工质能量转换的关系和条件

实践证明；能量既不能被创造，也不能被消灭，它只能从一种形式转换成另一种形式，或从一个系统

转移到另一个系统，而其总量保持恒定，这一自然界普遍规律称为能量守恒定律。把这一定律应用于

伴有热现象的能量转换和转移过程，即为热力学第一定律，表明了热能与机械能在传递或转换过程中

的能量守恒，据此建立能量方程。

能量方程的一般形式；系统收入能量一支出能量＝系统储存能量的增量

(1)系统能量的组成

系统能量分为两大类：一类是系统本身的能量，称为系统储存能；另一类是系统与外界之间相互传递

的能量。

系统储存能分为内能和外储存能两部分：

● 内能(或称内储存能)是工质内部分子动能与分子位能的总和，用U 表示，其单位是焦尔(J)，单

位质量工质的内能用u 表示，其单位是焦尔／千克(J／kg)。系统内能取决于系统本身(内部)的状态，

与工质的分子结构及微观运动形式有关。内能是工质的温度和比容的函数，因此内能也属工质的状态

参数。

● 外储存能包括工质以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量(称为宏观动能)及系统工质与

外力场的相互作用时具有的能量(如重力位能)。

宏观动能：物体以某一速度运动时，其具有的动能为宏观运动动能。

重力位能：在重力场中物体相对于系统外的参考坐标系的高度为重力位能。

● 系统的总储存能为内储存能与外储存能之和。对于没有宏观运动，并且高度为零的系统，系统总

储存能就等于内能。

● 闭口系统能量方程：与外界不发生物质交换(即没有物质穿过边界)的系统称为闭

口系统，闭口系统的质量保持恒定，其系统能量方程：

系统总储存能的变化＝系统内能的变化。

● 开口系统能量方程：有物质穿过边界的系统称为开口系统，其能量方程：

进入控制体的能量一控制体输出能量＝控制体中储存能量的增量

(2)系统与外界的能量传递

系统与外界传递能量是指系统与外界热力源(热源、功源、质源)或与其他有关物体之间进行的能量传

递。系统与外界热进行的能量传递包括：热量、功和物质流能。

● 热量：热量学的热量定义是：在温差作用下系统与外界传递的能量称为热量。热量一旦通过界面

传人(或传出)系统，就变成系统(或外界)储存能的一部分，即内能，有时习惯上称为热能。显然，热

量与内能(或热能)之间有原则的区别。热量是与过程特性有关的过程量。

●功：在热力学中，功是系统除温差以外的其他不平衡势差所引起的系统与外界之间传递的能量。

功也是与过程特性有关的过程量功可分为：

膨胀功(也称容积功)：热转换为功，工质容积都要膨胀，也就是说都有膨胀功。闭口系统膨胀功通过

系统界面传递，而开口系统的膨胀功可通过其他形式(如轴)传递。

轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功称为轴功。通常规定系统输出轴功为正功，输入轴功为负

功。轴功可来源于能量的转换，如汽轮机中热能转换为机械能；也可能是机械能的直接传递，如水轮

机。

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● 物质流能：随物质流传递的能量包括流动工质本身具有的能量(内能、宏观动能和重力位能)和流

动功(或称推动功)，流动功是为推动流体通过控制体界面而传递的机械功，它是维持流体正常流动所

必须传递的能量。

● 焙的物理意义：对于流动工质，我们把内能和流动功称为焓，焓具有能量意义，它表示流动工质

向流动前方传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量。焙也是工质的状态参数。如果工质的动能

和位能可以忽略，则焓表示随流动工质传递的总能量。

● 熵：我们把工质在可逆过程中传递的热量与当时温度之比的总和称为工质的熵的变化，熵用s表

示，其单位是J／K，单位质量工质的熵用，表示；其单位是J／ksK。

熵也是工质的状态参数，用工质的熵的变化来表达热力过程特性。

对于可逆的等温过程，工质的熵的变化就等于传递的热量与该温度的比值。

(3)能量的转换条件

凡是涉及到热现象的能量转换过程，都是有一定的方向性和不可逆性，即过程总是朝一个方向进行而

不能自发地反向进行，这个方向就是指系统从不平衡状态朝平衡状态进行。反向过程的进行必须同

时伴有另外的补偿过程存在，例如要使热量由低温物体传向高温物体，可以通过制冷机消耗一定的机

械功来实现，这里消耗机械功的过程就是补偿过程。

(4)卡诺循环

● 卡诺循环是由以下四个过程组成的理想循环，如图1M411082 所示。

过程a-b：工质从热源(T1)可逆定温吸热；

b-c：工质可逆绝热(定熵)膨胀；

c-d：工质向冷源(T2)可逆定温放热；

d-a：工质可逆绝热(定熵)压缩回复到初始状态。工质在整个循环过程中从热源吸热ql，向冷源放

热q2，对外界作功w1，外界对系统作功w2，循环净功w0。

● 卡诺循环的热效率：

卡诺循环热效率的大小只决定于热源温度T1：及冷源温度T2。要提高其热效率可通过提高T1 及降低

T2 的办法来实现。

卡诺循环热效率总是小于1。只有当T1＝∞或T2＝0 时，热效率才能等于1，但都是不可能的。

单一热源的循环发动机是不可能实现的。

卡诺循环的热效率与工质的性质无关。

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