本文通過簡要介紹常見的熱能轉(zhuǎn)換裝置的工作過程，建立工質(zhì)、熱力系統(tǒng)、熱力狀態(tài)、狀態(tài)參數(shù)、可逆過程、循環(huán)等概念，使我們能正確理解這些基本概念的定義和意義。

常見熱能轉(zhuǎn)換裝置的工作過程：

1、柴油機(jī)工作過程

   柴油機(jī)是活塞式內(nèi)燃機(jī)的一種，它的基本結(jié)構(gòu)由固定部件、運動部件、配氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)組成，圖1是四沖程柴油機(jī)工作原理示意圖。

   柴油以霧狀噴入氣缸，在氣缸中與高溫高壓的空氣混合并燃燒，燃燒后的高溫高壓燃?xì)馔苿踊钊�下行并帶動曲軸轉(zhuǎn)動。燃料的化學(xué)能通過燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，又通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為輸出的機(jī)械能，通過進(jìn)、排氣過程完成新鮮空氣與廢氣的置換。

      圖1四沖程柴油機(jī)工作原理示意圖

1）燃?xì)廨啓C(jī)裝置工作過程

    簡單的燃?xì)廨啓C(jī)裝置包括壓氣機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、燃油泵和燃燒室。圖2是燃?xì)廨啓C(jī)裝置的示意圖。油泵和壓氣機(jī)向燃燒室供給增壓后的燃油和空氣，它們在其中混合并燃燒，釋放出熱能，燃燒后的高溫燃?xì)庠谌~輪前的噴管中膨脹，把熱能轉(zhuǎn)換成動能，高溫燃?xì)廪D(zhuǎn)變成高速氣流，高速氣流沖擊葉輪葉片，并使葉輪輪軸轉(zhuǎn)動，向外輸出機(jī)械能，作功后的廢氣由排氣口排向大氣并在大氣中放熱。

      圖2燃?xì)廨啓C(jī)裝置示意圖

2）、蒸汽動力裝置工作過程

蒸汽動力裝置由鍋爐、蒸汽輪機(jī)、冷凝器、水泵所組成，燃料在鍋爐的爐膛內(nèi)燃燒，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成煙氣的熱能，經(jīng)爐膛沸水管壁傳熱給管內(nèi)的水，水受熱后變成蒸汽儲藏在汽包內(nèi)，包內(nèi)的蒸汽又通過過熱器進(jìn)一步加熱后，輸送到汽輪機(jī)，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后，先在汽輪機(jī)進(jìn)口處的噴管中膨脹，轉(zhuǎn)變成高速氣流，高速氣流沖擊汽輪機(jī)葉片，并使汽輪機(jī)輪軸轉(zhuǎn)動，向外輸出機(jī)械能。作功后的乏汽排入冷凝器，在冷凝器中放熱并冷凝成水，水再由水泵送入鍋爐，經(jīng)加熱后又變成蒸汽。如此循環(huán)往復(fù)，蒸汽動力裝置就不斷地將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能并傳輸給外界。

3）、蒸汽壓縮制冷裝置的工作過程

   產(chǎn)生并保持比環(huán)境溫度低的溫度需要制冷裝置。在船上及生活等領(lǐng)域普遍采用蒸汽壓縮制冷裝置。蒸汽壓縮制冷裝置的基本設(shè)備由壓縮機(jī)、冷凝器、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器（冷庫）所組成，圖4為它的示意圖。

圖4 蒸汽壓縮制冷裝置工作示意圖

   從對上述四個熱能轉(zhuǎn)換裝置工作過程的介紹可以看出，柴油機(jī)、燃?xì)鈩恿ρb置、蒸汽動力裝置雖然它們的工作原理、設(shè)備各不相同，但都是將熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的裝置，這也是一切熱動力機(jī)能量轉(zhuǎn)換的共同方式；而蒸汽壓縮制冷裝置則是用消耗機(jī)械能的方式將低溫制冷劑升高溫度，使從冷庫中取出的低溫?zé)崃亢拖�耗的壓縮功一起放給環(huán)境。消耗一定的能量才能使低溫?zé)崃總飨蚋邷丨h(huán)境，這也是一切制冷裝置的工作原理。

