第五章 热力学基本概念

流体力学建筑与环境工程系第五章热力学基本概念

1、理解工质、热力系的定义，掌握热力系的分类。2、理解热力状态和状态参数的定义；掌握状态参数的特征、分类，基本状态参数的物理意义和单位；3、掌握平衡状态的物理意义及实现条件。4、了解状态方程式及参数坐标图的物理意义及作用。5、理解热力过程、热力循环的概念。6、了解理想气体的概念，比热容的计算。7、理解理想气体混合物的基本定律。学习要求第五章热力学基本概念§5.1工质和热力系§5.2平衡状态和热力过程§5.3理想气体§5.1工质和热力系一、工质1、概念——实现热能与机械能相互传递与转换的媒介物质。2.工质特性:可压缩、易膨胀、易流动3、工质的选择——热力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物质的体积变化来实现的，常选气态物质作为工质。4、常用工质——热机循环中:水蒸气、空气、燃气；制冷循环、热泵循环中:氨、氟里昂给水泵

锅炉汽机轮凝汽器过热器

二、热力系（一）热力系的概念1、热力系——在工程热力学中，通常选取一定的工质或空间作为研究的对象，并将之人为划分出来,称为热力系统，简称热力系或系统。可为真实的物质、设备或假想的热力学模型2、外界——与热力系相互作用的周围物体。3、边界——热力系与外界之间的分界面。可实际存在,亦可假想;可固定不动,亦可移动或变形热力系高温热源吸热Q1热机作功W机械能放热Q2低温热源给水泵

锅炉汽机轮凝汽器过热器

外界与边界活塞气缸汽轮机（二）热力系的分类

1、根据热力系与外界进行物质交换的情况闭口热力系——热力系与外界无物质交换与外界有能量传递,无物质交换的系统。系统的质量恒定不变。

边界活塞气缸（二）热力系的分类1、根据热力系与外界进行物质交换的情况开口热力系——热力系与外界有物质交换。与外界有能量、物质交换的系统。系统的容积始终保持变。变质量热力系，控制体积热力系汽轮机边界叶轮11进口22出口（二）热力系的分类2、根据热力系与外界的能量和物质交换绝热系——热力系与外界无热量交换孤立热力系——与外界既无能量（功、热量）交换又无物质交换的系统，简称为“孤立系”。边界活塞气缸1234mQW1

开口系

热力系统分类非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2

闭口系1+2+3

绝热闭口系1+2+3+4孤立系特殊热力系如:热源

本身热容量很大，且在放出或吸收有限量热量时自身温度及其它热力学参数没有明显变化的物体。提供热量的热源称为高温热源；吸收热量的热源称为低温热源。高温热源吸热Q1热机作功W机械能放热Q2低温热源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简单可压缩系统最重要的系统

简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功

（三）热力系的描述

工质在进行热量传递和能量转换的过程中,其状态不断发生变化．低温液态过热蒸汽

锅炉汽机轮凝汽器（三）热力系的描述1、热力状态——工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力状态，简称状态。2、状态参数——描述工质热力状态的宏观的物理量。状态确定，则状态参数也确定，反之亦然状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关状态参数分类—

广延量；强度量系统两个状态相同的充要条件：所有状参一一对应相等简单可压缩系：两个独立的状态参数对应相等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。12ab例：温度变化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：比容比内能比焓比熵单位：/kg/kmol

具有强度量的性质强度量与广延量速度动能高度

位能

内能温度应力摩尔数（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）3、常用状态参数（1）基本状态参数温度（T）压力（p）比体积（v）（2）导出状态参数热力学能（U）焓（H）熵（S）热力学第零定律热力学第零定律（R.W.Fowler）

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。温度测量的理论基础B温度计温度的热力学定义

处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量温度。

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温度的测量温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度温标常用温标绝对K摄氏℃

华氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.67冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点温标的换算§5.2平衡状态和热力过程一、平衡状态（一）平衡状态——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

—

化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势平衡与稳定稳定：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，单相平衡态则一定是均匀的（二）状态方程1、概念——表示状态参数之间关系的方程式称为状态方程式。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。对于气态工质组成的简单热力系，只需两个独立的状态参数就可确定其平衡状态。Pf1（v，T）Vf2（p，T）Tf3（p，v）

2、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？状态公理闭口系：而不平衡势差彼此独立独立参数数目N=不平衡势差数

=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、表面张力功等不平衡势差状态变化能量传递消除一种

达到某一

消除一种能量不平衡势差方面平衡传递方式3、状态方程的具体形式理想气体的状态方程状态方程的具体形式取决于工质的性质

（三）状态参数坐标图简单可压缩系N=2，平面坐标图pv1）系统任何平衡态可表示在坐标图上说明：2）过程线中任意一点为平衡态3）不平衡态无法在图上用实线表示常见p-v图和T-s图21二、热力过程1、概念——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称为热力过程，简称过程。过程与状态一切实际热力过程都是热力系与外界之间不平衡势差作用的结果。

