热力学系统与工质状态的研究：功和热量

热力学是研究热功转换和工质状态变化的。为了弄清功热转换关系，我们先对一些基本概念加以说明。

（一）体系（系统）

体系就是热力学系统，也就是我们分析研究的对象。热力学中常把分析的对象从周围物体中分割出来，研究它通过分界面与周围物体之间热能和机械能的传递，这就是热力学系统，而其周围的物体统称为外界。系统与其外界的分界面叫做边界。

根据热力学系统和外界之间是否有物质的交换来分类，可将热力系统分为闭口系统和开口系统，如图2-2所示。一个热力系统如果和外界只有热或功的交换而没有物质的交换，则该系统称为闭口系统。如果热力系统与外界不仅有能量交换而且有物质的交换，则该系统叫做开口系统，开口系统又叫控制容积或控制体。

图2-2 体系（系统）

a）闭口系统 b）开口系统

（二）推进功

在开口系统中，工质流进与流出系统必然与功的交换相关联。这个推着工质进入或流出设备的功，称之为推进功。因为这个功只是当工质流动时才存在，所以又称为流动功。

图2-3所示为推进功的推导示意图，在该控制体的工质进口截面上，压力为p₁、比体积为v₁、截面积为A₁、流速为c₁。在时间间隔Δτ内，通过进口截面进入体系的气体体积为

图2-3 推进功的推导

显然，这一体积的气体之所以能进入系统，是由于它上游的气体推动它的结果。上游气体推动这部分气体所做的功为

p₁A₁Δx₁=p₁ΔV₁

因此，随着这部分气体越过边界进入体系，外界就通过边界向系统输入了p₁ΔV₁的功。对于流入系统的1kg气体，其体积就是比体积v₁，因此外界对1kg气体所做的推进功为p₁v₁。

同理，在系统出口边界上，系统对1kg气体的推进功为p₂v₂。(www.xing528.com)

（三）热量

工质燃烧过程中所产生的热量，都会遇到与外界发生热量交换的问题，因此需要对热量进行计算。

在工程上，热量的计算是引用比热容这个概念来进行的。

物体温度每升高1K所需要的热量叫热容。单位质量的物体温度升高1K所需要的热量叫比热容，曾称比热，用符号c表示。

在国际单位制中，功的单位是焦[耳]（J）或千焦[耳]（kJ），热量的单位也是焦[耳]（J）或千焦[耳]（kJ）。

根据比热容的定义可知，比热容的单位是J/（kg·K）或者kJ/（kg·K）。

质量为m的工质，温度由t₁升高至t₂时，所需吸收的热量为

试验表明，工质的比热容通常不是一个恒定的常数，它与工质的性质、热量交换的具体过程及工质温度的变化范围有关。

定压过程和定容过程这两种情况下，纵使工质的种类相同，质量相同，温度变化范围也相同，但它们吸收的热量不同。

定压过程中工质的比热容称为比定压热容，用c_p表示。定容过程中工质的比热容称为比定容热容，用c_v表示。通过实验我们可以知道c_p>c_v。

而比定压热容与比定容热容的比值

称为比热比。

在热力学中，比定压热容c_p、比定容热容c_v和比热容之比k具有特别重要的意义，工作中会经常用到。