工程热力学-1-基本概念

1、热力学概念热力学概念Principles of Thermodynamics热力学是一门基础学科分子杂乱无章运动的宏观表现热现象力现象机械能做功热能和其他形式的能量；能量转换；能量和物质特性之间的关系；研究内容：教学内容教学内容1 基础概念 2 热力学第一定律3 实际气体状态方程4 热力学第二定律5 热力学普遍关系式6 动力循环7 化学热力学基础8 多组分系统热力学1 1 基础基础1、定义 2、热力学平衡 3、可逆过程和不可逆过程 4、温度和温度测量 5、热量 6、功 经典热力学只研究宏观量（温度、压力、密度等）间经典热力学只研究宏观量（温度、压力、密度等）间的关系。但是宏观性质与分子有关的关

2、系。但是宏观性质与分子有关 ；温度与分子运动；温度与分子运动有关；密度与分子间相互作用有关。有关；密度与分子间相互作用有关。二、热力学的研究方法和特点二、热力学的研究方法和特点经典热力学（宏观）经典热力学（宏观）（大量粒子组成）（大量粒子组成）统计热力学（微观）统计热力学（微观）稳定平衡状态稳定平衡状态大量粒子的统计分析大量粒子的统计分析方法：综合用系统方法适用于完全不同的物质不关心分子个体结构单元原子、分子、宏观物体、社会、生物、生态、特点：普适性：热力学方法和概念热力学结论可推广和应用到其他领域：化学、生物、宇宙、社会等例如：熵的概念控制论信息论例：生物、生态系统可看成由大量的基本结构单元

3、构成三、术语单相复相系统系统 环境参数 状态参数、 路径参数过程 循环 化学组成物理结构均匀 系统系统-thermodynamic system(system) ：人为分割出来，作为热力学人为分割出来，作为热力学 研究对象的有限物质系统。研究对象的有限物质系统。 外界外界-surrounding ：与体系发生质、能交换的物系。与体系发生质、能交换的物系。 边界边界-boundary：系统与外界的分界面（线）。系统与外界的分界面（线）。热力系统、外界和边界热力系统、外界和边界定义：定义：热力系统的分割完全是“人为人为”的，因此对于不同的问题，甚至对于同一问题可取不同的系统。（热力系、系统、体系）

4、（热力系、系统、体系）例如研究向容器充气，可以取容器为系统，也可取充入容器的气体和原在容器内的气体一起为系统。AB固定、活动固定、活动1 1、以系统与外界关系划分：、以系统与外界关系划分： 有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系热力系分类热力系分类（2 2） 2、 按组元数按组元数 单元系单元系oneone componentcomponent system;puresystem;pure substancesubsta

5、nce systemsystem 多元系多元系-multicomponent-multicomponent systemsystem3、 按相数按相数 单相系单相系homogeneoushomogeneous systemsystem 注意：1）不计恒外力场影响不计恒外力场影响； 2）复相系未必不均匀复相系未必不均匀湿蒸汽；湿蒸汽； 单元系未必均匀单元系未必均匀气液平衡分离状态气液平衡分离状态； 简单可压缩系统简单可压缩系统由单元可压缩物质（纯物质）构成、与外界仅由单元可压缩物质（纯物质）构成、与外界仅有容积变化功交换、无化学反应的系统有容积变化功交换、无化学反应的系统按系统与外界质量交换分按

6、系统与外界质量交换分： 闭口系闭口系closedclosed systemsystem （控制质量CM） 没有质量越过边界没有质量越过边界 开口系开口系open system open system （控制体积CV） 通过边界与外界有质量交换通过边界与外界有质量交换1 1闭口系、开口系的定义闭口系、开口系的定义状态和基本状态参数状态和基本状态参数一、状态一、状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况某一瞬间热力系所呈现的宏观状况stateofthermodynamicsystem热力学状态热力学状态系统宏观物理状况的综合系统宏观物理状况的综合 状态参数状态参数stateproperties描述物系所

7、处状态的宏观物描述物系所处状态的宏观物理量理量 a）状态参数是宏观量状态参数是宏观量，是大量粒子的宏观表现宏观表现，只有平衡态平衡态才有状态参数，系统有多多个状态参数 b）状态参数的特性状态参数的特性状态的单值函数状态的单值函数状态参数为点函数，沿闭合路径的积分为零。状态参数为点函数，沿闭合路径的积分为零。 特点：物理上与过程无关与过程无关 数学上其微量是全微分其微量是全微分C）状态参数分类状态参数分类： 强度量intensive property 它们的值与物质的量无关；它们的值与物质的量无关；广延量广延量extensive propertyproperty 它们的值正比于物质的量它们的值正

