基本概念及定义

基本概念及定义第1页，共90页，2023年，2月20日，星期四目录1.1热力系统1.2状态和状态数1.3强度参数和广延参数1.4平衡态1.5状态方程和坐标图1.6准静态过程、可逆过程1.7功1.8热量与熵1.9循环第2页，共90页，2023年，2月20日，星期四定义：由某种边界包围，被取作研究对象的特定的物质或空间（人为的）分类：闭口系统（与外界无物质交换）

开口系统（与外界有物质交换）

绝热系统（与外界无热量交换）

简单可压缩系统（与外界交换只有体积变化功）1.1热力系统第3页，共90页，2023年，2月20日，星期四1234mQW1

开口系非孤立系＋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4页，共90页，2023年，2月20日，星期四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第5页，共90页，2023年，2月20日，星期四

定义：外界：系统以外所有的物（surroundings

）

边界：系统与外界的分界面（boundary

）外界与边界系统与外界的作用都通过边界第6页，共90页，2023年，2月20日，星期四边界特性真实、虚构固定、活动第7页，共90页，2023年，2月20日，星期四1.2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：全微分第8页，共90页，2023年，2月20日，星期四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1

2ab例：温度变化山高度变化第9页，共90页，2023年，2月20日，星期四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第10页，共90页，2023年，2月20日，星期四1.3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第11页，共90页，2023年，2月20日，星期四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）VelocityKineticEnergyHeightPotentialEnergyTemperatureInternalEnergyStressMol第12页，共90页，2023年，2月20日，星期四基本状态参数压力

p、温度T、比容v

（容易测量）1、压力

p

(pressure)

物理中压强，单位:Pa，N/m2常用单位Units：

1kPa=103Pa1bar=105Pa

1MPa=106Pa

1atm=760mmHg=1.013105

Pa

1mmHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665104

Pa第13页，共90页，2023年，2月20日，星期四压力p测量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

才是状态参数第14页，共90页，2023年，2月20日，星期四绝对压力与相对压力当p>pb表压力pe当p<pb真空度pvpbpeppvp第15页，共90页，2023年，2月20日，星期四2、温度

T传统：冷热程度的度量。微观：衡量分子平均动能的量度

T0.5mw21)同T,0.5mw2不同，如碳固体和碳蒸气2)0.5mw2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=00.5mw

2=0分子一切运动停止，零点能第16页，共90页，2023年，2月20日，星期四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

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第17页，共90页，2023年，2月20日，星期四

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。第18页，共90页，2023年，2月20日，星期四热力学温标（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)第19页，共90页，2023年，2月20日，星期四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第20页，共90页，2023年，2月20日，星期四温标的换算第21页，共90页，2023年，2月20日，星期四3、比容

v工质聚集的疏密程度物理上常用密度density[kg/m3]第22页，共90页，2023年，2月20日，星期四1.4平衡态定义：在不受外界影响下（重力场除外），热力系统客观性质不随时间改变的状态实现条件：力平衡（无压差△P→0）热平衡（无温差△T→0）第23页，共90页，2023年，2月20日，星期四平衡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，但平衡一定稳定第24页，共90页，2023年，2月20日，星期四平衡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第25页，共90页，2023年，2月20日，星期四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？第26页，共90页，2023年，2月20日，星期四1.5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？第27页，共90页，2023年，2月20日，星期四状态公理闭口系：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第28页，共90页，2023年，2月20日，星期四简单可压缩系统的独立变量数简单可压缩系统：N=n+1=2只交换热量和一种准静态的容积变化功压缩功、膨胀功第29页，共90页，2023年，2月20日，星期四状态方程简单可压缩系统：N=2

状态方程

基本状态参数（p,v,T)之间的关系第30页，共90页，2023年，2月20日，星期四例：R134a的维里型状态方程第31页，共90页，2023年，2月20日，星期四座标图简单可压缩系统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21第32页，共90页，2023年，2月20日，星期四回顾1.1热力系统1.2状态和状态数1.3强度参数和广延参数1.4平衡态1.5状态方程和坐标图第33页，共90页，2023年，2月20日，星期四1.6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）过程第34页，共90页，2023年，2月20日，星期四一般过程Processp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最终p2

=p0T2

=T0pv12..第35页，共90页，2023年，2月20日，星期四准静态过程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第36页，共90页，2023年，2月20日，星期四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37页，共90页，2023年，2月20日，星期四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38页，共90页，2023年，2月20日，星期四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39页，共90页，2023年，2月20日，星期四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不变第40页，共90页，2023年，2月20日，星期四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第41页，共90页，2023年，2月20日，星期四示功图(p-V图)pV.12.pp外21mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdvW第42页，共90页，2023年，2月20日，星期四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4）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7）有无f，只影响外界得到功的大小1）单位为[kJ]或[kJ/kg]说明第43页，共90页，2023年，2月20日，星期四摩擦损失的影响若有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。第44页，共90页，2023年，2月20日，星期四摩擦损失的影响若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。第45页，共90页，2023年，2月20日，星期四可逆过程可逆过程定义：当系统完成某一过程后，如能使过程逆行，而使系统和外界回复原始状态，不遗留任何变化。实现可逆过程的条件：无耗散效应的准静态过程是可逆过程实现的充要条件。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。第46页，共90页，2023年，2月20日，星期四可逆过程的膨胀功：W=∫pdV

