西安交通大学工程热力学基本概念及定义

1、西安交通大学工程热力学基本概念及定义目录 1-1 热力系统 1-2 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-3 平衡状态、平衡方程、坐标图 1-4 工质的状态变化过程 1-5 过程功和热量 1-6 热力循环第1-1节 热力系统热力系统（热力系、系统）人为划定的一定范围内的研究对象一、热力系统定义 外界 热力系统以外的部分 边界 系统与外界之间的分界面系统与外界的作用都通过边界一、热力系统定义锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器只交换功只交换热既交换功也交换热热力系统选取的人为性二、热力系统分类根据系统与外界物质交换、热量交换的情况（1）闭口系统：系统与外界有能量、无物质交换 闭口系统内的质量保持恒

2、定不变，所以闭口系统又叫做控制质量。二、热力系统分类根据系统与外界物质交换、热量交换的情况（2）开口系统：系统与外界有能量、有物质交换 开口系统中的能量和质量都可以变化，但这种变化通常是在某一划定的空间范围内进行的，所以开口系统又叫做控制容积，或控制体。二、热力系统分类根据系统与外界物质交换、热量交换的情况（3）绝热系统：系统与外界无热量交换 冷源QW把冷源包括在内的绝热系统二、热力系统分类根据系统与外界物质交换、热量交换的情况（4）孤立系统：系统与外界无物质、无能量交换 孤立系统的一切相互作用都发生系统内部。二、热力系统分类闭口系：与外界无物质交换的系统 CM 开口系：与外界有物质交换的系统

3、 CV 按物质交换简单可压缩系：热力系与外界只有热量和可逆体积变化 功的交换。孤立系：与外界无任何能量和物质交换的热力系。 绝热系：与外界无热量交换的系统。 热 源：与外界仅有热量的交换，且有限热量的交换 不引起系统温度变化的热力系统。 按能量交换二、热力系统分类以系统与外界关系划分： 有 无是否传质 开口系 闭口系是否传热 非绝热系 绝热系是否传功 非绝功系 绝功系是否传热、功、质 非孤立系 孤立系三、工质用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。工质理想气体 实际气体 蒸 气 第1-2节 工质的热力学状态及其基本状态参数一、热力学状态热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。(简称状态) 二、状

4、态参数 定义：描述系统状态的宏观物理量。 2、积分特征：状参变化量与路径无关，只与初终态有关 3、微分特征：全微分数学上：点函数、状态函数例：温度变化，高度变化设 z =z (x , y)充要条件：1ab2状态参数的特征： 1、单值性：状态确定，则状态参数也确定，反之亦然 按与所含工质的量有关否分类：二、状态参数 广延量参数：有关，如 H、U、S 等，广延量参数 具有可加性 强度量参数：无关，如 p、T、v，u，h 等 注意：广延量的比参数（单位质量工质的体积、热力学能等）具有强度量的性质，不具有可加性。 按是否直接或易测基本状态参数：可以直接或易测的状态参数。如p、v 和T 。非基本状态参数

5、：不能直接或易测的状态参数。如H，S，U 等 三、温度温度计三、温度温度T 的一般定义传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量微观：衡量分子平均动能的量度 T 0.5 m w 21) 同T , 0.5mw 2 不同，如碳固体和碳蒸气0.5mw 2总0, T 0, 1951年核磁共振法对氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度3) T=0 0.5mw 2=0 分子一切运动停止，零点能三、温度1.温度的科学定义 温度是决定系统间是否存在热平衡的宏观物理量。 热力学第零定律 温度测量的基础处于热平衡的两物体，如果分别和第三个物体处于热平衡，则这两个物体之间必然处于热平衡。2.温度的数值表示法温标 热力学温

6、标：理论温标，符号T ，单位K。经验温标：摄氏温标（）、华氏温标（OF） 。 国际实用温标：（ITS90） 经验温标建立的三要素： t（）=T（K）-273.15 常用温标之间关系对比绝对K摄氏 华氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.8-273.15212671.6737.8100032459.67491.67冰熔点水三相点盐水沸点发烧水沸点559.673.温度测量方法日常：水银温度计，酒精温度计，水温度计工业：热电偶，热敏电阻计量：铂电阻温度计按用途分类：按测温原理分类：3.温度测量方法膨胀式温度计：水银温度计、双金属温度计电阻温度计：铂电阻温度计、热敏电阻

7、温度计热电温度计：热电偶温度计辐射温度计：光电高温计、辐射高温计声学温度计 。四、压力四、压力定义单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强)分子运动学说认为压力是大量气体分子撞击器壁的平均结果。四、压力压力的单位国际标准单位：帕斯卡(简称帕) 符号：Pa 1Pa=1N/m2标准大气压（atm , 也称物理大气压）巴（bar）工程大气压（at）毫米汞柱（mmHg)毫米水柱（mmH2O) 工程单位：四、压力绝对压力、表压力、真空度及大气压力之间的关系五、比体积及密度单位质量的工质所占的体积，单位是m3/kg。1、比体积2、密度单位体积物质的质量，单位是kg/m3。第1-4节 平衡状态、平衡方程、