2、工質(zhì)

   從上述熱力設(shè)備的工作過程中我們知道，在熱能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換中必須要有一個工作物質(zhì)，例如柴油機(jī)的工作物質(zhì)為空氣和燃?xì)猓�蒸汽動力裝置的工質(zhì)為水和水蒸汽，蒸汽壓縮制冷裝置的工作物質(zhì)為制冷劑。在熱力轉(zhuǎn)換過程中由這個工作物質(zhì)來吸收熱量膨脹并對外做功，或者由這個工作物質(zhì)把從冷庫吸收的熱量放給環(huán)境，沒有這個工作物質(zhì)，就不可能實現(xiàn)熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。我們把這個工作物質(zhì)稱為工質(zhì)，即實現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的媒介物稱為工質(zhì)。

   作為工質(zhì)的物質(zhì)必須具有良好的膨脹性、壓縮性和流動性。所以，熱動力裝置所用的工質(zhì)都為氣態(tài)物質(zhì)，如空氣、燃?xì)夂驼羝��?/P>

1）熱力學(xué)系統(tǒng)

    從上述熱能轉(zhuǎn)換裝置的工作過程我們知道，任何一種能量轉(zhuǎn)換裝置都是由幾個相互作用的實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換或傳遞的熱力設(shè)備所組成的。例如蒸汽動力裝置是由鍋爐、蒸汽輪機(jī)、冷凝器、水泵所組成。為了進(jìn)行熱力學(xué)分析，首先我們要在相互作用的各種熱力設(shè)備中劃分一個（或幾個）熱力設(shè)備作為研究對象，這種被劃分出來的研究對象稱為熱力學(xué)系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)。系統(tǒng)之外的其它熱力設(shè)備統(tǒng)稱為外界。系統(tǒng)與外界的分接口稱為邊界。邊界可以是真實的，也可以是設(shè)想的。例如取壓縮空氣瓶內(nèi)的空氣為系統(tǒng)，則瓶的內(nèi)壁面就是真實的邊界；而當(dāng)取廢氣渦輪內(nèi)的空氣作為系統(tǒng)時，則進(jìn)出口處的邊界是設(shè)想的。

    熱力學(xué)系統(tǒng)與外界一般有三種相互作用：系統(tǒng)與外界的物質(zhì)交換，熱的交換和功的交換。按照系統(tǒng)與外界相互作用的特點，在熱力學(xué)中往往把系統(tǒng)分為下述幾類。
    閉口（封閉）系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界沒有物質(zhì)的交換。例如把柴油機(jī)氣缸中正進(jìn)行膨脹的燃?xì)膺x作系統(tǒng)，盡管燃?xì)鈺�從氣缸與活塞的縫隙間漏泄一點，但泄漏量極小，可以足夠精確地看作系統(tǒng)與外界沒有物質(zhì)交換，這就是封閉系統(tǒng)，如圖5所示。封閉系統(tǒng)是由閉合表面包圍的質(zhì)量恒定的物質(zhì)集合。封閉系統(tǒng)與外界可以有熱和功的交換，也可以沒有。

   開口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界有物質(zhì)的交換。例如把廢氣渦輪選作系統(tǒng)，它有工質(zhì)的流入與流出，這就是開口系統(tǒng)，如圖6所示。開口系統(tǒng)與外界可以有熱和功的交換，也可以沒有。

圖5封閉系統(tǒng)

圖6 開口系統(tǒng)

圖7 絕熱系統(tǒng)

   絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界沒有熱量的交換。如圖7所示的燃?xì)馀蛎洉r有熱量傳給冷卻水，如取燃?xì)夂屠鋮s水（通常稱為冷源）為系統(tǒng)，則包括燃?xì)夂屠鋮s水的系統(tǒng)與外界沒有熱交換，因而該系統(tǒng)為絕熱系統(tǒng)。
   孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界沒有物質(zhì)交換，也沒有熱和功的交換。如果把所有發(fā)生相互作用的各種熱力設(shè)備作為一個整體，并把這個整體選定為所研究的系統(tǒng)，雖然這個系統(tǒng)內(nèi)部的各部分可以有物質(zhì)交換、熱和功的交換，但這個系統(tǒng)作為整體與外界沒有任何相互作用，那么這個系統(tǒng)就是孤立系統(tǒng)。
與系統(tǒng)發(fā)生作用的外界也可分為以下幾種：
   熱源：熱力學(xué)中將與系統(tǒng)只發(fā)生熱的相互作用的外界，稱為“熱源”。溫度高的熱源稱為高溫?zé)嵩矗瑴囟鹊偷臒嵩捶Q為低溫?zé)嵩矗�并且認(rèn)為熱源的容量足夠大，它吸入和放出有限熱量時溫度保持不變。
   功源：熱力學(xué)中將與系統(tǒng)只發(fā)生功的相互作用的外界定義為“功源”。功源與封閉系統(tǒng)交換的功是直接通過系統(tǒng)中工質(zhì)膨脹或壓縮引起的容積改變實現(xiàn)的，稱為“容積功”；功源與開口系統(tǒng)交換的功通過轉(zhuǎn)軸傳遞，稱為“軸功”。習(xí)慣上，系統(tǒng)對外界（功源）作功為正值，外界（功源）對系統(tǒng)作功為負(fù)值。
   質(zhì)源：熱力學(xué)中將與系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)交換的外界定義為“質(zhì)源”

2）熱力系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)

   從上面的討論可以知道，當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，可以用確定的唯一的一組狀態(tài)參數(shù)值來描述它。在工程熱力學(xué)里，常用的狀態(tài)參數(shù)有六個，即壓力、溫度、容積、內(nèi)能、焓和熵。在這六個狀態(tài)參數(shù)中，只需知道其中任意兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)就可以決定一個狀態(tài)，所以工質(zhì)的狀態(tài)也可以用參數(shù)坐標(biāo)圖表示。
工程上把可直接觀察和測量的狀態(tài)參數(shù)稱為基本狀態(tài)參數(shù)，它們是壓力、溫度和比容。
   在工程熱力學(xué)中，把工質(zhì)指向系統(tǒng)表面（真實的容器壁或假想的分接口）單位面積上的垂直作用力，稱為“壓力”（即壓強）。分子運動論把氣體壓力看作是氣體分子撞擊壁面的宏觀表現(xiàn)，數(shù)值上等于單位容積內(nèi)的分子數(shù)與分子的平均移動動能乘積的三分之二。
壓力的定義式：
上式中：P------工質(zhì)指向表面的垂直作用力，單位為牛頓，用N表示；
f-------作用面積，單位為平方米，用m2表示。
壓力的國際單位為N/m2，稱為帕斯卡，簡稱“帕”，符號為Pa。
系統(tǒng)的真實壓力稱為絕對壓力，絕對壓力p是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。因為不管用什么測壓儀表，如圖8彈簧管壓力表、圖9U形管壓力計，測得的是工質(zhì)的絕對壓力p與大氣壓力pb之間的相對值。因為大氣壓力隨時隨地都會發(fā)生變化，所以測量值不等于系統(tǒng)的真實壓力值，不能真實地表示系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)所處的熱力狀態(tài)，所以這個相對值就不是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)

圖8 彈簧管壓力表 圖9 U形管壓力計

當(dāng)絕對壓力高于大氣壓力（p> pb）時，壓力表（計）指示的數(shù)值稱為表壓力，用pg表示，如圖9（a）所示。顯然，這時系統(tǒng)絕對壓力為：

　

當(dāng)絕對壓力低于大氣壓力（p< pb）時，壓力表（計）指示的讀數(shù)稱為真空度，用pv表示，如圖9（b）所示。顯然，這時系統(tǒng)的絕對壓力為：

　

