热能与动力工程专业英语第三版翻译.pdf

1、第一章第一章 热科学基础热科学基础1.1工程热力学基础热力学是一门研究能量储存、转换及传递的科学。能量以内能（与温度有关）、工程热力学基础热力学是一门研究能量储存、转换及传递的科学。能量以内能（与温度有关）、动能（由物体运动动能（由物体运动引起）、势能（由高度引起）和化学能（与化学组成相关）的形式储存。不同形式的能量可以相互转化，引起）、势能（由高度引起）和化学能（与化学组成相关）的形式储存。不同形式的能量可以相互转化，而且能量在边界上可以以热和功的形式进行传递。而且能量在边界上可以以热和功的形式进行传递。在热力学中，我们将推导有关能量转化和传递与物性参数，如温度、压强及密度等关系间的方程。在热力学中，我们将推导有关能量转化和传递与物性参数，如温度、压强及密度等关系间的方程。因此，在热力学中，物质及其性质变得非常重要。许多热力学方程都是建立在实验观察的基础之上，而因此，在热力学中，物质及其性质变得非常重要。许多热力学方程都是建立在实验观察的基础之上，而且这些实验观察的结果已被整理成数学表达式或定律的形式。其中，热力学第一定律和第二定律应用最且这些实验观察的结果已被整理成数学表达式或定律

2、的形式。其中，热力学第一定律和第二定律应用最为广泛。为广泛。1.1.1热力系统和控制体热力系统和控制体热力系统是一包围在某一封闭边界内的具有固定质量的物质。系统边界通常是比较明显的（如气缸热力系统是一包围在某一封闭边界内的具有固定质量的物质。系统边界通常是比较明显的（如气缸内气体的固定边界）。然而，系统边界也可以是假想的（如一定质量的流体流经泵时不断变形的边界）。内气体的固定边界）。然而，系统边界也可以是假想的（如一定质量的流体流经泵时不断变形的边界）。系统之外的所有物质和空间统称外界或环境。热力学主要研究系统与外界或系统与系统之间的相互系统之外的所有物质和空间统称外界或环境。热力学主要研究系统与外界或系统与系统之间的相互作用。系统通过在边界上进行能量传递，从而与外界进行相互作用，但在边界上没有质量交换。当系统作用。系统通过在边界上进行能量传递，从而与外界进行相互作用，但在边界上没有质量交换。当系统与外界间没有能量交换时，这样的系统称为孤立系统。与外界间没有能量交换时，这样的系统称为孤立系统。在许多情况下，当我们只关心空间中有物质流进或流出的某个特定体积时，分析可以得到简化。这在许多情

3、况下，当我们只关心空间中有物质流进或流出的某个特定体积时，分析可以得到简化。这样的特定体积称为控制体。例如泵、透平、充气或放气的气球都是控制体的例子。包含控制体的表面称样的特定体积称为控制体。例如泵、透平、充气或放气的气球都是控制体的例子。包含控制体的表面称为控制表面。为控制表面。因此，对于具体的问题，我们必须确定是选取系统作为研究对象有利还是选取控制体作为研究对象因此，对于具体的问题，我们必须确定是选取系统作为研究对象有利还是选取控制体作为研究对象有利。如果边界上有质量交换，则选取控制体有利；反之，则应选取系统作为研究对象。有利。如果边界上有质量交换，则选取控制体有利；反之，则应选取系统作为研究对象。1.1.2平衡、过程和循环平衡、过程和循环对于某一参考系统，假设系统内各点温度完全相同。当物质内部各点的特性参数均相同且不随时间对于某一参考系统，假设系统内各点温度完全相同。当物质内部各点的特性参数均相同且不随时间变化时，则称系统处于热力学平衡状态。当系统边界某部分的温度突然上升时，则系统内的温度将自发变化时，则称系统处于热力学平衡状态。当系统边界某部分的温度突然上升时，则系统内的温度将

