ch1 基本概念及定义

第一章基本概念

BasicConcepts1第一节热能在热机中转变成机械能的过程几个概念：1工质

(workingsubstance/medium)

定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物（工作介质）要求：

1)膨胀性好；2)流动性好；3)热容量大；4)稳定性，安全性高；

5)对环境友善；6)价廉，易大量获取。综合比较，在物质的三态中，以气态最适宜。2热源

(heatsource;heatreservoir)

定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。

高温热源（热源--heatsource）

低温热源（冷源—heatsink）恒温热源(constantheatreservoir)

变温热源

23热能动力装置(Thermalpowerplant)定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。分类：（1）气体动力装置（combustiongaspowerplant）

内燃机（internalcombustiongasengine）

燃气轮机动力装置（gasturbinepowerplant）

喷气动力装置（jetpowerplant）（2）蒸汽动力装置（steampowerplant）蒸汽动力装置燃气轮机装置内燃机装置3第二节热力系统一、回顾系统控制体

二、热力系统（热力系、系统System）

热力系统：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。或：由某种边界包围，被取作研究对象的特定物质或空间。

Aquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy外界(surroundings)：系统以外的所有物质边界/界面(Boundary)：系统与外界之间的分界面系统与外界的作用都通过边界人为的研究对象4边界的选取：可以是实际存在的；也可以是假想的。实际存在的边界、闭口系统假想的边界、开口系统5热力系统分类TypesofSystem以系统与外界关系（能量和物质交换）划分：闭口系统(Closedsystem），又称为控制质量（ControlMass）

定义：系统和外界只有能量交换而没有物质（质量）交换。

特点：没有质量穿越边界，所以系统内的质量保持恒定不变。孤立系统（Isolatedsystem）：与外界无任何形式的质能交换。开口系统（Opensystem），又称为控制体（ControlVolume）

定义：系统和外界既有能量交换又有物质（质量）交换。

特点：通过边界与外界有质量交换，系统内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范围内进行的，所以又称为控制容积，或控制体。绝热系统（Adiabaticsystem）：与外界无热量交换。6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、质非孤立系孤立系热力系统分类小结开口系绝热系孤立系ClosedsystemControlmassIsolatedsystemOpensystemControlvolume闭口系Adiabaticsystem71）闭口系与系统内质量不变的区别；2）开口系与绝热系的关系；3）孤立系与绝热系的关系。注意：8简单可压缩系统最重要的热力系统

只交换热量以及可逆的功中的体积变化功Simplecompressiblesystem体积变化功MovingBoundaryWork压缩功膨胀功CompressionWorkExpansionWork9第三节状态和状态参数Stateandstateproperties一、状态和状态参数热力学状态（简称状态）：某一瞬间热力系所呈现的宏观物理状况状态参数：描述热力系所处状态的宏观物理量状态参数的特征：1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，是状态的单值函数，且只与初终态有关，物理上与过程无关3、状态参数的微分特征：数学上其微量是全微分10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：12ab例：温度变化山高度变化11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12二、强度参数与广延参数强度参数（强度量）：与物质的量无关的参数如压力

p、温度T广延参数（广延量）：与物质的量有关的参数可加性如质量m、容积V、热力学能（内能）U、焓H、熵S比参数：比容比内能比焓比熵比参数具有强度量的性质Intensiveproperties

Extensiveproperties

广延参数的比参数具有强度量的性质注意符号区别13速度动能高度位能热力学能温度应力摩尔数（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）Velocity

KineticEnergyHeightPotentialEnergyTemperatureInternalEnergyStressMol举例说明14三、基本状态参数基本状态参数：温度T、压力

p和体积V

可直接用仪器测量，使用最多。其余三个常用的状态参数内能U、焓H和熵S可以通过这三个基本参数计算得到。Basicstateproperties151温度Temperature传统定义：物体冷热程度的度量。微观：标志物质分子热运动的激烈程度，衡量分子平均动能的量度。，为分子运动的均方根速度1)与不一定相同；2)总0,T0,1951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分子一切运动停止，零点能。16温度的热力学定义1）热力学第零定律（TheZerothLawofThermodynamics

）温度测量的理论基础

B—温度计测量温度的仪器称做温度计

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。

Iftwobodiesareinthermalequilibriumwithathirdbody,theyarealsointhermalequilibriumwitheachother.A=B,B=CA=C17

定义：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。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，或温度相等是热平衡的必要条件。2）温度的热力学定义18温度测量Temperaturemeasurement温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度

ScaleReferencestate温标

Temperaturescale要求：感应元件应随物体的冷热程度不同有显著的变化。19温标Temperaturescale定义：温度的数值表示法。用某个随温度变化的物理量来间接测量。1）摄氏温标Celsiusscale以符号t表示，单位℃以纯水在1atm下的冰点记为0℃，汽点为100℃。

