第一章 基本概念(A)

第一章基本概念

(BasicConcepts)本章重点热力系统工质状态与状态参数基本状态参数p,v,T平衡状态准静态过程，可逆过程状态方程与坐标图功和热量热力循环：正循环和逆循环。§1-1

热力系统

(ThermodynamicSystem)热力系统(热力系、系统)：将所要研究的对象与周围环境分隔出来，这种人为分隔出来的研究对象，称为~。这种研究对象指特定物质或空间。外界（

Surroundings

）：热力系以外的所有物质。1、热力系统、外界、边界边界(界面)（

Boundary）：热力系统与外界分开的界面。系统与外界的作用都通过边界ClosedsystemOpensystem热力系统选取的人为性锅炉boiler汽轮机(turbine)发电机(generator)给水泵(pump)凝汽器(condenser)过热器(reheater)只交换功只交换热既交换功也交换热热力系的选取完全是按照人为的目的进行的。2、边界特性真实、虚构固定、活动（CharacteristicsofBoundary）3、热力系统分类⑴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（Typesofsystems）1234mQW1

开口系

热力系统非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2

闭口系1+2+3

绝热闭口系1+2+3+4孤立系⑵热力系统其它分类方式

其它分类方式

物理化学性质

均匀系

非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相§1-2工质状态和状态参数1、状态定义：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况2、状态参数定义：描述热力系状态的物理量，如p，v，T，u，

h，

s等。3、状态参数的特征：⑴状态确定，则状态参数也确定，反之亦然⑵状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关⑶状态参数的微分特征：全微分StateandStatePropertiesofworkingmedium状态参数的积分特征

状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。数学上：1

2ab例：温度变化状态参数的微分特征设z=z(x,y)dz是全微分充要条件：可判断是否是状态参数4、强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数如压力

p、温度T、比体积v，密度广延参数：与物质的量有关的参数可加性如

质量m、容积

V、内能

U、焓

H、熵S比参数：比容比热力学能比焓比熵单位：/kg

具有强度参数的性质§1-3基本状态参数压力

p、温度

T、比容v

（容易测量）1、压力p(Pressure)⑴

物理中压强，单位:Pa,N/m2⑵常用单位：

1bar=105Pa

1MPa=106Pa

1atm=760mmHg=1.013105

Pa

1mmHg=133.3Pa1at=735.6mmHg=9.80665104

Pa(BasicStateProperties)⑷压力p测量示意图一般是工质绝对压力与环境压力的相对值

——相对压力注意：只有绝对压力p才是状态参数⑶绝对压力与相对压力

Absolutepressureandrelativepressure

示意图当

p>pb表压力

pe当

p<pb真空度

pvpbpeppvpVacuumpressureGagepressure⑷环境压力与大气压力

EnvironmentalpressureandAtmospheric(barometric

)pressure环境压力指压力表所处环境注意：环境压力一般为大气压，但不一定。见例题1－1大气压随时间、地点变化。物理大气压

1atm=760mmHg当h变化不大，ρ常数1mmHg=ρgh=133.322Pa当h变化大，ρρ(h)

(Pa)例1:已知当地大气压力pb,及压力表1、2的读数分别为pg1，pg2。求pg3？

解：⑴压力表1测得的是A室的相对压力，故

⑵压力表2测得的也是A室的相对压力，但它处在B室环境中，故⑶压力表3测得的是B室的相对压力，故⑸其它压力测量方法高精度测量：活塞式压力计工业或一般科研测量：压力传感器活塞式压力计压力传感器2、温度Temperature

⑴定义：是描述热力平衡系统冷热状况的物理量。从微观上，温度是标志物质内部大量分子热运动的强烈程度的物理量。

温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。⑵温度的测量温度计物质（水银，铂电阻，热电偶，光纤）特性（体积膨胀，阻值，温差效应，光导纤维）基准点刻度温标：温度的数值表示法(利用部分物质吸收的光谱随温度变化而变化的原理)

热力学温标和国际摄氏温标

KelvinscaleandCelsiusscale华氏温标Fahrenheitscale

和摄氏温标3、比容v

(Specificvolume

)［m3/kg]工质聚集的疏密程度物理上常用密度

［kg/m3]§1-4平衡状态1、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。

温差

—

热不平衡势

压差

—力不平衡势

化学反应

—化学不平衡势2、平衡的充要条件：系统内部及系统与外界之间不存在不平衡势EquilibriumState稳定：参数不随时间变化，但可能有外界作用。稳定不一定平衡，但平衡一定稳定例如，教室内与教室外3、平衡Equilibrium与稳定Steady平衡Equilibrium与稳定Steady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+环境）为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定4、平衡与均匀Even的比较平衡：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的5、为什么引入平衡概念？

