第五章热力学基本概念

1、n2. :可压缩、易膨胀、易可压缩、易膨胀、易流动流动n4、常用工质、常用工质热机循环中热机循环中: 水水蒸气、空气蒸气、空气 、燃气、燃气 ；制冷循环；制冷循环 、热泵循环中热泵循环中: 氨氨 、氟里昂、氟里昂给水泵给水泵 锅锅炉炉汽机汽机轮轮凝凝汽汽器器过热器过热器 人人为为划划分分出出来来,n 可可为为真真实实的的物物质质、设设备备或或假假想想的的热热力力学学模模型型n 2 2、外外界界 与与热热力力系系相相互互作作用用的的周周围围物物体。体。热热力力系系与与外外界界之之间间的的分分界界面面。可可实实际际存存在在,亦亦可可假假想想;可可固固定定不不动动,亦亦可可移移动动或或变变形形工工程

2、程热热力力学学中，中，通通常常选选取取一一定定的的工工质质或或空空间间作作为为研研究究的的对对象，象，并并将将之之称称为为热热力力系系统，统，简简称称热热力力系系或或系系统。统。n 3 3、边边界界热力系给水泵给水泵 锅锅炉炉汽机轮汽机轮凝凝汽汽器器过热器过热器 汽轮机汽轮机边界边界叶轮叶轮11进口进口22出口出口1234mQW1 开口系开口系系统分类系统分类非孤立系相关外界非孤立系相关外界孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系 本身热容量很大，本身热容量很大，且在放出或吸收有限量且在放出或吸收有限量热量时自身温度及其它热量时自身温度及其它

3、热力学参数没有明显变热力学参数没有明显变化的物体。化的物体。 其它分类方式其它分类方式 均匀系均匀系 非均匀系非均匀系多元系多元系单元系单元系多相多相单相单相最重要的最重要的系统系统 只交换只交换热量热量和和一种一种准静态的准静态的容积变化功容积变化功容积变化功容积变化功 低温液态低温液态过热蒸汽过热蒸汽 锅锅炉炉汽机轮汽机轮凝凝汽汽器器n状态确定，则状态参数也确定，反之亦然状态确定，则状态参数也确定，反之亦然1 2ab 0dz212, 12, 112abzzdzdzdz例：温度变化例：温度变化强度参数：强度参数：与物质的量无关的参数与物质的量无关的参数 如如压力压力 p、温度温度T广延参数：

4、广延参数：与物质的量有关的参数与物质的量有关的参数可加性可加性 如如 质量质量m、容积容积 V、内能内能 U、焓焓 H、熵熵S比参数：比参数：比比容容VvmUum比比内能内能Hhm比比焓焓Ssm比比熵熵单位：单位：/kg /kmol 具有强度量的性质具有强度量的性质速度速度动能动能高度高度 位能位能 内能内能温度温度应力应力摩尔数摩尔数（强）（强）（强）（强）（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）如果两个系统分别与第三个系统处于如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。 温度温度计计物质物质 （水

5、银，铂电阻水银，铂电阻）特性特性 （体积膨胀，阻值体积膨胀，阻值）基准点基准点刻度刻度温标温标绝对绝对K摄氏摄氏 华氏华氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.67冰熔点冰熔点水三相点水三相点盐水熔点盐水熔点发烧发烧水沸点水沸点O 273.15T KtCO5( 32)9tCt F平衡的平衡的本质本质：不存在不平衡势：不存在不平衡势稳定：稳定：参数不随时间变化参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态去掉外界影响，则状态变化变化若以（热源若以（热源+铜棒铜棒+冷源）冷源）为系统，又如何

6、？为系统，又如何？平衡平衡：时间上：时间上均匀均匀：空间上：空间上1、概念、概念n 描述热力状态的各状态参数往往互有联系，描述热力状态的各状态参数往往互有联系，可用状态方程式来表示。可用状态方程式来表示。n 对于气态工质组成的简单热力系，只需对于气态工质组成的简单热力系，只需两个两个独立的状态参数就可确定其平衡状态。独立的状态参数就可确定其平衡状态。P f1（v，T）V f2（p，T）T f3（p，v） 2、平衡状态、平衡状态可用可用一组一组状态参数描述其状态状态参数描述其状态状态公理：状态公理：对组元一定的闭口系，对组元一定的闭口系，独立状态参数个数独立状态参数个数 N=n+1想确切描述某个