2.准平衡过程

概念——过程中热力系所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态的热力过程称为准平衡过程，或准静态过程。准平衡过程是一种理想过程。在系统内外的不平衡势（如压力差、温度差等）较小、过程进行得足够缓慢的情况下，可以将实际过程近似地看作准平衡过程。准平衡过程可在参数坐标图上近似地用连续的实线表示。热力学中所研究的热力过程，一般都指准平衡过程。

pv123、可逆过程如果热力系完成某一热力过程后,再沿原来路径逆向进行时,能使热力系和外界都返回原来状态而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程。反之,则称为不可逆过程。

实际过程都是不可逆过程，如传热、混合、扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等。

可逆过程是一个理想过程。可逆过程的条件：准平衡过程＋无“耗散效应”不可逆过程中，使功变为热的效应。准平衡过程与可逆过程的异同相同——系统的中间过程是一致的平衡状态，具有确定的状态参数，可用参数坐标图表示。不同——准静过程主要着眼于系统内部状态的平衡，而可逆过程不仅要求内部状态的平衡，而且主要着眼于系统与外界相互作用时能量交换过程中内、外部是否存在不平衡势差及耗散效应。典型的不可逆过程不等温传热T1T2T1>T2Q节流过程

(阀门）p1p2p1>p2典型的不可逆过程混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★自由膨胀真空••••••••••••三、热力循环1、概念——工质由某一初态出发，经历一系列热力状态变化后，又回到原来初态的封闭热力过程称为热力循环，简称循环。系统实施循环的目的是为了实现预期连续的能量转换。2、分类——可逆循环和不可逆循环；正向循环和逆向循环3、经济指标——动力循环，制冷循环，热泵循环§5.3理想气体一、理想气体的概念二、理想气体状态方程三、理想气体的比热容四、理想气体混合物一、理想气体的概念理想气体是指状态变化完全遵循波义耳-查理定律的气体。分子可视为是一些弹性的，不占体积的质点分子之间不存在相互作用力。当气体的压力不太高，温度不太低时，气体分子间的作用力及分子本身的体积可以忽略。工程热力学提到的气体均指理想气体。当压力较高或温度较低或接近于液态时，气体分子间距离小，不能作为理想气体。二、理想气体状态方程当理想气体处于任一平衡状态时，三个基本状态参数之间满足:三、理想气体的比热容——基本概念1、概念——物体温度变化1K（或1℃）所需要吸收或放出的热量称为该物体的热容。2、1kg根据不同的物量,存在三种比热容质量热容

,符号为c

，单位为J/（kg·K）或kJ/（kg·K）；摩尔热容:lmol物质的热容,符号为Cm，单位为J/(mol·K)或kJ/(mol·K)；体积热容:标准状态下1m3物质的热容，符号为c，单位为J/（m3·K）或kJ/（m3·K）。

3、三种比热容的关系:

CmMc0.0224c三、理想气体的比热容——影响因素1.热力过程特性对比热容的影响气体的比热容与热力过程的特性有关。在热力过程中，最常见的情况是定容加热过程或定压加热过程。因此，比热容相应的分为比定容热容和比定压热容。比定容热容比定压热容比定容热容单位质量气体在定容过程中（即容积不变）温度变化1K（或1℃）所需要吸收或放出的热量称为比定容热容，也称为质量定容热容，用符号cV表示。比定压热容单位质量气体在定压过程中温度变化1K（或1℃）所需要吸收或放出的热量称为比定压热容，也称为质量定压热容，用符号cp表示。比定压热容与比定容热容的关系在一定的温度下，同一种气体的cp值总比cV值大。理想气体cp与cV之间的关系为：在定容过程中，气体不能膨胀作功，加入的热量完全用来增加气体分子的热力学能，使气体温度升高；在定压过程中，气体可以膨胀作功，加入的热量除用来增加气体分子的内动能外，还应克服外力而作功。显然对同样质量的气体升高同样的温度，在定压过程中所需加入的热量要比定容过程多。迈耶公式三、理想气体的比热容——影响因素2.温度对比热容的影响比热容与温度之间的关系可表示相应于每一确定温度下的比热容称为气体的真实比热容。

对于1kg气体，从t1加热至t2所需要的热量为：平均比热容

平均比热容指在t1～t2温度范围内真实比热容的平均值，用符号

对于mkg气体，从t1加热至t2所需要的热量为：查附表1获得或插值计算表示,用于热量的精确计算。四、理想气体混合物

指由两种或两种以上不发生化学反应的气体组成的混合物。

什么是混合气体?如:烟气、空气

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理想气体,具有理想气体的一切特性。

（一）混合气体的分压力和分体积1、分压力

分压力:每一种组成气体在混合气体的温度下，单独占有整个体积V时，所产生的压力称为该组成气体的分压力，用符号pi表示。道尔顿分压定律:混合气体的压力等于各组成气体分压力之和，即

道尔顿分压定律仅适用于理想气体。

混合气体分压力2.混合气体分体积

分体积:每一种组成气体处于混合气体的温度、压力条件下时，单独占据的体积，称为该组成气体的分体积，用符号Vi表示。

亚美格分体积定律：混合气体的总体积V，等于各组成气体分体积Vi之和,即

上式仅适用于理想混合气体。（二）混合气体的成分表示方法与换算

成分:混合气体中各组成气体的含量与混合气体总量的比值。

混合气体的性质不仅取决于热力学参数如压力、温度等，还取决于混合气体的组成成分。

质量分数三种常用成分:体积分数摩尔分数

混合气体的成分质量分数