8、坐标图一、平衡状态1、定义：一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下, 系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状 态称为平衡状态。2、实现条件（充要条件）：p=0 T=0 (=0)。 温差 热不平衡势压差 力不平衡势相变或化学反应 化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势为什么引入平衡概念？如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述但平衡状态是死态，没有能量交换能量交换状态变化破坏平衡如何描述平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡与均匀平衡：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，

9、单相平衡态则一定是均匀的描述平衡态基本状态参数间关系表达式称为状态方程式。 二、状态方程式 隐函数形式：理想气体状态方程范德瓦尔斯方程RK方程（2）状态参数坐标图：常用的状态坐标图有压容图和温熵图等 状态参数坐标图（1）独立的状态参数：简单可压缩系统 三、状态参数坐标图由热力系统参数所组成的坐标图称为热力状态坐标图。 第1-5节 工质的状态变化过程一、热力过程 定义：热力系从一个状态向另一个状态变化时所经历 的全部状态的总和。“过程”意味着变化，意味着平衡被破坏平衡状态状态不变化能量不能转换非平衡状态无法简单描述热力学引入准静态（准平衡）过程一般过程p1 = p0+重物p，Tp0T1 = T0

10、突然去掉重物最终p2 = p0T2 = T0p12.准静态过程p1 = p0+重物p，Tp0T1 = T0假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层p12.系统随时接近于平衡态二、准平衡(准静态)过程 定义：由一系列平衡态组成的热力过程。实现条件：破坏平衡态存在的不平衡势差(温差、力差、化学势差) 应为无限小。即p0 T0 (0) 准平衡过程的实现准静态过程有实际意义吗？既是平衡，又是变化既可以用状态参数描述，又可进行热功转换疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程的工程

11、应用例：活塞式内燃机 2000转/分 曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”准静态过程的容积变化功pp外f初始：pA = p外A +fA如果 p外微小可视为准静态过程dl以汽缸中mkg工质为系统mkg工质发生容积变化对外界作的功W = pA dl =pdV1kg工质w =pdvdl 很小，近似认为 p 不变准静态过程的容积变化功pp外2mkg工质：W =pdV1kg工质：w

12、=pdv1注意： 上式仅适用于准静态过程示功图pV.12.pp外21mkg工质：W =pdV1kg工质：w =pdvW三、可逆过程和不可逆过程定义：当系统完成某一热力过程后，如果有可能使系统 再沿相同的路径逆行而回复到原来状态，并使相 互中所涉及到的外界亦回复到原来状态，而不留 下任何变化，则这一过程称为可逆过程。不满足 上述条件的过程为不可逆过程。 过程：准平衡的膨胀过程，同时自热源T吸热T1456372Pv0mn可逆过程的实现准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程无不平衡势差通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等） 不平衡势差不可逆根源 耗散效应 耗散效应典型的不可逆过程

13、节流过程 (阀门）p1p2p1p2混合过程引入可逆过程的意义准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过 程，可逆过程是最优过程。可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数 表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想 情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后 考虑不可逆因素加以修正。第1-6节 过程功和热量一、功的定义热力学定义：热力系统通过边界而传递的能量，其全部效果可表现为举起重物。力学定义:力在力方向上的位移第1-6节 过程功和热量符号规定 系统对外作功：+ 外界对系统作功：-一、功的热力学定义功：热力系统通过边界而传递的能量，其

14、全部效果可表现为举起重物。比功：单位质量的物质所做的功。二、可逆过程的功示功图如右：则有，可逆过程功可用示功图上过程线下的面积表示。符号规定 吸热：+ 放热：- 三、过程热量热量的定义：热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。示功图与示热图pVWTSQ 示功图温熵(示热)图四、功和热量的异同相同：功和热量都是能量传递的度量，都是过程量。不同： 功是有规则的宏观运动能量的传递，在做功过程中 往往伴随着能量形态的转化；热量则是大量微观粒 子杂乱热运动的能量的传递，传热过程中不出现能 量形态的转化。功转变成热量是无条件的，而热转 变成功是有条件的。热量与容积变化功能量传递方式 容积变化功 传热量性质 过程量 过程量推动力 压力 p 温度 T标志 dV , dv dS , ds公式条件 准静态或可逆 可逆第1-7节 热力循环1、定义：工质从某一初态 出发经历一系列 热力状态变化后 又回到原来初态 的热力过程即 封闭的热力过 程，简称循环。 一、循环概说能量利用经济性 3、能量利用经济性 按目的 正循环(即动力循环)：对外输出动力。 逆循环(即制冷循环或热泵循环）：制冷或制热。 2、分类 按性质 可逆