7、热力系，是想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？否需要所有状态参数？闭口系：闭口系： 独立参数数目独立参数数目N=不平衡势差数不平衡势差数 =能量转换方式的数目能量转换方式的数目 =各种功的方式各种功的方式+热量热量= n+1n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等等不平衡势差不平衡势差 状态变化状态变化 能量传递能量传递消除一种消除一种 达到某一达到某一 消除一种能量消除一种能量不平衡势差不平衡势差 方面平衡方面平衡 传递方式传递方式理想气体的状态方程理想气体的状态方程RTpv 状态方程的具体形式取决于工质的性质状态方程的具体形式取决于工质的性质n

8、RTpV （三）状态参数坐标图（三）状态参数坐标图简单可压缩系简单可压缩系 N=2，平面平面坐标图坐标图pv1 1）系统任何平衡态可）系统任何平衡态可 表示在坐标图上表示在坐标图上说明：说明：2 2）过程线中任意一点）过程线中任意一点 为平衡态为平衡态3 3）不平衡态无法在图）不平衡态无法在图 上用实线表示上用实线表示常见常见p-v图和图和T-s图图21o1、概念、概念热力系从一个状态向另热力系从一个状态向另一个状态变化时经历的全部状态的总和一个状态变化时经历的全部状态的总和称为称为热力过程热力过程，简称，简称过程过程。 o 概念概念n 准平衡过程是一种理想过程。准平衡过程是一种理想过程。n

9、准平衡过程可在参数坐标图上近似地用连续的实线表示。准平衡过程可在参数坐标图上近似地用连续的实线表示。 n 热力学中所研究的热力过程，一般都指准平衡过程。热力学中所研究的热力过程，一般都指准平衡过程。 pv12不可逆过程中，使功不可逆过程中，使功变为热的效应。变为热的效应。的的平平衡衡状状态，态，具具有有确确定定的的状状态态参参数，数，可可用用参参数数坐坐标标图图表表示。示。o 不不同同准准静静过过程程主主要要着着眼眼于于系系统统内内部部状状态态的的平平衡，衡，而而可可逆逆过过程程不不仅仅要要求求内内部部状状态态的的平平衡，衡，而而且且主主要要着着眼眼于于系系统统与与外外界界相相互互作作用用时时

10、能能量量交交换换过过程程中中内、内、外外部部是是否否存存在在不不平平衡衡势势差差及及耗耗散散效效应。应。典型的不可逆过程典型的不可逆过程不等温传热不等温传热T1T2T1T2Q节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）p1p2p1p2典型的不可逆过程典型的不可逆过程混合过程混合过程自由膨胀自由膨胀真空真空花费的代价得到的收益工作系数 工工程程热热力力学学提提到到的的气气体体均均指指理理想想气气体。体。-查查理理定定律律的的气气体。体。n 分分子子可可视视为为是是一一些些弹弹性性的，的，不不占占体体积积的的质质点点n 分分子子之之间间不不存存在在相相互互作作用用力。力。o 当当气气体体的的压压力力不不太

11、太高，高，温温度度不不太太低低时，时，气气体体分分子子间间的的作作用用力力及及分分子子本本身身的的体体积积可可以以忽忽略。略。o 当当压压力力较较高高或或温温度度较较低低或或接接近近于于液液态态时，时，气气体体分分子子间间距距离离小，小，不不能能作作为为理理想想气气体。体。gpvR TgpVmR TnRTpV n 质量热容质量热容 , 符号为符号为c ，单位为，单位为J/（kgK）或或kJ/（kgK）；n 摩尔热容摩尔热容: lmol物质的热容物质的热容, 符号为符号为Cm，单位为，单位为J/(molK)或或kJ/(molK)；n 体积热容体积热容: 标准状态下标准状态下1m3物质的热容，符号