8、比于物质的量如温度和压力如温度和压力T T、P P等，等，又：广延量的比性质，如比体积具有强度量特性。mVv 如物质的体积和热力学能如物质的体积和热力学能V V、U U等。等。常用的状态参数：常用的状态参数： P P （压力）、（压力）、T T（温度）、（温度）、v v（比体积）、（比体积）、 h h（比（比焓）、u u（比（比热力学能）、 s s（比（比熵） 其中其中 P P、T T、v v、可测量可测量- -基本状态参数基本状态参数H(hH(h) )、U(uU(u) )、S(sS(s) )可计算可计算可由基本状态参数导出可由基本状态参数导出*只有平衡态平衡态才有状态参数其他热力系参数：张力

9、-长度、表面张力-面积 、 磁化-磁场强度、电荷-电位差、 1、平衡状态平衡状态 thermodynamic equilibrium state定义：在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。热平衡热平衡：thermal equilibrium：系统各部分无热量交换系统各部分无热量交换力平衡力平衡:mechanical equilibrium：系统各部分无相对位移系统各部分无相对位移如果它的温度到处相同，并与外界平衡则称之为达到如果它的温度到处相同，并与外界平衡则称之为达到热热平衡平衡。一个系统，如果它的压力到处相同，并与外界平一个系统，如果它

10、的压力到处相同，并与外界平衡称之为达到衡称之为达到力平衡力平衡或机械平衡；或机械平衡；平衡状态平衡状态:同时同时有热平衡和力平衡有热平衡和力平衡简单可压缩系统简单可压缩系统力平衡p=0化学平衡w=0;n=0热平衡t=0电平衡E=0相平衡(1)= (2)平衡条件：其他系统：其他系统：如多元系统如多元系统 相平衡、 化学反应平衡、一个平衡的热力系统，只要不受到外界的影响，它的一个平衡的热力系统，只要不受到外界的影响，它的状态就不会随时间而改变。如果受到外界作用，引起状态就不会随时间而改变。如果受到外界作用，引起系统内压力不均匀或温度不均匀，破坏了系统的平衡系统内压力不均匀或温度不均匀，破坏了系统的

11、平衡状态，则当外界作用停止后，系统内压力不同及温度状态，则当外界作用停止后，系统内压力不同及温度不同的各部分物质之间，将产生机械作用和热作用，不同的各部分物质之间，将产生机械作用和热作用，并最终趋向新的平衡状态并最终趋向新的平衡状态平衡的热力系统平衡的热力系统不平衡状态：一定存在不平衡位势不平衡状态：一定存在不平衡位势两平衡状态相等的判定两平衡状态相等的判定 若系统两平衡状态的状态参数均一一对应相等，称此若系统两平衡状态的状态参数均一一对应相等，称此两平衡状态相等；反之，相等的两状态则其状态参数必然两平衡状态相等；反之，相等的两状态则其状态参数必然一一对应相等。一一对应相等。简单可压缩系统，只

12、要两个独立的状态参数一一对应相等，简单可压缩系统，只要两个独立的状态参数一一对应相等，就可判定该系统两平衡状态相等。就可判定该系统两平衡状态相等。（状态公理）（状态公理） 平衡和稳定平衡和稳定平衡状态平衡状态是指在没有外界作用没有外界作用的情况下工质宏观性质可长久保持不变的状态。简单可压缩系统同时处于力平衡和热平衡，该系统就处于热力平衡状态， 稳定状态是指工质宏观性质长久保持不变的状态。均质等截面直杆，其任一截面的温度均不随时间改变，所以是稳定的。但这是在杆的两端热源的作用下而维持的，如果拿走两端的热源，杆子各截面的温度就会改变，所以杆并不处在平衡状态。T1T2T1 T2q 处在稳定状态的开口

13、系的热力学能、熵等广延性质的量不随时间而变，如UCV=0 、 SCV=0 。在各部位气流的速度、压力、热力学能等都不同，但是它们都不随时间而变化，因而热力学能总值等保持常数，不随时间而变化，UCV=0，但进出口截面工质的热力学能U1 和U2可以不等，热力学能总值等保持常数是对时间而言，各截面上热力学能不同，是对空间而言。工质的状态变化过程工质的状态变化过程准平衡过程（准静态过程）准平衡过程（准静态过程）破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程准静态过程准

14、静态过程(quasi-static process; quasi-equilibrium process)定义：偏离平衡态无穷小，随时定义：偏离平衡态无穷小，随时 恢复平衡的状态变化过程恢复平衡的状态变化过程。进行条件进行条件： 破坏平衡的势破坏平衡的势 Tp ,过程进行无限缓慢过程进行无限缓慢 工质有恢复平衡的能力工质有恢复平衡的能力准静态过程可在状态参数图上用连续实线表示准静态过程可在状态参数图上用连续实线表示无穷小无穷小 可逆过程可逆过程- reversible process定义定义：系统可经原途径返回原来状态而在外界不留系统可经原途径返回原来状态而在外界不留下任何变化下任何变化 的过