并假定汞（Hg）的体积与温度成线性关系。测温物质不同，测温结果有差异。经验温标：依赖物质性质建立的温标。汞的体积与温度成线性关系？其他物质（如酒精）也与温度成线性关系？202）华氏温标Fahrenheitscale符号tF，单位℉（经验温标）以纯水在1atm下的冰点记为32℉，汽点为212

℉

。摄氏温标与华氏温标的换算关系：213）热力学温标符号TThermodynamicsscale;Kelvinscale避免经验温标的缺点——测温物质的影响以热力学第二定律为基础。以水的三相点时的温度规定为273.16K，水的三相点时的摄氏温度规定0.01℃即0.01℃→273.16K0℃→273.15Kt=T-273.15K224）国际实用温标实施方便，使得所测温度尽可能接近热力学温度ITS-90的定义：第一温区为0.65K到5.00K之间,T90由3He和4He的蒸气压与温度的关系式来定义。第二温区为3.0K到氖三相点(24.5661K)之间T90是用氦气体温度计来定义。第三温区为平衡氢三相点(13.8033K)到银的凝固点(961.78℃)之间，T90是由铂电阻温度计来定义。它使用一组规定的定义固定点及利用规定的内插法来分度。银凝固点(961.78℃)以上的温区，T90是按普朗克辐射定律来定义的，复现仪器为光学温温计。热力学温标不能直接测定23常用温标之间的关系绝对K摄氏℃

华氏℉100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.67冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点242压力Pressure符号p，单位Pa压力定义：单位面积上所受到的垂直作用力称为压力（即压强）。常用单位Units：

帕

1Pa=

1N/m2

1

kPa

=

103

Pa

巴

1bar=

105

Pa

兆帕

1MPa

=

106

Pa标准大气压

1atm

=760mmHg

=

101325

Pa

毫米汞柱

1

mmHg=

133.3224

Pa工程大气压

1

at=

1

kgf/cm2

=

9.80665104

Pa

（千克力）25其它几个常用概念

1）绝对压力p（absolutepressure）

2）当地大气压pb（localatmosphericpressure）

3）表压力pe（gaugepressure）

4）真空度pv（vacuum;vacuumpressure）当

p>pb当

p<pbpbpeppvp26注意：只有绝对压力p

才是状态参数不同环境大气压力发生变化，即使绝对压力不变，表压力和真空度仍有可能变化。

p>pb

p<pb273比体积及密度

SpecificvolumeDensity比体积：单位质量所占的体积。[m3/kg]密度：单位体积物质的质量。[kg/m3]通常用v作为独立参数。28第四节平衡状态、状态方程式、坐标图一、平衡状态

Thermodynamicequilibriumstate

1.定义热力系统在没有外界作用的情况下，宏观性质不随时间变化的状态。处于不平衡状态时1）工质各部分的状态参数不尽相同；2）状态随时间而变化，常发生热量传递、相对位移等，无法用共同的参数来简单描述工质所处的状态；工程热力学只对平衡状态进行分析研究292.平衡的分类

ManytypesofEquilibrium

1）热平衡（Thermalequilibrium）

组成热力系统的各部分之间没有热量的传递，系统就处于热平衡；表现为温度处处相等。Ifthetemperatureisthesamethroughouttheentire.温差

Temperaturedifferential热不平衡势Unbalancedpotentials30

2）力平衡（Mechanicalequilibrium）

组成热力系统的各部分之间没有相对位移，系统就处于力平衡；表现为压力处处相等。

通常忽略重力的影响如高度较小IfthereisnochangeinpressureatanypointofthesystemwithtimeThevariationofpressureasaresultof

gravityinmostthermodynamicsystemisrelativelysmallandusuallydisregarded压差

Pressuredifferential力不平衡势

Unbalancedpotentials31

3）化学平衡（Chemicalequilibrium)

组成热力系统的各部分之间没有化学反应、扩散、分离等，系统就处于化学平衡；表现为组分恒定。

Ifitschemicalcompositiondoesnotchangewithtime.Thatis,nochemicalreactionsoccur.

