第一章 热力学基本概念与基本定律第一节 绪言第二节 热力学基本概念第三节 热力学第一定律第四节 热力学第二定律
按照历史发展的进程，热力学形成为一门独立的学科是在热机问世之后的事。
最早的热机，就是1776 年所发明的蒸汽机。—— 工业时代开始
故最先一们定义：热力学是研究热转换为功的科学。 ——现在已不合适。
奇南（ J.K.Keenan）和赫昭普拉斯（G.H.Hatsopoulas）的定义：热力学是关于各种物理系统和状态变化以及系统与系统之间的、伴有状态变化的相互作用的科学。
卡伦(H.B.Callen) 的定义：热力学是大量原子分布结果的宏观研究，这种研究，从根本上说，是统计规律的平均值，而不是详细的微观结构的研究，是一种系统的宏观描述。
凡维伦（ G.J.Van,Wylen）和桑塔克（ R.E.Sonntag）更干脆地定义：
热力学为研究能与熵的科学。
第一节 绪言一、热力学及其研究范围
伊普斯坦(P.S.Epstein) 的定义：热力学是研究除了力学和电磁学诸参数之外，还有一些专用参数，如温度、压力以及与它们有关的参数所描述的系统的科学。从本质上说，热力学是关于系统平衡条件和状态偏离平衡状态的过程的科学。
凯斯汀(J.Kestin) 的定义：热力学是物理学的一个分支，它描述温度变化起主要作用的自然过程。在此过程中，能量从一种形式转换成另一种形式。归根到底，热力学是研究控制这种能量转换规律的科学。
我们的重点：蒸汽动力方面，故 ——热力学,是研究能量、物质特性以及支配它们相互作用的规律的应用基础学科。
二、热力学的基本体系热，两种对立的认识：
一种认为热是一种“元素”——随着片面的实验结果，发展成为,热质论”：
认为热是一种没有质量的物质，它可以透入一切物体，不生不灭，只是经常从较热的物体流向较冷的物体中。—— 在很长时间占了统治地位。
一种认为热是物质运动的一种表现。焦耳（ James Prescott Joule）
进行了大量的实验，验证了热功当量，从而确立了能量守恒与转换定律——热力学第一定律。
热力学第一定律确立了热和功相互转换的数量关系，但人们所关心的如何提高热机效率的问题仍未解决。 ------热力学第二定律 。
三、宏观热力学和微观热力学
宏观学科：热力学、固体力学、流体力学、传热学、传质学、
电磁学。 ——以宏观理论为基础，要求较少的数学知识。
特点,1结构简单 ——仅用少量的定律和基本概念，便可演绎出大量关系式，来解决各种复杂的工程问题和实际问题；
2变量较少—— 数学知识也相对简单一些； 3无前提条件 ——
不需要对物质结构有详细了解，其定律也不会因对物质本性的新发现而加修改。
微观学科：更深的数学知识，。利用微观热力学，可以预想、
推断和解释物质的宏观属性。
特点,1可解释各种物性参数之间的关系； 2也不可能如实描述—— 原子、分子等模型，是在一定的假定条件下确定的，
是一种科学的抽象，经过简化了的，并非实际的客观存在 ——
实际更复杂； 3较深的数学知识 。
第一章 热力学基本概念与基本定律第一节 绪言第二节 热力学基本概念第三节 热力学第一定律第四节 热力学第二定律第二节 热力学基本概念一、热力学基本概念经典热力学研究问题的基本方法：将所研究的对象与其周围环境划分开来，集中研究对象内部的结构特性和物理状态的变化，以及它与周围环境的相互作用。
1．热源：在热能动力工程中，把能量不间断地供给热能而自身温度不变的物体，统称为,热源” 。
（ 1）高温热源：锅炉。（ 2）低温热源：（冷源）凝汽器
2．热机：能连续不断地将热能转换成机械功的热动力设备，
统称为,热机” 。
如：汽轮机、内燃机、蒸汽机、燃汽轮机。
3．工质：实现能量转换媒介物质称为工作介质，简称,工质” 。
（用来携带热能或其它形式的能量，能通过热机或其它动力设备，实现能量形式转换或转移的中间媒介物质，统称为
“工质” 。）
往往依靠工质容积变化做功，因些要求工质有良好的流动性和膨胀性，固很少用固体做工质。如：水、油、汽、空气、
烟气、低沸点的流体（地热电站中用的丙酮、氯乙烷[沸点
12℃],氟里昂等）、热等离子体（磁流体发电）。
注：不同的工质，实现能量转换和转移的特性是不同的。
4．热力系统：————从周围物体中，人为分离出来的，用作热力学分析对象的可识别的物质集团，称作一个,热力系统” 。
外界边界热力系统
（1 ）系统的边界：实际的或虚构的分界面，界面以内的一切物质称为系统的内部，界面以外的一切物质称为系统的外界。（边界可以是真实的（可能是移动的，也可能是固定的），也可是假想的） 热力系和边界是同时确定的。
（2 ）工程热力学中，不考虑系统内部能量的交换和转化。
看重研究的是：系统与外界之间通过界面发生的能量或质量的交换。
活塞式气缸热力系 刚性容器热力系
（3 ）封闭系统：或称闭式系统（也叫定质系，或控制体）。其特点是通过系统界面与外界只有能量的交换，
而没有质量交换。
（4 ）开式系统：或称开口系统（控制空间）。系统与外界之间存在能量交换和物质量交换。
工程上绝大多数设备和装置都是开口系。 。
封闭系控制质量边界控制体边界开口系
（5 ） 绝热系统：系统与外界之间，不存在热的交换。如汽机，水泵等可近似看成绝热系统。
（6 ） 孤立系统：系统与外界之间不存在能量与物质交换。
注：系统与外界组合成一个孤立系统。
绝热系统和孤立系统都是理想化的概念。
热力系统其它分类方式物理化学性质均匀系非均匀系相态多相单相工质种类多元系单元系一般来讲，划定的热机系统中，随着时间和空间的变化，系统内工质的物理特性都不断地发生变化。
1,状态：是指工质在某一瞬间所呈现的物理状况。
人的状态：学习、精神、运动。
热力学状态：指热力系统某一瞬间工质的物理状况。
平衡状态：在外界条件不变的情况下，若系统内各物理特征参数不随时间变化。
（平衡：力平衡、热平衡（内热平衡和外热平衡）、化学平衡。）
2.热力学状态参数,描述工质所处热力状态的宏观物理特征量。
二、系统的状态和基本状态参数
描述物理状态的物理量有很多，并不是所有的物理量都是状态参数。只有那些能够确定存在状态的物理量才是状态参数。如体积、质量等不是状态参数。
在动力工程中，常以膨胀性和流动性好的气态物质作为工质，它的热力学状态参数有六个：
基本参数：是可直接测量的，即温度、压力、
比容；
导出参数：用于热功转换计算而引出的状态参数，不可测量，即内能、焓、熵。
(1)基本状态参数：
A温度——表明物质冷热程度的物理量。 ——它的微观实质是分子热运动剧烈程度的反映。
T ∝ 0.5 m w
2
热力学第零定律热力学第零定律（R.W,Fowler）
如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡 。
温度测量的理论基础
B 温度计温度的测量温度计物质（水银，铂电阻）
特性（体积膨胀，阻值）
基准点刻度温标常用温标绝对K
摄氏 ℃ 华氏 F
朗肯R
100
373.15
0.01
273.16
0
273.15
-17.8
0
-273.15
212 671.67
37.8 100
0
32
-459.67
0
459.67
491.67
冰熔点水三相点盐水沸点发烧水沸点
559.67
温标的换算
O
[ ] [ ] 273.15TK t C=+
O
5
[ ] ( [ ] 32)
9
tC tF=?
