1Kg蒸汽中所抽出的蒸汽量叫抽
汽率，用 a表示。
2、热效率
3、汽耗率
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三、回热循环的分析
1、与相同参数的朗肯循环相比，回热循环提高的给水的温度，
使循环的平均吸热温度得到了提高,从而提高了循环的热效率；
2、由于给水温度提高，锅炉的热负荷减少，可以相应减少锅炉
的受热面，从而 减少锅炉设备的投资；
3、由于抽汽不进入凝汽器向冷源放热，使得乏汽减少，凝汽器
负荷减小，从而 减少凝汽器设备的投资；
4、采用回热循环，增大了汽耗率，但同时可以加大汽轮机高压
缸的流通面积，减小低压缸的流通面积，有利于汽轮机结构改
进。
5、根据经济分析，可以确定一个最佳的给水温度，经综合分析，
最佳给水温度约为锅炉压力下饱和温度的 0.65~0.75倍 。
第五节 热电合供循环
热电厂供热的方式主要有两种：一是采用背压式汽轮机；
另一种是采用调节抽汽式汽轮机。
一、背压式汽轮机
抽汽压力大于 0.1MPa的汽轮机称为背压式汽轮机。
根据蒸汽的用途不同，背压式汽轮机的排汽压力也不同，
工业上使用的蒸汽压力一般为 0.24~0.8MPa，日常生活取暖
的蒸汽压力一般为 0.12~0.25MPa。
背压式供热机组被利用的能量包括供量和送给用户的
热量。在理想情况下，能量利用系数 K=1.实际上，除去各
种损失，能量利用系数 K一般为 65%~70%。
背压式供热机组主要优点能量利用系数高，主要不足
是供电和供热互相制约，发出的电或热不能根据拥护需要
自由调节。
二、调节抽汽式汽轮机
和背压式供热机组相比较，调节抽汽式汽轮机装设了
一个调节阀，可以调节汽轮机低压缸与热用户之间的进汽
量，从而达到同时满足热、电负荷需要的目的。