4）相平衡（Phaseequilibrium）组成热力系统的各部分之间没有发生相变。

Whenthemassofeachphasereachesanequilibriumlevelandstaysthere.323.平衡状态说明

1）不平衡状态的系统，在没有外界的影响下总会自发趋于平衡状态；

2）系统受到外界影响则不能保持平衡状态。系统和外界间相互作用的最终结果是系统和外界共同达到一个新的平衡状态；

3）同时具备了热和力的平衡的系统就处于热力平衡状态，是最常遇到的状态；工程热力学通常只研究平衡状态；

33思考题

1）平衡与稳定

Equilibrium&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，则状态变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳定34平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的2）平衡与均匀

Equilibrium&Even平衡：时间上均匀：空间上汽水T、P平衡但不均匀35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36二、状态方程式

Equationofstate定义对于简单可压缩系统，当它处于平衡状态时，各部分具有相同的压力、温度和比体积等参数，且这些参数服从一定的关系式，这样的关系式叫做状态方程式。

平衡状态可用一组状态参数描述其状态想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？37处于平衡状态时，各部分具有相同的压力、温度和比体积等参数，且服从一定关系式：或：热力系统的各种参数并不都是独立的。如：刚性密闭容器中的气体被加热时温度升高，压力也随着升高。38三坐标图Diagram简单可压缩系统

，平面坐标图1）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pv2139第五节工质的状态变化过程非平衡状态无法简单描述平衡状态状态不变化能量不能转换一切过程都是平衡被破坏，故实际过程都是不平衡的。热力学引入准静态（准平衡）过程quasi-static,orquasi-equilibrium若过程进行得相对缓慢，工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需的时间，即所谓弛豫时间很短，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致显著偏离平衡状态，这样的过程就叫做准平衡过程，又称准静态过程。一、准静态过程401.一般过程p1

=

p0+重物p，Tp0T1

=

T0突然去掉重物p2

=

p0T2

=

T0pv12..中间点无法确定，故以虚线表示412.准静态过程p，Tp0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p1

=

p0+重物T1

=

T0可推广到传热、相变和化学反应在坐标图中用连续曲线表示42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，又可进行热功转换理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？43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

准静态过程热力系统恢复时间较快，以准静态过程分析，然后再考虑实际情况加以修正。44二、可逆（reversible）过程Aprocessthatcanreversedwithoutleavinganytraceonthesurroundings.Thatis,boththesystemandthesurroundingsarereturnedtotheirinitialstatesattheendofthereverseprocess.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。

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。1.定义45实现可逆过程条件：无耗散效应的准静态过程是可逆过程实现的充要条件。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）不平衡势差耗散效应

耗散效应irreversibilityDissipativeeffect不可逆根源462.常见的不可逆过程Frequentlyencounteredirreversibilities不等温传热T1T2T1>T2Q节流过程(阀门）p1p2p1>p2自由膨胀真空••••••••••••混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★473.可逆过程与准平衡过程的关系1）可逆=准平衡过程+没有耗散效应

2）准静态着眼于系统内部平衡，可逆着眼于系统内部及系统与外界作用的总效果3）可逆过程必然是准平衡过程，而准平衡过程只是可逆过程的必要条件。4）可逆过程可用状态参数图上实线表示5）可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。484.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。要尽量设法减少不可逆因素，使其尽可能地接近可逆过程。49第六节过程功和热量一、功Work2)功的热力学定义：通过边界传递的能量，其全部效果可表现为举起重物。

Workisdonebyasystemifthesoleeffectonthesurroundingscouldbetheraisingofaweight.1)功的力学定义：力和力的方向上位移的乘积。是微小功量，不表示全微分Theproductofaforceandthedistancethroughwhichthisforceacts503)约定：“＋”系统对外界做功取为正“－”外界对系统做功取为负符号:J1J=1N·m比体积v=V/m功率：单位时间内完成的功，W1W

=1J/s比功：单位质量的物体所做的功，J/kg

w=W/m51二、可逆过程的功（体积变化功—膨胀功与压缩功）

可逆准静态过程＋无摩擦的功——外界压力与系统压力相同21dxAFmn在p－V图上为面积1-2-n-m-1p－V图——示功图1kg工质

压缩功：

dv为负

膨胀功与压缩功统称体积变化功。膨胀功计算时需知p的表达式52说明：

1）功是过程量，不是状态量；2）体积变化功只与气体的压力和体积的变化量有关，而同形状无关；3）界面可以是实际存在的，也可以是假想的；但要求是可逆；因摩擦而耗散Wl

、反抗大气压力做功Wr

有用功Wu

膨胀过程做的功WWu=W–Wl

–Wr

（可逆过程）4）有用功Usefulwork：

53三、热量HeatHeatisdefinedastheformofenergythatistransferredbetweentwosystems(oritssurroundings)byvirtueofatemperaturedifference.1.热量定义：Q

热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，是仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。热量的单位：J约定：体系吸热，热量为“＋”；

体系放热，热量为“－”。单位质量热量：54关于功和热量的说明相同点：

功和热量都是过程量—说物系有多少功或热量是错误的。不同点：

（1）功是有规则的宏观运动能量的传递，作功过程中伴随着能量形态的变化；（2）热量是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传热，不出现能量形态的转化；（3）功转变成热量是无条件的，而热转变成功是有条件的。55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”pV.12.WT?S?56类比：热量与体积变化功能量传递方式

体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条件

准