[ ] [ ] 459.67tF tR=?
1N/m
2
=1Pa
1bar=1 × 10
5
Pa
1MPa=1 × 10
6
Pa
1 atm = 760 mmHg = 1.013×10
5
Pa
1 mmHg =133.3 Pa
1 at=735.6 mmHg = 9.80665×10
4
Pa
1mmH
2
O=9.8067Pa
B压力——工质作用于器壁单位面积上的垂直作用力。
物理中压强,单位,Pa,N/m
2
压力的表示方法工业应用中，所有容器的压力都是用压力表计测出的，
称为 表压力,用Pg 表示（正压），或用 Pv表示
（负压，真空表）。它们不是容器内的真实压力。
表明容器内真实压力的是绝对压力 Pa：
对于大于当时当地大气压力 Pamb的容器真实绝对压力：
Pa=Pamb+Pg
对于小于当时当地大气压力值 Pamb的容器绝对压力：
Pa=Pamb-Pv
工程计算中的压力值，皆为绝对压力 Pa 。
Pamb
Pg
Pa
Pa=Pamb+Pg
Pamb
Pv
Pa
Pa=Pamb-Pv
p
amb
p
g
p
a
p
v
p
a
环境压力与大气压力环境压力指压力表所处环境注意：环境压力一般为大气压,但不一定。
大气压随时间、地点变化。
当 h变化大,ρ≈ ρ(h)
()p h gdhρΔ=?
∫
c.比容 ——单位质量工质所占据的体积。
V
v
m
=
［m
3
/kg]
工质聚集的疏密程度物理上常用密度 ρ
［kg/m
3
]
1
v
ρ
=
(2)导出状态参数用于热功转换计算而引出的状态参数，不可测量。
内能 U kJ
焓 H kg
熵 S kJ/K
U
u
m
=
比 内能
H
h
m
=
比 焓
S
s
m
=
比 熵
比内能 u kJ/kg
比焓 h kJ/kg
比熵 s kJ/(kg.K)
三、热力过程系统工质由一平衡状态开始，经历一系列中间变化，达到另一个平衡状态所经历的途径，称作一个热力过程。
1,准静态热力过程：
其过程的一系列中间变化点，都无限接近于平衡态，则称系统工质经历了一个准静态过程或准平衡过程。
P
1
P
2
P
3
P
1
P
1
P
1
T
1
T
1
+dT
T
2
T
1
T
2
T
1
+dT
准静态膨胀过程准静态加热过程实现准静态过程必须满足两个条件：一是过程进行时内外势差（压力差、温度差）无限小；二是过程进行必须无限缓慢。
2,可逆过程和不可逆过程
——若系统经历一个变化过程之后，能沿原来途径返回到初始状态，且对系统与外界都不留下任何影响，则称这样的热力过程为一个可逆过程。否则为不可逆过程。
3,热力过程的能量转换规律：
系统工质发生过程变化，总是系统与外界平衡被破坏的结果，所发生的能量转换，主要是热的、机械功的转换。
⑴热量转换过程
热量是工质状态变化过程中转换的能量，是过程量不是状态参数，热量 Q用 J或 KJ、q 用J/kg 和
KJ/kg度量。描述过程热量用T—S 图。
q=T?△s=T(s2-s1) kJ/kg dq=Tds
Q=mq=mT(s2-s1) kJ q= kJ/kg
Q=mq=m kJ
故T-S 图又称作,示热图,。
1
2
s1
s2
T
s
0
1
2
s1
s2
T
s
T=f(s)
dq
ds
0
∫
2
1
s
s
Tds
∫
2
1
s
s
Tds
] 凡是自左向右进行的过程，都是系统工质由外界吸热过程，热量为正；凡是自右向左进行的过程，
都是系统工质对外界放热过程，热量为负。
⑵功量转换过程
气体做功过程，遵循力做功的原理。
（力作用于物体，沿力的方向上做功量 =F?△x ）
1kg
P、v,T
△q
A
△x
1kg
P、v,T
△q
A
dx
若P为定值 若P 变化（任意过程）
△w=p?A?△x dw= p?A?dx
其中：p?A→力 dw= p? dv
A?△x →△v
△w=p? △v w= kJ/kg
w=p(v2-v1) kJ/kg
∫
2
1
v
v
pdv
故P-v 图又称作,示功图”。
分析：
* 对于任意过程（传热或做功） 1-2过程线都不是唯一的。
* 功和热量一样，都是过程量，与其大小相关的是系统工质过程的初始、终了的状态参数和热力过程的途径。
v1
v2
P
v
1
2
p=f(v)
dw
dv
0
1
2
v1
v2 v
0
P
] P-v图上，凡是自左向右的过程，对外界做功，定义为正功；凡是自右向左的过程，接受外界压缩功，定义为负功。
第一章 热力学基本概念与基本定律第一节 绪第二节 热力学基本概念第三节 热力学第一定律第四节 热力学第二定律
1909年，C,Caratheodory 最后完善热一律本质：能量转换及 守恒定律在热过程中的应用
18世纪初，工业革命，热效率只有 1%
1842年,J.R,Mayer阐述热一律，但没有引起重视
1840-1849年,Joule用多种实验的一致性证明热一律，于 1950年发表并得到公认第三节 热力学第一定律一、热力学第一定律的表述是自然界基本公理,物质和能量守恒” 在热力学上的表述：
第一种说法：,热可以变为功，功也可变为热。
一定热量消失时，必产生与之数量相当的一定量的功；消耗一定量的功时，必出现相应数量的热。”
其数学描述为,Q=W KJ
第一类 永动机是不可能实现的