12、为物质的热容，符号为c ，单位为单位为J/（m3K）或或 kJ/（m3K）。 o 3、三种比热容的关系、三种比热容的关系: Cm Mc 0.0224c TqcVVdtqcVVd化化1K（或或1）所所需需要要吸吸收收或或放放出出的的热热量量称称为为比比定定压压热热容容，也也称称为为质质量量定定压压热热容容，用用符符号号cp表表示。示。Tqcppdtqcppdo 在一定的温度下，同一种气体的在一定的温度下，同一种气体的cp值总比值总比cV值大。理想气体值大。理想气体cp与与cV之间的关系为：之间的关系为：gRccVp 2210tataatfc21ttc1212212121dtttcttqctttt

13、2121d1221tttttcttcq1020001020211212ddtctctctcqqqtttt10202112tctcmQtt 指由两种或两种以上不发生化学反应的气体指由两种或两种以上不发生化学反应的气体组成的组成的混合物混合物。什么是什么是混合气体混合气体?如如:烟气、空气烟气、空气 当混合气体中的每一种组成气体都是理想气当混合气体中的每一种组成气体都是理想气体时，由它们组成的混合气体也可以看作是体时，由它们组成的混合气体也可以看作是理想理想气体气体, 具有理想气体的一切特性。具有理想气体的一切特性。1、分压力、分压力 分压力分压力: 每一种组成气体在混合气体的温度下，单独占每一种

14、组成气体在混合气体的温度下，单独占有整个体积有整个体积V时，所产生的压力称为该组成气体的分压力，时，所产生的压力称为该组成气体的分压力，用符号用符号pi表示。表示。道尔顿分压定律道尔顿分压定律的压力等于各组成气体分压力的压力等于各组成气体分压力之和之和，即，即 n1n21iippppp 道尔顿分压定律仅适用于道尔顿分压定律仅适用于理想气体理想气体。混 合 气 体nP TVn1P 1 TVn2P 2TV组 成 气 体 3nnP nTV组 成 气 体 1组 成 气 体 2 分体积分体积: 每一种组成气体处于混合气体的温度、压力条件每一种组成气体处于混合气体的温度、压力条件下时，单独占据的体积，称为

15、该组成气体的分体积，用符下时，单独占据的体积，称为该组成气体的分体积，用符号号Vi表示。表示。亚美格分体积定律：混合气体的总体积亚美格分体积定律：混合气体的总体积V，等于各组成气，等于各组成气体分体积体分体积Vi之和之和, 即即 niiVVVVV1n21上式仅适用于上式仅适用于理想混合气体理想混合气体。 成分成分: 混合气体中各组成气体的含量与混合混合气体中各组成气体的含量与混合气体总量的比值。气体总量的比值。 混合气体的性质不仅取决于热力学参数如压混合气体的性质不仅取决于热力学参数如压力、温度等，还取决于混合气体的组成成分。力、温度等，还取决于混合气体的组成成分。质量分数质量分数三种常用成分

16、三种常用成分:体积分数体积分数摩尔分数摩尔分数质量分数质量分数 混合气体中某组成气体的质量混合气体中某组成气体的质量mi与混合气体与混合气体总质量总质量m的比值，称为该组成气体的质量分数，的比值，称为该组成气体的质量分数，用符号用符号gi表示，即表示，即mmgiiniimm111n21 niigggg 体积分数体积分数 混合气体中某组成气体的分体积混合气体中某组成气体的分体积Vi与混合气与混合气体总体积体总体积V的比值，称为该组成气体的体积分数，的比值，称为该组成气体的体积分数，用符号用符号ri表示，即表示，即VVriiniiVV111n21 niirrrr3. 摩尔分数摩尔分数 混合气体中某组成气体的摩尔数混合气体中某组成气体的摩尔数ni与混合气与混合气体总摩尔数体总摩尔数n的比值，称为该组成气体的摩尔分数，的比值，称为该组成气体的摩尔分数，用符号用符号xi表示，即表示，即nnxiiniinn11n1n21 iixxxx三种成分间的换算三种成分间的换算 ri xi ri与与xi : MMxMMrgiiiiigi与与ri: Mi和和M分别表示某组成气体与混合气体的分别表示某组成气体与混合气体的摩尔质量摩尔质量。TRmVpiiigTRmpViiigprpVVpiiiTmRpVg 说明说明: 某组成气体的分压力等于混合气体的总压某组成气体的分压力等于混合气体