3）、溫度
從熱力學(xué)的角度來看，處于熱平衡的各個系統(tǒng)，必定有某一宏觀特性是彼此相同的，描述此宏觀特性的物理量稱為溫度。
從宏觀上來看，溫度是表示工質(zhì)冷熱程度的量度，溫度是判斷工質(zhì)能否從外界接受熱量，或者對外傳出熱量的根據(jù)。
溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)，常用的溫標(biāo)有以下三種：
攝氏溫標(biāo)：即在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，純水的冰點規(guī)定為0度，沸點為100度，在這兩點之間均分為100等分，取其中的一份為攝氏1度，記作：1℃，攝氏溫標(biāo)用符號t℃表示。
華氏溫標(biāo)：即在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，純水的冰點規(guī)定為32度，沸點為212度，在這兩點之間均分為180等分，取其中的一份為華氏1度，記作：1oF，華氏溫標(biāo)用符號toF表示。
熱力學(xué)溫標(biāo)：又稱絕對溫標(biāo)，它是以攝氏零下273.15度作為絕對溫標(biāo)的零度，每度的間隔與攝氏溫標(biāo)相同，1度記作1K，開氏溫標(biāo)用符號TK表示。
大部分國家應(yīng)用攝氏溫標(biāo)，英、美等國家采用華氏溫標(biāo)，工程熱力學(xué)計算中常用絕對溫標(biāo)，因此必須掌握它們之間的換算。
根據(jù)上述三種溫標(biāo)的定義，如果已知攝氏溫度為t℃，則相當(dāng)于華氏溫度為

　

若已知華氏溫度為toF，則相當(dāng)于攝氏溫度為

　

若已知攝氏溫度為t℃，則絕對溫度為

 

4）、容積和比容
一定質(zhì)量的工質(zhì)所占有的空間稱為工質(zhì)的容積，用V表示，單位是m3。單位質(zhì)量工質(zhì)的容積稱為比容，用符號v表示，單位為m3/kg。設(shè)質(zhì)量為m kg的工質(zhì)所占的容積為V m3，則其比容為：
v=V/m m3/kg。
容積和比容均為工質(zhì)的熱力狀態(tài)參數(shù)。
5）、內(nèi)能和比內(nèi)能
物質(zhì)內(nèi)部具有各種能量，如由原子結(jié)合成分子的化學(xué)能、原子內(nèi)部的原子能以及分子不規(guī)則運動的熱能。工程熱力學(xué)研究的是熱能與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換，因此把工質(zhì)具有的熱能稱為內(nèi)能。用U表示，單位是KJ。單位質(zhì)量工質(zhì)的內(nèi)能稱為比內(nèi)能，用u表示，單位為KJ/kg。可見 u=U/ m

6）、焓和比焓

因為工質(zhì)流經(jīng)開口系統(tǒng)時其比內(nèi)能u和壓力與比容的乘積pv總是同時出現(xiàn)，所以在熱力學(xué)中把這兩者之和稱這比焓，用h表示，單位是KJ/kg。即

對于mkg處于平衡狀態(tài)的工質(zhì)，則有
  
式中的H稱為mkg工質(zhì)的焓，單位為KJ。
因為U、u、p和v均為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)，因此焓和比焓也為工質(zhì)的熱力狀態(tài)參數(shù)。
7）、熵和比熵
在一個微元過程中，mkg工質(zhì)從熱源吸收的微元熱量dQ除以工質(zhì)吸熱時的絕對溫度T所得的商，定義為工質(zhì)在絕對溫度T時熵S的增量dS，
即 將上式兩邊除以m，得
熵S的單位為KJ/k，s為工質(zhì)的比熵，單位是KJ/kg.k。熵和比熵均為工質(zhì)的熱力狀態(tài)參數(shù)。
由以上兩式可知，dq>0，則ds>0，即系統(tǒng)從熱源吸熱，工質(zhì)比熵增加；反之，dq<0，則ds<0，即系統(tǒng)向熱源放熱，工質(zhì)比熵減少；若dq=0，則ds=0，即系統(tǒng)與熱源絕熱，工質(zhì)比熵不變。因此我們可以根據(jù)工質(zhì)比熵的變化來判斷系統(tǒng)與外界熱傳遞的方向。

對內(nèi)能U或比內(nèi)能u、焓H或比焓h、熵S或比熵s，在熱力學(xué)的計算中只用到它們的變化量，因此它們?yōu)榱阒档幕鶞?zhǔn)態(tài)可以人為地選定。