第二种说法：任何一个系统，输入系统的能量减去输出系统的能量，等于系统储存能量的增加。
(Q
1
+Q
2
+ W
1
+W
2
)–(Q
3
+Q
4
+W
3
)= E
2
-E
1
(Q
1
+Q
2
-Q
3
-Q
4
)–(W
3
-W
1
-W
2
)= E
2
-E
1
∑Q
i
-∑W
j
=△E
Q-W=△E
dQ-dW=dE
Q
1
Q
2
Q
3
Q
4
W
1
W
2
W
3
E
1
E
2
例如：
Q
1
煤放热
Q
2
油枪
Q
3
烟气热损失
Q
4
散热
W
1
送入煤粉
W
2
送入空气
W
3
排走烟气
E=Ek+Ep+U= mC
2
+mgZ+U
二、气体工质的内能内动能分子移动动能分子转动动能分子振动动能内势能：分子之间相互作用力形成内位能化学内能核内能储存能宏观动能宏观位能内能
2
1
储存能 =宏观动能 +宏观位能 +内能工程热力学所研究涉及的只是,
u=f(T,v) u——“比内能”1kg 工质所具有的内能，kJ/kg ；
U——mkg工质所具有的内能，kJ；
在热力工程中，人们关心内能的变化量：
△u=u
2
-u
1
无须追究某一状态下工质内能u 的大小，可以人为地规定，
△u=u
2
-u
1
的大小才是至关重要的。
热力学规定：气体经历过程变化后，内能增加为正，内能减少为负。
气体分子的内势能—— 温度 T和比容 v的函数气体分子的内动能—— 温度 T的函数
三．闭式系统热力学第一定律解析式为：
Q=W+ m( - )+mg(Z
2
-Z
1
)+(U
2
-U
1
)
Q=W+△U kJ
或 q=w+△u kJ/kg
2
1
2
2
C
2
1
C
] Q-W=△E
静止状态：
四、稳定流动能量系统和气体的焓
1.稳定流动开口系统能量（ 1kg工质）
p
1
,v
1
、
T
1
u
1
,c
1
p
2
,v
2
、
T
2
u
2
,c
2
A
1
A
2
W
s
L
1
I
I
q
II
II
L
2
Z
1
Z
2
①稳定流动系统的连续性方程
m= = =…… =
1
11
v
cA
2
22
v
cA
v
Ac
——同一时刻流经系统各截面上的质量流量的相等。
②稳定流动系统能量的平衡
1Kg工质由进出口进入和流出其推动功
p
1
v
1
和p
2
v
2
即p
1
A
1
L
1
= p
1
v
1
，p
2
A
2
L
2
=p
2
v
2
于是：
12222
2
2111
2
1
)
2
1
()
2
1
( uuwvpgzcqvpgzc
s
=+++?+++
s
wzzgccvpvpuuq +?+?+?+?= )()(
2
1
)()(
12
2
1
2
2112212
s
wzgcpvuq +Δ+Δ+Δ+Δ=
2
2
1
)(
s
wzgchq +Δ+Δ+Δ=
2
2
1
)(pvuh Δ+Δ=Δ )(pVUH Δ+Δ=Δ
△（ PV ）,流动功：为使流体移动，热力系所需做的功称为流动功。即流体在流动过程中通过热力系边界时入口和出口的推挤功之差。
2.焓
稳定流动开口系统能量分析中，内能 U与推动功 pv
总是相伴出现的一对能量形式。
h=u+pv kJ/kg ——称为,比焓”,比焓是状态参数。
对于 mkg工质：
H=mh=U+pV kJ
作为状态参数，焓比内能使用的机会更多。
当动能差与势能差可忽略不计时，有 q =△h+ Ws
s
wzgchq +Δ+Δ+Δ=
2
2
1
第一章 热力学基本概念与基本定律第一节 绪言第二节 热力学基本概念第三节 热力学第一定律第四节 热力学第二定律第四节 热力学第二定律
能量守恒与转换定律 ——热力学第一定律是自然界基本公理，任何能量形式的转换过程都遵循这一定律，但并非遵守这一定律的过程都能自发地实现，
例如：
——热可自发地由高温区传向低温区，反之，则不能；
——通过摩擦机械能能守恒地转变成热，反之，摩擦不能使热变为功。
——1根消耗 1kWh的电阻丝，能极方便地变成等量
3600kJ热，但 3600KJ热无论如何也转换不成 1kWh
的电能。
?第一定律从能量守恒的角度，确定了能量转换的数量关系，而没涉及过程进行的方向和深度，即没涉及能的质量，即能级品位问题。
?能的品位：如：空气：
P=105Pa,T=300K,u1=214.07kJ/kg;
P=105Pa,T=500K,u2=359.49kJ/kg; 即1.68u1= u2
?即1.68 kg300K 的水其焓值与 1 kg 500K的水的能量值相等，但二者能量显然是有差别的。
一,热力学第二定律的表述热功转换 传 热热二律的表述有 60-70 种
1851年开尔文－普朗克表述热功转换的角度
1850年克劳修斯表述热量传递的角度
A克劳修斯说法
“热不可能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体。,
B开尔文—普朗克说法：
“只冷却一个热源而连续做功的循环发动机是造不成功的。,
上述两种说法是等价的，它证明了从古至今仍企图研制只有单一热源的热机 ——第二类永动机不会实现。
热力学第二定律说明，能量的转换是有方向性的，
功变热，高温向低温传热皆可自发地等价进行，
反之就必须提供附加条件，付出代价。