15、程的过程。 可逆和不可逆可逆和不可逆系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程注意：注意：可逆过程只是指可能性，可逆过程只是指可能性，并不是指并不是指必须要必须要回到初态的过程。回到初态的过程。 可逆过程可逆过程 3.一切实际过程不可逆一切实际过程不可逆 4.内部可逆过程内部可逆过程 讨论讨论：1.可逆可逆= =准静态准静态+ +没有耗散效应没有耗散效应 2.准静态着眼于系统内部平衡，可逆着准静态着眼于系统内部平衡，可逆着 眼于系统眼于系统内部及系统

16、与外界作用的总效果内部及系统与外界作用的总效果 5.可逆过程可用状态参数图上实线表示可逆过程可用状态参数图上实线表示可逆过程和准静态过程可逆过程和准静态过程 气态系统进行准平衡过程的条件是促使系统平衡被破坏的压力差及温度差为无限小，过程进行的时间非常长。准静态过程的着眼点是系统内部平衡。 如果系统经历了一个过程后，可沿原过程的路线反向进行，回复到原状态，而且不在外界不在外界留下任何影响留下任何影响-可逆过程可逆过程。在外界的作用下系统都可循原途径的反向回到原状态，关键是否系统在回复到原状态的同时不给外界留下任何影响。 过程在有限压差作用下进行，是非准静态过程是非准静态过程。 fApFpAbco

17、s 过程为准静态过程但不可逆准静态过程但不可逆。因气体膨胀作功除用于排斥大气作功和克服摩擦耗功，其余部分转变为动能储存于飞轮内。利用飞轮积储的动能可使活塞返行，但摩擦使活塞不能返回到原位置，借助于外力可推动活塞回到原位，这就在外界留下影响，因此过程是准静态的但不可逆。fApFpAbcos运动无摩擦，传热无温差的准平衡过程是可逆过程运动无摩擦，传热无温差的准平衡过程是可逆过程。 fApFpAbcos非准静态过程fApFpAbcos准静态过程，不可逆)0(cosfApFpAb准静态过程，可逆过程)0(cosfApFpAb准静态的也是可逆可逆的。1-41-4温度和温度测量方法温度和温度测量方法温度和

18、温标temperature and temperature scale热力学温标和国际摄氏温标 （Celsius temperature scale)(thermodynamics scale; Kelvin scale; absolute emperature scale and internal(开耳文温标，绝对温标 ）温标温标- -定义定义: :温度温度- -标志物体冷热的程度的量标志物体冷热的程度的量温度的数值标度温度的数值标度A AB B当当不同冷不同冷热热的的A A与与B B物物质质，相互接，相互接触触時時，能，能允允許許热热的的传递传递，经过经过一段一段时间时间之後，之後，A A

19、与与B B可具有相同的冷可具有相同的冷热热程度程度定义与定义与物物质质本身性本身性质无质无关关的物理量的物理量: :温度温度，來來量量化物化物质质本身的冷本身的冷热热程度程度测温方法1、选择适当物质：2、选择该物质与温度关系：v、p、R、E3、规定物性与温度关系：v=f(t) E=f(t）、4、选固定温度点为计温的基准点:分度缺点：温标定义太随便(例；冰点 32F 0） 测温范围窄、温标不科学（非线性）经验温标热力学温标经验温标：为了测量温度，需建立温度的标尺，即温标。国际单位制（即SI制）中，以热力学温标作热力学温标作为基本温标。为基本温标。它所定义的温度称为热力学温度它所定义的温度称为热力

20、学温度T T，单位为开尔文，符号为K。热力学温标以水的三相点，即水的固、液、气三态平衡共存时的温度为基本定点，并规定其温度为273.16K。于是1K就是水的三相点热力学温度的 1/273.16. 热力学温标由卡诺定理导出；TtpTtptpQQQQTTTTQQ16.2732121理想气体温标：理想气体为测温介质Ttp=273.16 ptp=611.659Pa 热力学温标和国际摄氏温标 华氏温标（符号F），规定在一个标准大气压下纯冰的熔点和纯水的沸点分别为32F和212F，以绝对零度为起点的华氏温标称为朗肯温标（符号R） 32593295ctFtFtct华氏温标和摄氏温标 67.459FtRT华氏温标和朗肯温标朗氏温标和华氏温标实用温度计玻璃 温度计、双