工程热力学第一章

工程热力学第一章第一页，共五十四页，2022年，8月28日1-1热力系统

一、系统、边界与外界热力系统的定义：将所要研究的对象与周围分隔开来，这种人为分隔出来的研究对象，称为热力系统（简称系统）

。系统以外的一切物质统称为外界。系统与外界的界面称为边界。系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移。第二页，共五十四页，2022年，8月28日界面的特性:可以是真实的，也可以是虚拟的；可以是固定的，也可以是运动的。第三页，共五十四页，2022年，8月28日界面热源外界外界热力系统热力系统、界面、外界例Ⅰ第四页，共五十四页，2022年，8月28日系统系统界面热力系统、界面、外界例Ⅱ研究气缸中的气体(打开阀门)。是什么热力系？第五页，共五十四页，2022年，8月28日系统界面外界外界热力系、界面、外界例Ⅲ第六页，共五十四页，2022年，8月28日热力系、界面、外例Ⅳ系统界面第七页，共五十四页，2022年，8月28日二、热力系统的分类(一)按系统与外界之间的相互联系划分：1.闭口系统—系统与外界无物质交换的热力系统。2.开口系统—系统与外界有物质交换的热力系统。3.绝热系统—系统与外界无热量交换的热力系统。4.孤立系统—系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统。第八页，共五十四页，2022年，8月28日闭口系统第九页，共五十四页，2022年，8月28日开口热力系第十页，共五十四页，2022年，8月28日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孤立系第十一页，共五十四页，2022年，8月28日三、按照系统内部的情况可划分1.单相系—系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的称为一个相，由单一物相组成的系统称为单相系。2.复相系—有两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成称三相系。3.单元系—由一种化学成分组成的系统称为单元系。4.多元系—由两种或两种以上物质组成的系统称为多元系。5.均匀系—成分和相在整个系统空间呈均匀分布称为均匀系6.非均匀系—在整个系统空间非均匀分布称为非均匀系热力系统的分类Ⅱ第十二页，共五十四页，2022年，8月28日1-2工质的热力状态及其基本状态参数一、状态与状态参数热力状态定义:工质在热力变化过程中某一瞬间表现的工质热力性质的总状况，称为热力状态（简称为状态）

。状态参数定义:描述工质宏观特性的物理量称为状态参数。状态参数的数学特性：或热力学中常用的状态参数：温度、压力、比容、热力学能（内能）、焓、熵。第十三页，共五十四页，2022年，8月28日二、基本状态参数基本状态参数：能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称为┄。如：温度、压力、比容1.温度１）热力学第零定律如果两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡，这一规律称为热力学第零定律。第十四页，共五十四页，2022年，8月28日２）温度将描述热平衡的这一宏观特性的物理量，称为温度。３）温标为进行温度测量，需要有温度的数值表示方法，测量温度的标尺称为温标。建立任何一种温标都要选择测温物质及其物质的特性、规定温标的基准点及分度方法。状态参数温度第十五页，共五十四页，2022年，8月28日②热力学温标ＴＫ常用的温标①摄氏温标

t℃基准点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准点，规定冰点温度为0℃。沸点温度为100℃。分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线性的。0℃与100℃这两个基准点之间分成100等分,

每一等分为1度。基准点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点(三相点)为基准点，并规定它的温度为273.16K。

t=T—273.15热力学温标与摄氏温标之间的关系：常用的温标第十六页，共五十四页，2022年，8月28日２.压力单位面积上所受到的垂直作用力。表达式或上式计算出的是热力系的真实压力称为绝对压力

p。由压力表测量出来的压力称为表压力

pg。由气压计测量出来的压力称为大气压力

B。表压力pg、大气压力B和绝对压力p之间的关系如下：常用的压力单位间的关系第十七页，共五十四页，2022年，8月28日U形管式压力计示意图真空度U形管式压力计示意图BBp>BP<BP=B+pgP=B-HH第十八页，共五十四页，2022年，8月28日3.比容、密度和重度①比容单位质量物质所占有的容积，称为比容。表达式②密度单位容积的物质所具有的质量，称为密度。表达式表达式③重度单位容积内所含有物质的重量，称为重度。第十九页，共五十四页，2022年，8月28日三、强度性参数与广延性参数①强度参数——与系统内包含物质的多少无关。②广延参数——与系统内包含物质的多少有关。如：温度、压力、比容、比内能、比焓、比熵等。如：总内能、总焓、总熵等。第二十页，共五十四页，2022年，8月28日1-3平衡状态、状态公里及状态方程一、平衡状态