二、工质的熵
定量的描述热力学第二定律所表述的过程方向性，就要引入导出状态参数—— 熵。
在前面的热力过程描述时，我们知道，功和热都是能量传递过程中的一种方式，而且具有共同特征规律。其计算公式应该有相似之处。
容积变化功,dw=pdv 比容的变化是决定容积变化功的因素，有比容变化则有容积变化功，并且,dv>0，工质膨胀，dv<0,工质被压缩，dv=0,无容积变化功。压力 P表示一种推动力，在变化相同条件下,P大则具有更多的容积变化功。 P称为压力势。
对传热过程：传热过程的势是温度 T，称为温度势。同样应存在一个能确定有无传热过程的状态参数，即是否发生了热量传递。这个参数就是熵 ——S。—— 状态参数。
“我力图用一个简单的量表征一定状态的规律来揭示所有过程，于是我就创造了一个量…… 我把它叫做熵。…… 在一切自然现象中，熵的值永远只能增加，而不能减少。,
即：dq=Tds kJ/kg
——微熵ds 为1kg 工质在发生微小可逆状态变化过程中，为外界微小热量dq 转换和传热时工质绝对温度T 的商。
——1kg工质的熵，即,比熵”,用“s” 表示。kJ/(kg·K)
——mkg工质的熵，用“S” 表示。kJ/K
——在工程热力学分析中，S象内能一样，其在过程之后的变化量△S才是我们关心的。
——对一个热力过程而言，熵可增（+ ）可减（- ）或不变。
——熵是描述自发过程由有序到无序自然衍变程度的度量。
这样的自发过程总是使能量贬值，熵值是增加的。
1
2
s1
s2
T
s
T=f(s)
dq
ds
0
三、孤立系统的熵增
如图所示，孤立系统（与外界无热与功及质量交换）：
TA>TB。
B
A
介质绝热边界由热源和传热介质组成的孤立系
)
11
(0
BABA
WBA
TT
dQ
T
dQ
dT
dQ
dSdSdSdS +?=++?=++=
高温热源失去热量，熵变为：
低温热源得到热量，熵变为：
工质只作为媒体传热：
A
A
T
dQ
dS?=
B
B
T
dQ
dS =
0=
W
dS
∵T
A
>T
B
∴dS>0 T
A
=T
B
dS =0
孤立系统经历任意过程之后，系统熵只会增加（不等温传递为不可逆过程）或熵值不变（等温下相互传热为可逆过程），但系统熵值绝不会减少。
四、循环
1循环
前面我们研究了过程，划定热力系统中，工质按第一定律可实现热功，
从而由热力过程获取热量做功。
但，任何一个热力过程不可能连续不断地做功，这是因为：
①工质的品质是付代价获取的，一次性的 使用是极大的浪费和不合理的。
②工质的压力会降低到不能继续膨胀的低水平，失去做功能力。
③热机的尺寸是有限的，不可能使工质无限止地膨胀做功。
因此，为使热机中工质能连续不断做功就必须使工质在膨胀到一定低压程度后，再经历压缩和加热过程，使其回到原来的高能位状态重新获得做功本领，重复再一次的做功过程。
“这种使工质从某一状态出发，经历一系列状态变化过程，重新回到初始状态的全部，称作一个循环。,
在状态坐标图上，循环是一个封闭曲线。
正向循环：工质的状态变化沿顺时针方向进行逆向循环：工质的状态变化沿逆时针方向进行按设备的功用不同：
s
1
s
2
T
s
1
2
a
b
0
v
1
v
2
P
v
1
2
w>0
a
b
0
P
v
1
2
0
3
4
T
s
1
2
0
3
4
两个定压过程和两个定容过程构成的理想气体动力循环：
２．正向循环（各种汽缸）
3．逆向循环（如冰箱）
v
1
v
2
P
v
1
2
a
b
0
s
1
s
2
T
s
1
2
a
b
0
4．循环效率
采用动力循环的目的，是为了使系统向外界输出功，而工质从高温热源吸收热量要消耗能源。评价动力循环的指标是循环热效率：
循环实现付出的代价循环获得净收益循环效率 =
%100)1(
2
1
1
21
1
0
×?=
==
q
q
q
qq
q
w
t
η
热一律否定第一类永动机热机的热效率最大能达到多少？
又与哪些因素有关？
热一律与热二律
η
t
>100％不可能热二律否定第二类永动机
η
t
=100％不可能四、卡诺循环法国工程师卡诺(S,Carnot)，
1824年提出卡诺循环既然 η
t
=100％不可能热机能达到的最高效率有多少？
热二律奠基人效率最高
1．它由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程构成的正向循环。
s
1
s
2
T
s
1
2
0
3
4
T
1
w
0
=q
1
-q
2
T
2
P
v
1
2
0
3
4
可逆定温吸热可逆定温放热绝热膨胀做功绝热压缩耗功
②限定在温度区间
③一个可逆循环
q
2
=T
2
△s
q
1
=T
1
△s
①四个可逆过程组成
4-1绝热压缩 过程，对内作功
1-2定温吸热 过程,q
1
= T
1
(s
2
-s
1
)
2-3绝热膨胀 过程，对外作功
3-4定温放热 过程,q
2
= T
2
(s
2
-s
1
)
2卡 诺循环效率
1
2
1
2
1
2
1
0
111
T
T
sT
sT
q
q
q
w
TC
=
Δ
Δ
=?==η
η
t,c
只取决于恒温热源 T
1
和 T
2
而与工质的性质无关；
2
t,C
1
1
T
T
η =?