如果系统平衡，可用一组确定的参数（压力、温度）描述§1-5状态方程、坐标图平衡状态可用一组状态参数描述其状态状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数

N=n+1想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？1、状态公理

（TheStatePostulate）

独立参数数目N

=能量转换方式的数目

=各种功的方式+热量=n+1n容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等简单可压缩系统：N=n+1=2绝热简单可压缩系统

N=?对不可压缩系统

N=?基本状态参数（p,v,T)之间的关系2、状态方程（EquationofState）

⑴状态方程的一般形式理想气体的状态方程实际工质的状态方程？？？⑵状态方程的具体形式

取决于工质的性质范德瓦尔方程、伯特洛方程等。3、坐标图（CoordinateDiagram）简单可压缩系N=2，平面坐标图pv⑴系统任何平衡态可表示在坐标图上说明：⑵过程线中任意一点为平衡态⑶不平衡态无法在图上用实线表示常见:p-v图和T-s图21§1-6准静态过程、可逆过程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⑴热力学引入准静态（准平衡）过程？1、准静态过程（Quasi-staticorQuasi-equilibriumprocess）p1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最终p2

=p0T2

=T0pv12..⑵定义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pv12...系统随时接近于平衡态⑶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？定义：由一系列无限接近平衡态的状态所组成的热力过程称为准静态过程或准平衡过程。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

准静态过程例如：气缸活塞系统，气体分子运动的速度极大。在0℃时，H2的均方根平移运动速度达1828m/s,N2分子达493m/s，O2分子达461m/s.气体内部的压力传播速度也很大，通常达每秒几百米。而活塞移动的速度通常不足10m/s。因此气体在气缸内部的体积变化过程中有足够的时间来恢复平衡，所以气缸内的气体的状态变化过程是一个准静态过程。工程中的许多热力过程，虽然凭人们的主观标准看似乎很迅速，但从热力学的时间标尺来衡量，过程的变化还是比较慢的，并不会出现明显的偏离平衡态，可以当作实现准静态过程来处理。2、可逆过程（Reversibleprocess）

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。注意：可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。⑴定义

若假想机器内部没有摩擦，工质内部也没有摩阻。工质膨胀对外所作的功全部用来推动飞轮，以动能的形式全部储存在飞轮中。当活塞逆行时，飞轮中储存的能量逐渐释放出来用于推动活塞沿工质原过程线逆向进行一个压缩过程。由于机器及工质没有任何耗散损失，过程终了将使工质及机器都回复到各自的初始状态。故是可逆过程。（2）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或势差无限小通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变形，磁阻等）

不平衡势差

不可逆根源

耗散效应

耗散效应⑶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。Heattransfer常见的不可逆过程不等温传热T1T2T1>T2Q节流过程

(阀门）p1p2p1>p2FrequentlyencounteredirreversibilitiesThrottler常见的不可逆过程混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★自由膨胀真空••••••••••••FrequentlyencounteredirreversibilitiesUnrestrainedexpansionMixingprocesselectricresistance（电阻）

inelasticdeformationofsolid（固体的塑性变形）chemicalreactions（化学反应）§1-7功量

(Work)⑴力学定义:

力在力方向上的位移⑵热力学定义

1、定义指热力系通过边界和外界进行的机械能的交换量。J，J/kg例：火力发电装置锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器2、功的表达式⑴功的一般表达式⑵热力学最常见的功容积变化功：膨胀功或压缩功。其他形式的功：拉伸功，表面张力功，电功等3、示功图(indicatorp-Vdiagram)pV.12.pp外21mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdvWWdVp微元可逆过程:有限可逆过程:W=pdV§1-8热量与熵1、热量定义：

热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分（不确切）。

另一定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温差的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。

HeatandEntropy热量如何表达？热量是否可以用类似于功的式子表示？？引入“熵”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2、熵（Entropy）的定义reversible熵的简单引入比参数

[kJ/kg.K]ds:可逆过程qrev除以传热时的T所得的商

清华大学刘仙洲教授命名为“熵”广延参数

[kJ/K]⑴定义⑵熵的说明①熵是状态参数③熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与方向②符号规定系统吸热时为正

Q>0dS

>0系统放热时为负

Q<0dS

<0④用途：判断热量方向计算可逆过程的传热量⑶示功图与温熵图(示热图)pVWTSQ

示功图温熵(示热)图§1-9热力循环

（ThermodynamicCyc