4、自发地重新分布，直至处处相同。地重新分布，直至处处相同。当系统从一个平衡状态转变为另一个平衡状态时，系统所经历的一系列由中间状态组成的变化历程当系统从一个平衡状态转变为另一个平衡状态时，系统所经历的一系列由中间状态组成的变化历程称为过程。若从一个状态到达另一个状态的过程中，始终无限小地偏离平衡态，则称该过程为准静态过称为过程。若从一个状态到达另一个状态的过程中，始终无限小地偏离平衡态，则称该过程为准静态过程，可以把其中任一个中间状态看作为平衡状态。准静态过程可近似视为许多过程的叠加结果，而不会程，可以把其中任一个中间状态看作为平衡状态。准静态过程可近似视为许多过程的叠加结果，而不会显著减小其精确性，例如气体在内燃机内的压缩和膨胀过程。如果系统经历一系列不平衡状态（如燃烧），显著减小其精确性，例如气体在内燃机内的压缩和膨胀过程。如果系统经历一系列不平衡状态（如燃烧），从从 一个平衡状态转变为另一个平衡状态，则其过程为非平衡过程。一个平衡状态转变为另一个平衡状态，则其过程为非平衡过程。当系统从一给定的初始状态出发，经历一系列中间过程又回到其初始状态，则称系统经历了一个循当系统从一给定的初始

5、状态出发，经历一系列中间过程又回到其初始状态，则称系统经历了一个循环。循环结束时，系统中的各参数又与初始参数相同。环。循环结束时，系统中的各参数又与初始参数相同。在任一特性参数名称前加上前缀在任一特性参数名称前加上前缀 iso-，表示该参数在整个过程保持不变。等温（，表示该参数在整个过程保持不变。等温（isothermal）过程中）过程中温度保持不变；等压（温度保持不变；等压（isobaric）过程中压强恒定；等容（）过程中压强恒定；等容（isometric）过程中体积保持不变。）过程中体积保持不变。1.1.3纯物质的气纯物质的气-液相平衡液相平衡如图如图 1-1(a)所示，由活塞和气缸组成的装置中装有所示，由活塞和气缸组成的装置中装有 1kg 水。假定活塞和其上的重物使气缸内压强维水。假定活塞和其上的重物使气缸内压强维持在持在 0.1Mpa，初始温度，初始温度 20。当有热量开始传递给水时，缸内水温迅速上升，而比容略有增加，气缸内。当有热量开始传递给水时，缸内水温迅速上升，而比容略有增加，气缸内压强保持恒定不变。当水温达到压强保持恒定不变。当水温达到 99.6时，如若再增加传热量，水

6、将发生相变，如图时，如若再增加传热量，水将发生相变，如图 1-1(b)所示。也就是所示。也就是说，一部分水开始气化变为蒸汽，在此相变过程中，温度和压强始终保持不变，但比容却有大幅度的增说，一部分水开始气化变为蒸汽，在此相变过程中，温度和压强始终保持不变，但比容却有大幅度的增加。当最后一滴液体被气化时，进一步的加热将使蒸汽温度和比容均有所增加，如同加。当最后一滴液体被气化时，进一步的加热将使蒸汽温度和比容均有所增加，如同 1-1(c)所示。所示。在给定压强下发生气化的温度称为饱和温度，压强称为给定温度下的饱和压强。因此，在给定压强下发生气化的温度称为饱和温度，压强称为给定温度下的饱和压强。因此，99.6水的水的饱和压强是饱和压强是 0.1MPa，0.1MPa 水的饱和温度为水的饱和温度为 99.6。如果某一工质为液态并处于其饱和温度和饱和压强下，则称该液体为饱和液体。如果液体温度低于如果某一工质为液态并处于其饱和温度和饱和压强下，则称该液体为饱和液体。如果液体温度低于当前压强下的饱和温度，则称该液体为过冷液体（表明液体的当前温度低于给定压强下的饱和温度）或当前压强下的饱和温度，则称该液体

7、为过冷液体（表明液体的当前温度低于给定压强下的饱和温度）或压缩液体（表明液体的当前压强大于给定温度下的饱和压强）。压缩液体（表明液体的当前压强大于给定温度下的饱和压强）。若某一工质在饱和温度下以液、气共存的形式存在，则称蒸汽质量与总质量之比为干度。因此，如若某一工质在饱和温度下以液、气共存的形式存在，则称蒸汽质量与总质量之比为干度。因此，如图图 1-1(b)所示，若蒸汽质量为所示，若蒸汽质量为 0.2kg，液体质量为，液体质量为 0.8kg，则其干度为，则其干度为 0.2 或或 20%。干度只有在饱和状态下。干度只有在饱和状态下才有意义。才有意义。若某一工质处于饱和温度下并以蒸汽形态存在，则称该蒸汽为饱和蒸汽（有时称为干饱和蒸汽，意若某一工质处于饱和温度下并以蒸汽形态存在，则称该蒸汽为饱和蒸汽（有时称为干饱和蒸汽，意在强调其干度为在强调其干度为 100%）。当蒸汽温度高于其饱和温度时，则称之为过热蒸汽。过热蒸汽的压强和温度是）。当蒸汽温度高于其饱和温度时，则称之为过热蒸汽。过热蒸汽的压强和温度是彼此独立的，因为温度上升时，压强可能保持不变。彼此独立的，因为温度上升时，压强可能保持不变。