卡诺循环效率的说明
T
1
η
t,c,
T
2
η
c,
温差越大,η
t,c
越高
当 T
1
=T
2
,η
t,c
= 0,单热源热机不可能
T
1
= ∝ K,T
2
= 0 K,∴η
t,c
< 100%,热二律三种卡诺循环
T
0
T
2
T
1
制冷制热
T
s
T
1
T
2
动力六、卡诺定理— 热二律的推论之一
定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的
所有热机，以可逆热机的热效率为最高。
卡诺提出：卡诺循环效率最高即在恒温 T
1
,T
2
下
t,R
t,
η η>
任结论正确，但推导过程是错误的当时盛行“热质说”
1850年开尔文,1851年克劳修斯分别重新证明卡诺定理推论一,在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质无关。
卡诺定理推论二,在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆热机，其热效率总小于这两个热源间工作的可逆热机的效率。
卡诺定理小结
1,在两个不同 T 的恒温热源间工作的一切可逆热机 η
tR
= η
tC
2,多热源间工作的一切可逆热机
η
tR多
< 同温限间工作卡诺机 η
tC
3,不可逆热机 η
tIR
< 同热源间工作可逆热机 η
tR
η
tIR
< η
tR
=η
tC
∴ 在给定的温度界限间工作的一切热机，
η
tC
最高 热机极限卡诺定理的意义从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件，指出了提高热机热效率的方向，是研究热机性能不可缺少的准绳。
对热力学第二定律的建立具有重大意义。
实际循环与卡诺循环内燃机 t
1
=2000
o
C,t
2
=300
o
C
η
tC
=74.7% 实际 η
t
=40%
卡诺热机只有理论意义，最高理想实际上 T s 很难实现火力发电 t
1
=600
o
C,t
2
=25
o
C
η
tC
=65.9% 实际 η
t
=40%
回热 η
t
可达 50%
本章重点
热源
热力系统
热力状态参数
热力学第一定理
热力学第二定理
卡诺循环
按照历史发展的进程，热力学形成为一门独立的学科是在热机问世之后的事。
最早的热机，就是1776 年所发明的蒸汽机。—— 工业时代开始
故最先一们定义：热力学是研究热转换为功的科学。 ——现在已不合适。
奇南（ J.K.Keenan）和赫昭普拉斯（G.H.Hatsopoulas）的定义：热力学是关于各种物理系统和状态变化以及系统与系统之间的、伴有状态变化的相互作用的科学。
卡伦(H.B.Callen) 的定义：热力学是大量原子分布结果的宏观研究，这种研究，从根本上说，是统计规律的平均值，而不是详细的微观结构的研究，是一种系统的宏观描述。
凡维伦（ G.J.Van,Wylen）和桑塔克（ R.E.Sonntag）更干脆地定义：
热力学为研究能与熵的科学。
第一节 绪言一、热力学及其研究范围
伊普斯坦(P.S.Epstein) 的定义：热力学是研究除了力学和电磁学诸参数之外，还有一些专用参数，如温度、压力以及与它们有关的参数所描述的系统的科学。从本质上说，热力学是关于系统平衡条件和状态偏离平衡状态的过程的科学。
凯斯汀(J.Kestin) 的定义：热力学是物理学的一个分支，它描述温度变化起主要作用的自然过程。在此过程中，能量从一种形式转换成另一种形式。归根到底，热力学是研究控制这种能量转换规律的科学。
我们的重点：蒸汽动力方面，故 ——热力学,是研究能量、物质特性以及支配它们相互作用的规律的应用基础学科。
二、热力学的基本体系热，两种对立的认识：
一种认为热是一种“元素”——随着片面的实验结果，发展成为,热质论”：
认为热是一种没有质量的物质，它可以透入一切物体，不生不灭，只是经常从较热的物体流向较冷的物体中。—— 在很长时间占了统治地位。
一种认为热是物质运动的一种表现。焦耳（ James Prescott Joule）
进行了大量的实验，验证了热功当量，从而确立了能量守恒与转换定律——热力学第一定律。
热力学第一定律确立了热和功相互转换的数量关系，但人们所关心的如何提高热机效率的问题仍未解决。 ------热力学第二定律 。
三、宏观热力学和微观热力学
宏观学科：热力学、固体力学、流体力学、传热学、传质学、
电磁学。 ——以宏观理论为基础，要求较少的数学知识。
特点,1结构简单 ——仅用少量的定律和基本概念，便可演绎出大量关系式，来解决各种复杂的工程问题和实际问题；
2变量较少—— 数学知识也相对简单一些； 3无前提条件 ——
不需要对物质结构有详细了解，其定律也不会因对物质本性的新发现而加修改。
微观学科：更深的数学知识，。利用微观热力学，可以预想、
推断和解释物质的宏观属性。
特点,1可解释各种物性参数之间的关系； 2也不可能如实描述—— 原子、分子等模型，是在一定的假定条件下确定的，
是一种科学的抽象，经过简化了的，并非实际的客观存在 ——
实际更复杂； 3较深的数学知识 。
第一章 热力学基本概念与基本定律第一节 绪言第二节 热力学基本概念第三节 热力学第一定律第四节 热力学第二定律第二节 热力学基本概念一、热力学基本概念经典热力学研究问题的基本方法：将所研究的对象与其周围环境划分开来，集中研究对象内部的结构特性和物理状态的变化，以及它与周围环境的相互作用。
1．热源：在热能动力工程中，把能量不间断地供给热能而自身温度不变的物体，统称为,热源” 。
（ 1）高温热源：锅炉。（ 2）低温热源：（冷源）凝汽器
2．热机：能连续不断地将热能转换成机械功的热动力设备，
统称为,热机” 。
如：汽轮机、内燃机、蒸汽机、燃汽轮机。
3．工质：实现能量转换媒介物质称为工作介质，简称,工质” 。
（用来携带热能或其它形式的能量，能通过热机或其它动力设备，实现能量形式转换或转移的中间媒介物质，统称为
“工质” 。）
往往依靠工质容积变化做功，因些要求工质有良好的流动性和膨胀性，固很少用固体做工质。如：水、油、汽、空气、
烟气、低沸点的流体（地热电站中用的丙酮、氯乙烷[沸点
12℃],氟里昂等）、热等离子体（磁流体发电）。
注：不同的工质，实现能量转换和转移的特性是不同的。
4．热力系统：————从周围物体中，人为分离出来的，用作热力学分析对象的可识别的物质集团，称作一个,热力系统” 。
外界边界热力系统
（1 ）系统的边界：实际的或虚构的分界面，界面以内的一切物质称为系统的内部，界面以外的一切物质称为系统的外界。（边界可以是真实的（可能是移动的，也可能是固定的），也可是假想的） 热力系和边界是同时确定的。
（2 ）工程热力学中，不考虑系统内部能量的交换和转化。
看重研究的是：系统与外界之间通过界面发生的能量或质量的交换。
活塞式气缸热力系 刚性容器热力系
（3 ）封闭系统：或称闭式系统（也叫定质系，或控制体）。其特点是通过系统界面与外界只有能量的交换，
而没有质量交换。
（4 ）开式系统：或称开口系统（控制空间）。系统与外界之间存在能量交换和物质量交换。
工程上绝大多数设备和装置都是开口系。 。
封闭系控制质量边界控制体边界开口系
（5 ） 绝热系统：系统与外界之间，不存在热的交换。如汽机，水泵等可近似看成绝热系统。
（6 ） 孤立系统：系统与外界之间不存在能量与物质交换。
注：系统与外界组合成一个孤立系统。
绝热系统和孤立系统都是理想化的概念。
热力系统其它分类方式物理化学性质均匀系非均匀系相态多相单相工质种类多元系单元系一般来讲，划定的热机系统中，随着时间和空间的变化，系统内工质的物理特性都不断地发生变化。
1,状态：是指工质在某一瞬间所呈现的物理状况。
人的状态：学习、精神、运动。
热力学状态：指热力系统某一瞬间工质的物理状况。
平衡状态：在外界条件不变的情况下，若系统内各物理特征参数不随时间变化。
（平衡：力平衡、热平衡（内热平衡和外热平衡）、化学平衡。）
2.热力学状态参数,描述工质所处热力状态的宏观物理特征量。
二、系统的状态和基本状态参数
描述物理状态的物理量有很多，并不是所有的物理量都是状态参数。只有那些能够确定存在状态的物理量才是状态参数。如体积、质量等不是状态参数。
在动力工程中，常以膨胀性和流动性好的气态物质作为工质，它的热力学状态参数有六个：
基本参数：是可直接测量的，即温度、压力、
比容；
导出参数：用于热功转换计算而引出的状态参数，不可测量，即内能、焓、熵。
(1)基本状态参数：
A温度——表明物质冷热程度的物理量。 ——它的微观实质是分子热运动剧烈程度的反映。
T ∝ 0.5 m w
2
热力学第零定律热力学第零定律（R.W,Fowler）
如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡 。
温度测量的理论基础
B 温度计温度的测量温度计物质（水银，铂电阻）
特性（体积膨胀，阻值）
基准点刻度温标常用温标绝对K
摄氏 ℃ 华氏 F
朗肯R
100
373.15
0.01
273.16
0
273.15
-17.8
0
-273.15
212 671.67
37.8 100
0
32
-459.67
0
459.67
491.67
冰熔点水三相点盐水沸点发烧水沸点
559.67
温标的换算
O
[ ] [ ] 273.15TK t C=+
O
5
[ ] ( [ ] 32)
9
tC tF=?
