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。

1、柴油機工作過程

   柴油機是活塞式內(nèi)燃機的一種，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是四沖程柴油機工作原理示意圖。

      圖1四沖程柴油機工作原理示意圖

1）燃氣輪機裝置工作過程

    簡單的燃氣輪機裝置包括壓氣機、燃氣輪機、燃油泵和燃燒室。圖2是燃氣輪機裝置的示意圖。油泵和壓氣機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，燃燒后的高溫燃氣在葉輪前的噴管中膨脹，把熱能轉(zhuǎn)換成動能，高溫燃氣轉(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燃氣輪機裝置示意圖

2）、蒸汽動力裝置工作過程

蒸汽動力裝置由鍋爐、蒸汽輪機、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一步加熱后，輸送到汽輪機，蒸汽進入汽輪機后，先在汽輪機進口處的噴管中膨脹，轉(zhuǎn)變成高速氣流，高速氣流沖擊汽輪機葉片，并使汽輪機輪軸轉(zhuǎn)動，向外輸出機械能。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、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、燃氣動力裝置、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)變成機械能的裝置，這也是一切熱動力機能量轉(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)，例如柴油機的工作物質(zhì)為空氣和燃氣，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、燃氣和蒸汽。

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、冷凝器、水泵所組成。為了進行熱力學(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。例如把柴油機氣缸中正進行膨脹的燃氣選作系統(tǒng)，盡管燃氣會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所示的燃氣膨脹時有熱量傳給冷卻水，如取燃氣和冷卻水（通常稱為冷源）為系統(tǒng)，則包括燃氣和冷卻水的系統(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�，溫度低的熱源稱為低溫?zé)嵩�，并且認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)作功為負值。
   質(zhì)源：熱力學(xué)中將與系統(tǒng)進行物質(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，常用的溫標有以下三種：
攝氏溫標：即在標準大氣壓力下，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℃，攝氏溫標用符號t℃表示。
華氏溫標：即在標準大氣壓力下，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，華氏溫標用符號toF表示。
熱力學(xué)溫標：又稱絕對溫標，它是以攝氏零下273.15度作為絕對溫標的零度，每度的間隔與攝氏溫標相同，1度記作1K，開氏溫標用符號TK表示。
大部分國家應(yīng)用攝氏溫標，英、美等國家采用華氏溫標，工程熱力學(xué)計算中常用絕對溫標，因此必須掌握它們之間的換算。
根據(jù)上述三種溫標的定義，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�？梢� 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)榱阒档幕鶞蕬B(tài)可以人為地選定。