定义:一个热力系,在不受外界影响（重力场除外）的条件下，如果宏观热力性质不随时间变化，系统内外同时建立了热和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。

问题：如何定量描述工质的状态？实现平衡的充要条件：无内部、外部势差。

温差

—

热不平衡势

压差

—

力不平衡势

化学反应

—

化学不平衡势第二十一页，共五十四页，2022年，8月28日平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳定第二十二页，共五十四页，2022年，8月28日平衡与均匀平衡：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第二十三页，共五十四页，2022年，8月28日二、状态公里闭口系：不平衡势差状态变化

能量传递消除一种不平衡势差

达到某一方面平衡

消除一种能量传递方式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、表面张力功等简单可压缩系统：N=n+1=2第二十四页，共五十四页，2022年，8月28日三、状态方程对于简单可压缩系统,状态方程:或状态参数坐标图1定义：反映工质处于平衡状态时基本状态参数之间的关系式，称为状态方程。第二十五页，共五十四页，2022年，8月28日1-4准静态过程与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热力学引入准静态（准平衡）过程第二十六页，共五十四页，2022年，8月28日一、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pv12...系统随时接近于平衡态第二十七页，共五十四页，2022年，8月28日

准静态过程:若过程进行得很缓慢,工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需要的时间及短,工质有足够的时间来恢复平衡,随时都不致于显著偏离平衡状态,这样的过程称为准静态过程。

准静态过程又称为准平衡过程。只有准静态过程才能在坐标图中用连续曲线表示。

实际过程都是不平衡的。第二十八页，共五十四页，2022年，8月28日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？第二十九页，共五十四页，2022年，8月28日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

准静态过程第三十页，共五十四页，2022年，8月28日准静态过程的工程应用例：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=200020.15/60=10m/s压力波恢复平衡速度（声速）350m/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”第三十一页，共五十四页，2022年，8月28日可逆过程的定义：当系统进行正反两个过程后，系统与外界均能完全回复到初始状态而不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程。可逆过程的描述注意：可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。二、可逆过程第三十二页，共五十四页，2022年，8月28日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

耗散效应第三十三页，共五十四页，2022年，8月28日典型的不可逆过程不等温传热节流过程

(阀门）自由膨胀混合过程第三十四页，共五十四页，2022年，8月28日可逆过程与准平衡过程的区别：1.可逆过程一定是准平衡过程；2.准平衡过程不一定是可逆过程。实际过程都是不可逆过程！第三十五页，共五十四页，2022年，8月28日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。第三十六页，共五十四页，2022年，8月28日三、可逆过程的膨胀功（体积功）1、力学定义:力在力方向上的位移

2、功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。功的一般表达式功的单位:J,kJ第三十七页，共五十四页，2022年，8月28日可逆过程功的推导

第三十八页，共五十四页，2022年，8月28日示功图pV.12.pp外21mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdvW第三十九页，共五十四页，2022年，8月28日注意：微元功不是全微分，表示微小量，而不是微小增量所以功可正可负也可以为零即：功是过程量,不是状态量，其大小与初、终状态有关,也与路径有关第四十页，共五十四页，2022年，8月28日四、可逆过程的热量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。另一定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。第四十一页，共五十四页，2022年，8月28日热量计算公式:热量单位:J,kJ第四十二页，共五十四页，2022年，8月28日微小热量：

>0表示系统从外界吸热；<0表示系统向外界放热。总热量：

积分与过程有关。

热量是过程量第四十三页，共五十四页，2022年，8月28日热量与容积变化功的对比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,dvdS,ds公式条件准静态或可逆可逆第四十四页，共五十四页，2022年，8月28日循环过程——工质从某一初态出发，经历一系列状态变化，最后又回到初始状态的全过程为循环过程（简称为循环）。如图：循环1-2-3-4-11-5热力循环PV01243循环概念

第四十五页，共五十四页，2022年，8月28日循环过程的特点——经一个循环后系统的内能不变。

净功

A

=循环过程曲线所包围的面积

V0Aa21QQP