[ ] [ ] 459.67tF tR=?
1N/m
2
=1Pa
1bar=1 × 10
5
Pa
1MPa=1 × 10
6
Pa
1 atm = 760 mmHg = 1.013×10
5
Pa
1 mmHg =133.3 Pa
1 at=735.6 mmHg = 9.80665×10
4
Pa
1mmH
2
O=9.8067Pa
B压力——工质作用于器壁单位面积上的垂直作用力。
物理中压强,单位,Pa,N/m
2
压力的表示方法工业应用中，所有容器的压力都是用压力表计测出的，
称为 表压力,用Pg 表示（正压），或用 Pv表示
（负压，真空表）。它们不是容器内的真实压力。
表明容器内真实压力的是绝对压力 Pa：
对于大于当时当地大气压力 Pamb的容器真实绝对压力：
Pa=Pamb+Pg
对于小于当时当地大气压力值 Pamb的容器绝对压力：
Pa=Pamb-Pv
工程计算中的压力值，皆为绝对压力 Pa 。
Pamb
Pg
Pa
Pa=Pamb+Pg
Pamb
Pv
Pa
Pa=Pamb-Pv
p
amb
p
g
p
a
p
v
p
a
环境压力与大气压力环境压力指压力表所处环境注意：环境压力一般为大气压,但不一定。
大气压随时间、地点变化。
当 h变化大,ρ≈ ρ(h)
()p h gdhρΔ=?
∫
c.比容 ——单位质量工质所占据的体积。
V
v
m
=
［m
3
/kg]
工质聚集的疏密程度物理上常用密度 ρ
［kg/m
3
]
1
v
ρ
=
(2)导出状态参数用于热功转换计算而引出的状态参数，不可测量。
内能 U kJ
焓 H kg
熵 S kJ/K
U
u
m
=
比 内能
H
h
m
=
比 焓
S
s
m
=
比 熵
比内能 u kJ/kg
比焓 h kJ/kg
比熵 s kJ/(kg.K)
三、热力过程系统工质由一平衡状态开始，经历一系列中间变化，达到另一个平衡状态所经历的途径，称作一个热力过程。
1,准静态热力过程：
其过程的一系列中间变化点，都无限接近于平衡态，则称系统工质经历了一个准静态过程或准平衡过程。
P
1
P
2
P
3
P
1
P
1
P
1
T
1
T
1
+dT
T
2
T
1
T
2
T
1
+dT
准静态膨胀过程准静态加热过程实现准静态过程必须满足两个条件：一是过程进行时内外势差（压力差、温度差）无限小；二是过程进行必须无限缓慢。
2,可逆过程和不可逆过程
——若系统经历一个变化过程之后，能沿原来途径返回到初始状态，且对系统与外界都不留下任何影响，则称这样的热力过程为一个可逆过程。否则为不可逆过程。
3,热力过程的能量转换规律：
系统工质发生过程变化，总是系统与外界平衡被破坏的结果，所发生的能量转换，主要是热的、机械功的转换。
⑴热量转换过程
热量是工质状态变化过程中转换的能量，是过程量不是状态参数，热量 Q用 J或 KJ、q 用J/kg 和
KJ/kg度量。描述过程热量用T—S 图。
q=T?△s=T(s2-s1) kJ/kg dq=Tds
Q=mq=mT(s2-s1) kJ q= kJ/kg
Q=mq=m kJ
故T-S 图又称作,示热图,。
1
2
s1
s2
T
s
0
1
2
s1
s2
T
s
T=f(s)
dq
ds
0
∫
2
1
s
s
Tds
∫
2
1
s
s
Tds
] 凡是自左向右进行的过程，都是系统工质由外界吸热过程，热量为正；凡是自右向左进行的过程，
都是系统工质对外界放热过程，热量为负。
⑵功量转换过程
气体做功过程，遵循力做功的原理。
（力作用于物体，沿力的方向上做功量 =F?△x ）
1kg
P、v,T
△q
A
△x
1kg
P、v,T
△q
A
dx
若P为定值 若P 变化（任意过程）
△w=p?A?△x dw= p?A?dx
其中：p?A→力 dw= p? dv
A?△x →△v
△w=p? △v w= kJ/kg
w=p(v2-v1) kJ/kg
∫
2
1
v
v
pdv
故P-v 图又称作,示功图”。
分析：
* 对于任意过程（传热或做功） 1-2过程线都不是唯一的。
* 功和热量一样，都是过程量，与其大小相关的是系统工质过程的初始、终了的状态参数和热力过程的途径。
v1
v2
P
v
1
2
p=f(v)
dw
dv
0
1
2
v1
v2 v
0
P
] P-v图上，凡是自左向右的过程，对外界做功，定义为正功；凡是自右向左的过程，接受外界压缩功，定义为负功。
第一章 热力学基本概念与基本定律第一节 绪第二节 热力学基本概念第三节 热力学第一定律第四节 热力学第二定律
1909年，C,Caratheodory 最后完善热一律本质：能量转换及 守恒定律在热过程中的应用
18世纪初，工业革命，热效率只有 1%
1842年,J.R,Mayer阐述热一律，但没有引起重视
1840-1849年,Joule用多种实验的一致性证明热一律，于 1950年发表并得到公认第三节 热力学第一定律一、热力学第一定律的表述是自然界基本公理,物质和能量守恒” 在热力学上的表述：
第一种说法：,热可以变为功，功也可变为热。
一定热量消失时，必产生与之数量相当的一定量的功；消耗一定量的功时，必出现相应数量的热。”
其数学描述为,Q=W KJ
第一类 永动机是不可能实现的
第二种说法：任何一个系统，输入系统的能量减去输出系统的能量，等于系统储存能量的增加。
(Q
1
+Q
2
+ W
1
+W
2
)–(Q
3
+Q
4
+W
3
)= E
2
-E
1
(Q
1
+Q
2
-Q
3
-Q
4
)–(W
3
-W
1
-W
2
)= E
2
-E
1
∑Q
i
-∑W
j
=△E
Q-W=△E
dQ-dW=dE
Q
1
Q
2
Q
3
Q
4
W
1
W
2
W
3
E
1
E
2
例如：
Q
1
煤放热
Q
2
油枪
Q
3
烟气热损失
Q
4
散热
W
1
送入煤粉
W
2
送入空气
W
3
排走烟气
E=Ek+Ep+U= mC
2
+mgZ+U
