热力学第一章基本概念

第一章

基本概念BasicConcepts§1-1

热力系统热力系统(热力系、系统)：人为地研究对象1、系统的定义ThermodynamicsystemsystemAquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy§1-1

热力系统外界：系统以外的所有物质2、系统、外界与边界边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界surroundingsboundary热力系统选取的人为性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边界特性真实、虚构固定、活动fixed、movablereal

、imaginary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TypesofSystem开口系绝热系孤立系ClosedsystemControlmassIsolatedsystemOpensystemControlvolume闭口系Adiabaticsystem1234mQW1

开口系§1-1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

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SimplecompressiblesystemMovingBoundaryWorkCompressionWorkExpansionWork§1-2状态和状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述热力系状态的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，只与初终态有关3、状态参数的微分特征：全微分Stateandstateproperties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：点函数、态函数12ab例：温度变化山高度变化pointfunction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Totaldifferentials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

具有强度参数的性质Intensiveproperties

Extensiveproperties

强度参数与广延参数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）Velocity

KineticEnergyHeight

PotentialEnergyTemperature

InternalEnergyStressMol§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)

物理中压强，单位:Pa(Pascal),N/m2常用单位Units：

1

kPa=103

Pa1bar

=105

Pa

1

MPa

=106

Pa

1

atm

=760

mmHg

=1.013105

Pa

1

mmHg

=133.3

Pa

1

at=1

kgf/cm2

=9.80665104

PaBasicstateproperties压力p测量示意图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U-tubemanometerBourdonTube绝对压力与相对压力示意图当

p

>pb表压力

pe当

p

<pb真空度

pvpbpeppvprelativepressureabsolutepressureGagepressureVacuumpressureOtherPressureMeasurementDevices高精度测量：活塞压力计

pistonmanometer工业或一般科研测量：压力传感器

PressuretransducersPiezoelectriceffect

如图，已知大气压pb=101325Pa，U型管内汞柱高度差H=300mm，气体表B读数为0.2543MPa，求：A室压力pA及气压表A的读数peAA4001441解：强调：

pb是测压仪表所在环境压力返回§1-3基本状态参数压力

p、温度T、比容v

（容易测量）2、温度

T(Temperature)Basicstateproperties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

mw2温度的热力学定义热力学第零定律（R.W.Fowlerin1931）

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温度计为什么叫做热力学第零定律热力学第零定律

1931年

T热力学第一定律18401850年

E热力学第二定律18541855年

S热力学第三定律1906年

S基准温度的热力学定义

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Temperaturemeasurement温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度

Scale温标

TemperaturescaleReferencestate温标Temperaturescale热力学温标（绝对温标）Kelvinscale

（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）

摄氏温标Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）华氏温标Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)朗肯温标Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)常用温标之间的关系绝对K摄氏℃

华氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点559.67温标的换算TemperatureMeasurementDevices水银温度计thermometer，酒精温度计，热电偶Thermocouple热电阻Resistancetemperaturedetector辐射温度计Radiationthermometer铂电阻温度计Platinum激光全息干涉仪CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法§1-3基本状态参数压力

p、温度T、比容v

（容易测量）3、比容

v(specificvolume)Basicstateproperties[m3/kg]工质聚集的疏密程度物理上常用密度density

[kg/m3]§1-4平衡状态Equilibriumstate1、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。Asysteminequilibriumexperiencesnochangeswhenitisisolatedfromitsurroundings.ManytypesofEquilibrium1、热平衡Thermalequilibrium:ifthetemperatureisthesamethroughouttheentire温差

Temperaturedifferential热不平衡势UnbalancedpotentialsManytypesofEquilibrium2、力平衡Mechanicalequilibrium:ifthereisnochangeinpressureatanypointofthesystemwithtime

Thevariationofpressureasaresultofgravityinmostthermodynamicsystemisrelativelysmallandusuallydisregarded压差

Pressuredifferential力不平衡势UnbalancedpotentialsManytypesofEquilibrium3、相平衡Phaseequilibrium:whenthemassofeachphasereachesanequilibriumlevelandstaysthere4、化学平衡Chemicalequilibrium:ifitschemicalcompositiondoesnotchangewithtime.Thatis,nochemicalreactionsoccur.§1-4平衡状态Equilibriumstate

温差

—热不平衡势

压差

—力不平衡势

相变

—相不平衡势化学反应

—化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势Inanequilibriumstatetherearenounbalancedpotentials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）为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡Equilibrium与均匀Even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§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？状态公理Statepostulate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简单可压缩系统的独立变量数简单可压缩系统：N=n+1=绝热简单可压缩系统

N=?2只交换热量和一种准静态的容积变化功

Thestateofasimplecompressiblesystemiscompletelyspecifiedbytwoindependentproperties状态方程Equationofstate简单可压缩系统：N=2状态方程

基本状态参数（p,v,T)之间的关系状态方程的具体形式理想气体的状态方程实际工质的状态方程？？？取决于工质的性质TheIdeal-GasEquationofState例：R134a的维里型状态方程座标图diagram简单可压缩系统

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§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热力学引入准静态（准平衡）过程quasi-static,orquasi-equilibrium一般过程Processp1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最终p2

=p0T2

=T0pv12..准静态过程Quasi-staticprocessp1

=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Relaxationtime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”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

=pAdl=pdV1kg工质w

=pdvdl很小，近似认为p不变MovingBoundaryWork准静态过程的容积变化功pp外2mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdv1注意：上式仅适用于准静态过程示功图indicator(p-V)diagrampV.12.pp外21mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdvW准静态容积变化功的说明pV.12.2）

p-V图上用面积表示3）功的大小与路径有关，

过程量Pathfunction4）统一规定：dV>0，膨胀对外作功（正）

dV<0，压缩外内作功（负）5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数1）单位为[kJ]

或[kJ/kg]Ww摩擦损失FrictionLoss的影响若有f存在，就存在损失pp外21系统对外作功W，外界得到的功W’<W若外界将得到的功W’再返还给系统，系统得到的功W’’<W’则外界、活塞、系统不能同时恢复原态。摩擦损失FrictionLoss的影响若f＝0pp外21系统对外作功W，外界得到的功W’＝W若外界将得到的功W’再返还给系统则外界、活塞、系统同时恢复原态。可逆reversible过程的定义

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。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。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irreversibilityDissipativeeffectHeattransfer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••••••••••••FrequentlyencounteredirreversibilitiesUnrestrainedexpansionMixingprocess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。§1-7功量Work1、力学定义:力在力方向上的位移2、热力学定义I热力学定义II功的力学定义DefinitionofWorkofMechanics锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器Theproductofaforceandthedistancethroughwhichthisforceacts力在力方向上的位移But功的热力学定义I当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。

Workisdonebyasystemifthesoleeffectonthesurroundings

couldbetheraisingofaweight.功的热力学定义II

Workisanenergyinteractionbetweenasystemanditssurroundings,iftheenergycrossingtheboundaryofaclosedsystemisnotheat,itmustbework.

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。功的表达式功的一般表达式热力学最常见的功容积变化功

其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等§1-8热量与熵HeatandEntropyHeatisdefinedastheformofenergythatistransferredbetweentwosystems(oritssurroundings)byvirtueofatemperaturedifference.

热量定义：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。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熵（Entropy）的定义reversible比参数

[kJ/kg.K]ds:

可逆过程

qrev除以传热时的T所得的商

广延量

[kJ/K]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示功图与示热图pVWTSQ

示功图温熵(示热)图§1-9热力循环Cycle要实现