8、在图在图 1-2 所示的温度所示的温度-比容图上作等压线，表示水由初压比容图上作等压线，表示水由初压 0.1MPa、初温、初温 20被加热的过程。点被加热的过程。点 A 代代表初始状态，点表初始状态，点 B 为饱和液态（为饱和液态（99.6），线），线 AB 表示液体由初始温度被加热至饱和温度所经历的过程。表示液体由初始温度被加热至饱和温度所经历的过程。点点 C 表示饱和蒸汽状态，线表示饱和蒸汽状态，线 BC 表示等温过程，即液体气化转变为蒸汽的过程。线表示等温过程，即液体气化转变为蒸汽的过程。线 CD 表示在等压条件表示在等压条件下蒸汽被加热至过热的过程，在此过程中，温度和比容均增大。下蒸汽被加热至过热的过程，在此过程中，温度和比容均增大。类似地，线类似地，线 IJKL 表示压强为表示压强为 10MPa 下的等压线，相应的饱和温度为下的等压线，相应的饱和温度为 311.1。但是，在压强。但是，在压强 为为22.09MPa 条件下（线条件下（线 MNO），不存在等温蒸发过程。相反，点），不存在等温蒸发过程。相反，点 N 是个转折点，在该点上，切线斜率为零，是个转折点，在该点上，切线斜率

9、为零，通常把通常把 N 点称为临界点。在临界点处，饱和液体和饱和气体的状态都是相同的。临界点下的温度、压点称为临界点。在临界点处，饱和液体和饱和气体的状态都是相同的。临界点下的温度、压 强和比容分别称为临界温度、临界压强和临界比容。一些工质的临界点数据如表强和比容分别称为临界温度、临界压强和临界比容。一些工质的临界点数据如表 1-1 所示。所示。1.1.4 热力学第一定律热力学第一定律通常把热力学第一定律称为能量守恒定律。在基础物理课程中，能量守恒定律侧重动能、势能的变通常把热力学第一定律称为能量守恒定律。在基础物理课程中，能量守恒定律侧重动能、势能的变化以及和功之间的相互关系。更为常见的能量守恒形式还包括传热效应和内能的变化。当然，也包括其化以及和功之间的相互关系。更为常见的能量守恒形式还包括传热效应和内能的变化。当然，也包括其它形式的能，如静电能、磁场能、应变能和表面能。它形式的能，如静电能、磁场能、应变能和表面能。历史上，用热力学第一定律来描述循环过程：净传热量等于循环过程中对系统所做的净功。历史上，用热力学第一定律来描述循环过程：净传热量等于循环过程中对系统所做的净功。1.1.5 热力学第二定律热力学第二定律有多种表述形式。在此列举两种：克劳修斯表述和凯尔热力学第二定律热力学第二定律有多种表述形式。在此列举两种：克劳修斯表述和凯尔文文-普朗克表述。普朗克表述。克劳修斯表述：制造一台唯一功能是把热量从低温物体传给高温物体的循环设备是不可能的。克劳修斯表述：制造一台唯一功能是把热量从低温物体传给高温物体的循环设备是不可能的。以冰箱（或热泵）为例，不可能制造一台不用输入功就能把热量从低温物体传给高温物体的冰箱，以冰箱（或热泵）为例，不可能制造一台不用输入功就能把热量从低温物体传给高温物体的冰箱，如图如图 1-3(a)所示。所示。凯尔文凯尔文-普朗克表述：制造一台从单一热源吸热和做功的循环设备是不可能的。普朗克表述：制造一台从单一热源吸热和做功的循环设备是不可能的。换句话说，制造这样一台从某一热源吸热并对外做功，而没有与低温热源进行换热的热机是不可能换句话说，制造这样一台从某一热源吸热并对外做功，而没有与低温热源进行换热的热机是不可能的。因此，

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