二、气体工质的内能内动能分子移动动能分子转动动能分子振动动能内势能：分子之间相互作用力形成内位能化学内能核内能储存能宏观动能宏观位能内能
2
1
储存能 =宏观动能 +宏观位能 +内能工程热力学所研究涉及的只是,
u=f(T,v) u——“比内能”1kg 工质所具有的内能，kJ/kg ；
U——mkg工质所具有的内能，kJ；
在热力工程中，人们关心内能的变化量：
△u=u
2
-u
1
无须追究某一状态下工质内能u 的大小，可以人为地规定，
△u=u
2
-u
1
的大小才是至关重要的。
热力学规定：气体经历过程变化后，内能增加为正，内能减少为负。
气体分子的内势能—— 温度 T和比容 v的函数气体分子的内动能—— 温度 T的函数
三．闭式系统热力学第一定律解析式为：
Q=W+ m( - )+mg(Z
2
-Z
1
)+(U
2
-U
1
)
Q=W+△U kJ
或 q=w+△u kJ/kg
2
1
2
2
C
2
1
C
] Q-W=△E
静止状态：
四、稳定流动能量系统和气体的焓
1.稳定流动开口系统能量（ 1kg工质）
p
1
,v
1
、
T
1
u
1
,c
1
p
2
,v
2
、
T
2
u
2
,c
2
A
1
A
2
W
s
L
1
I
I
q
II
II
L
2
Z
1
Z
2
①稳定流动系统的连续性方程
m= = =…… =
1
11
v
cA
2
22
v
cA
v
Ac
——同一时刻流经系统各截面上的质量流量的相等。
②稳定流动系统能量的平衡
1Kg工质由进出口进入和流出其推动功
p
1
v
1
和p
2
v
2
即p
1
A
1
L
1
= p
1
v
1
，p
2
A
2
L
2
=p
2
v
2
于是：
12222
2
2111
2
1
)
2
1
()
2
1
( uuwvpgzcqvpgzc
s
=+++?+++
s
wzzgccvpvpuuq +?+?+?+?= )()(
2
1
)()(
12
2
1
2
2112212
s
wzgcpvuq +Δ+Δ+Δ+Δ=
2
2
1
)(
s
wzgchq +Δ+Δ+Δ=
2
2
1
)(pvuh Δ+Δ=Δ )(pVUH Δ+Δ=Δ
△（ PV ）,流动功：为使流体移动，热力系所需做的功称为流动功。即流体在流动过程中通过热力系边界时入口和出口的推挤功之差。
2.焓
稳定流动开口系统能量分析中，内能 U与推动功 pv
总是相伴出现的一对能量形式。
h=u+pv kJ/kg ——称为,比焓”,比焓是状态参数。
对于 mkg工质：
H=mh=U+pV kJ
作为状态参数，焓比内能使用的机会更多。
当动能差与势能差可忽略不计时，有 q =△h+ Ws
s
wzgchq +Δ+Δ+Δ=
2
2
1
第一章 热力学基本概念与基本定律第一节 绪言第二节 热力学基本概念第三节 热力学第一定律第四节 热力学第二定律第四节 热力学第二定律
能量守恒与转换定律 ——热力学第一定律是自然界基本公理，任何能量形式的转换过程都遵循这一定律，但并非遵守这一定律的过程都能自发地实现，
例如：
——热可自发地由高温区传向低温区，反之，则不能；
——通过摩擦机械能能守恒地转变成热，反之，摩擦不能使热变为功。
——1根消耗 1kWh的电阻丝，能极方便地变成等量
3600kJ热，但 3600KJ热无论如何也转换不成 1kWh
的电能。
?第一定律从能量守恒的角度，确定了能量转换的数量关系，而没涉及过程进行的方向和深度，即没涉及能的质量，即能级品位问题。
?能的品位：如：空气：
P=105Pa,T=300K,u1=214.07kJ/kg;
P=105Pa,T=500K,u2=359.49kJ/kg; 即1.68u1= u2
?即1.68 kg300K 的水其焓值与 1 kg 500K的水的能量值相等，但二者能量显然是有差别的。
一,热力学第二定律的表述热功转换 传 热热二律的表述有 60-70 种
1851年开尔文－普朗克表述热功转换的角度
1850年克劳修斯表述热量传递的角度
A克劳修斯说法
“热不可能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体。,
B开尔文—普朗克说法：
“只冷却一个热源而连续做功的循环发动机是造不成功的。,
上述两种说法是等价的，它证明了从古至今仍企图研制只有单一热源的热机 ——第二类永动机不会实现。
热力学第二定律说明，能量的转换是有方向性的，
功变热，高温向低温传热皆可自发地等价进行，
反之就必须提供附加条件，付出代价。
二、工质的熵
定量的描述热力学第二定律所表述的过程方向性，就要引入导出状态参数—— 熵。
在前面的热力过程描述时，我们知道，功和热都是能量传递过程中的一种方式，而且具有共同特征规律。其计算公式应该有相似之处。
容积变化功,dw=pdv 比容的变化是决定容积变化功的因素，有比容变化则有容积变化功，并且,dv>0，工质膨胀，dv<0,工质被压缩，dv=0,无容积变化功。压力 P表示一种推动力，在变化相同条件下,P大则具有更多的容积变化功。 P称为压力势。
对传热过程：传热过程的势是温度 T，称为温度势。同样应存在一个能确定有无传热过程的状态参数，即是否发生了热量传递。这个参数就是熵 ——S。—— 状态参数。
“我力图用一个简单的量表征一定状态的规律来揭示所有过程，于是我就创造了一个量…… 我把它叫做熵。…… 在一切自然现象中，熵的值永远只能增加，而不能减少。,
即：dq=Tds kJ/kg
——微熵ds 为1kg 工质在发生微小可逆状态变化过程中，为外界微小热量dq 转换和传热时工质绝对温度T 的商。
——1kg工质的熵，即,比熵”,用“s” 表示。kJ/(kg·K)
——mkg工质的熵，用“S” 表示。kJ/K
——在工程热力学分析中，S象内能一样，其在过程之后的变化量△S才是我们关心的。
——对一个热力过程而言，熵可增（+ ）可减（- ）或不变。
——熵是描述自发过程由有序到无序自然衍变程度的度量。
这样的自发过程总是使能量贬值，熵值是增加的。
1
2
s1
s2
T
s
T=f(s)
dq
ds
0
三、孤立系统的熵增
如图所示，孤立系统（与外界无热与功及质量交换）：
TA>TB。
B
A
介质绝热边界由热源和传热介质组成的孤立系
)
11
(0
BABA
WBA
TT
dQ
T
dQ
dT
dQ
dSdSdSdS +?=++?=++=
高温热源失去热量，熵变为：
低温热源得到热量，熵变为：
工质只作为媒体传热：
A
A
T
dQ
dS?=
B
B
T
dQ
dS =
0=
W
dS
∵T
A
>T
B
∴dS>0 T
A
=T
B
dS =0
孤立系统经历任意过程之后，系统熵只会增加（不等温传递为不可逆过程）或熵值不变（等温下相互传热为可逆过程），但系统熵值绝不会减少。
四、循环
1循环
前面我们研究了过程，划定热力系统中，工质按第一定律可实现热功，
从而由热力过程获取热量做功。
但，任何一个热力过程不可能连续不断地做功，这是因为：
①工质的品质是付代价获取的，一次性的 使用是极大的浪费和不合理的。
②工质的压力会降低到不能继续膨胀的低水平，失去做功能力。
③热机的尺寸是有限的，不可能使工质无限止地膨胀做功。
因此，为使热机中工质能连续不断做功就必须使工质在膨胀到一定低压程度后，再经历压缩和加热过程，使其回到原来的高能位状态重新获得做功本领，重复再一次的做功过程。
“这种使工质从某一状态出发，经历一系列状态变化过程，重新回到初始状态的全部，称作一个循环。,
在状态坐标图上，循环是一个封闭曲线。
正向循环：工质的状态变化沿顺时针方向进行逆向循环：工质的状态变化沿逆时针方向进行按设备的功用不同：
s
1
s
2
T
s
1
2
a
b
0
v
1
v
2
P
v
1
2
w>0
a
b
0
P
v
1
2
0
3
4
T
s
1
2
0
3
4
两个定压过程和两个定容过程构成的理想气体动力循环：
２．正向循环（各种汽缸）
3．逆向循环（如冰箱）
v
1
v
2
P
v
1
2
a
b
0
s
1
s
2
T
s
1
2
a
b
0
4．循环效率
采用动力循环的目的，是为了使系统向外界输出功，而工质从高温热源吸收热量要消耗能源。评价动力循环的指标是循环热效率：
循环实现付出的代价循环获得净收益循环效率 =
%100)1(
2
1
1
21
1
0
×?=
==
q
q
q
q
w
t
η
热一律否定第一类永动机热机的热效率最大能达到多少？
又与哪些因素有关？
热一律与热二律
η
t
>100％不可能热二律否定第二类永动机
η
t
=100％不可能四、卡诺循环法国工程师卡诺(S,Carnot)，
1824年提出卡诺循环既然 η
t
=100％不可能热机能达到的最高效率有多少？
热二律奠基人效率最高
1．它由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程构成的正向循环。
s
1
s
2
T
s
1
2
0
3
4
T
1
w
0
=q
1
-q
2
T
2
P
v
1
2
0
3
4
可逆定温吸热可逆定温放热绝热膨胀做功绝热压缩耗功
②限定在温度区间
③一个可逆循环
q
2
=T
2
△s
q
1
=T
1
△s
①四个可逆过程组成
4-1绝热压缩 过程，对内作功
1-2定温吸热 过程,q
1
= T
1
(s
2
-s
1
)
2-3绝热膨胀 过程，对外作功
3-4定温放热 过程,q
2
= T
2
(s
2
-s
1
)
2卡 诺循环效率
1
2
1
2
1
2
1
0
111
T
T
sT
sT
q
q
q
w
TC
=
Δ
Δ
=?==η
η
t,c
只取决于恒温热源 T
1
和 T
2
而与工质的性质无关；
2
t,C
1
1
T
T
η =?
卡诺循环效率的说明
T
1
η
t,c,
T
2
η
c,
温差越大,η
t,c
越高
当 T
1
=T
2
,η
t,c
= 0,单热源热机不可能
T
1
= ∝ K,T
2
= 0 K,∴η
t,c
< 100%,热二律三种卡诺循环
T
0
T
2
T
1
制冷制热
T
s
T
1
T
2
动力六、卡诺定理— 热二律的推论之一
定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的
所有热机，以可逆热机的热效率为最高。
卡诺提出：卡诺循环效率最高即在恒温 T
1
,T
2
下
t,R
t,
η η>
任结论正确，但推导过程是错误的当时盛行“热质说”
1850年开尔文,1851年克劳修斯分别重新证明卡诺定理推论一,在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质无关。
卡诺定理推论二,在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆热机，其热效率总小于这两个热源间工作的可逆热机的效率。
卡诺定理小结
1,在两个不同 T 的恒温热源间工作的一切可逆热机 η
tR
= η
tC
2,多热源间工作的一切可逆热机
η
tR多
< 同温限间工作卡诺机 η
tC
3,不可逆热机 η
tIR
< 同热源间工作可逆热机 η
tR
η
tIR
< η
tR
=η
tC
∴ 在给定的温度界限间工作的一切热机，
η
tC
最高 热机极限卡诺定理的意义从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件，指出了提高热机热效率的方向，是研究热机性能不可缺少的准绳。
对热力学第二定律的建立具有重大意义。
实际循环与卡诺循环内燃机 t
1
=2000
o
C,t
2
=300
o
C
η
tC
=74.7% 实际 η
t
=40%
卡诺热机只有理论意义，最高理想实际上 T s 很难实现火力发电 t
1
=600
o
C,t
2
=25
o
C
η
tC
=65.9% 实际 η
t
=40%
回热 η
t
可达 50%
本章重点
热源
热力系统
热力状态参数
热力学第一定理
热力学第二定理
卡诺循环