可逆过程的热量传递：Q=∫TdS

第47页，共90页，2023年，2月20日，星期四可逆过程的实现准静态过程+无耗散效应=可逆过程不平衡势差无限小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48页，共90页，2023年，2月20日，星期四Heattransfer常见的不可逆过程1.不等温传热T1T2T1>T2Q第49页，共90页，2023年，2月20日，星期四2.节流过程

(阀门）p1p2p1>p2Throttler第50页，共90页，2023年，2月20日，星期四4.混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★3.自由膨胀真空••••••••••••UnrestrainedexpansionMixingprocess第51页，共90页，2023年，2月20日，星期四完全可逆、内可逆与外可逆

完全可逆

可逆内部可逆，外部不可逆常见90℃0℃例：内可逆外不可逆外部可逆，内部不可逆第52页，共90页，2023年，2月20日，星期四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53页，共90页，2023年，2月20日，星期四判断下列过程是否是可逆过程？1.对刚性容器内的水加热，使其在恒温下蒸发2.对刚性容器内的水做功，使其在恒温下蒸发3.对刚性容器内的空气缓慢加热，使其从50度升高至150度第54页，共90页，2023年，2月20日，星期四1.7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第55页，共90页，2023年，2月20日，星期四功的力学定义锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器力在力方向上的位移第56页，共90页，2023年，2月20日，星期四功的热力学定义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。第57页，共90页，2023年，2月20日，星期四功的热力学定义II

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)是热力学系统通过边界与外界传递的能量。

Workisanenergyinteractionbetweenasystemanditssurroundings,iftheenergycrossingtheboundaryofaclosedsystemisnotheat,itmustbework.第58页，共90页，2023年，2月20日，星期四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，电功等第59页，共90页，2023年，2月20日，星期四灵活处理功的计算充气球若准静态过程若取进入气球的气体为系统但pV的关系不知？若看外部效果，pb不变外界得到功pbV=气体作功第60页，共90页，2023年，2月20日，星期四1.8热量与熵

热量定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度差的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。热量是否可以用类似于功的式子表示？？引入“熵”第61页，共90页，2023年，2月20日，星期四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,dvdS,ds公式条件准静态或可逆可逆第62页，共90页，2023年，2月20日，星期四熵（Entropy）的定义：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]reversible第63页，共90页，2023年，2月20日，星期四熵的说明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

δQ>0dS>0系统放热时为负

δQ<0dS<04、用途：判断热量方向计算可逆过程的传热量第64页，共90页，2023年，2月20日，星期四P-V图与T-S图pVWTSQ

P-V图T-S图第65页，共90页，2023年，2月20日，星期四4.9循环定义：工质经若干过程后又回到原来的状态，此一系列过程称为热力循环，简称循环。分类：正循环状态图上沿顺时针方向进行，消耗热，获得功；

逆循环状态图上沿逆时针方向进行，消耗功，获得热；

可逆循环由一系列可逆过程组成的循环；

不可逆循环含有不可逆过程的循环。第66页，共90页，2023年，2月20日，星期四正循环p21V循环的经济性指标：热效率ηt=W/Q1净效应：对外作功净效应：吸热第67页，共90页，2023年，2月20日，星期四循环的经济性指标：制冷装置制冷系数

ε=Q2/W

热泵装置供热系数ε'=Q1/W

21Vp逆循环净效应：对内作功净效应：放热第68页，共90页，2023年，2月20日，星期四第一章小结Summary基本概念：热力系平衡态准静态、可逆过程量、状态量、状态参数功量、热量、熵

p-V图、T-S图循环、评价指标第69页，共90页，2023年，2月20日，星期四

热力系种类：闭口系、开口系、绝热系、孤立系热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。第70页，共90页，2023年，2月20日，星期四状态参数的特征：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

状态、状态参数、过程量过程量的特征：1.过程量与路径有关第71页，共90页，2023年，2月20日，星期四可逆过程=准静态过程+无耗散效应

平衡状态、准静态过程、可逆过程平衡状态=无不平衡势差（可用一组参数描述）准静态过程=不平衡势差无限小第72页，共90页，2023年，2月20日，星期四1.统一规定：dV>0，膨胀对外作功为正

dV<0，压缩外内作功为负

δQ>0，系统吸热为正

δQ<0，系统放热为负2.计算公式：

功与热量（过程量）

适用条件准静态或可逆可逆第73页，共90页，2023年，2月20日，星期四P-V图与T-S图pVWTSQ

P-V图T-S图第74页，共90页，2023年，2月20日，星期四

循环及其评价指标p21V循环的经济性指标：热效率ηt=W/Q1净效应：对外作功、吸热正循环第75页，共90页，2023年，2月20日，星期四循环的经济性指标：制冷装置制冷系数

ε=Q2/W

热泵装置供热系数ε'=Q1/W

21Vp净效应：对内作功、放热逆循环第76页，共90页，2023年，2月20日，星期四例题第77页，共90页，2023年，2月20日，星期四例1：绝热刚性容器向气缸充气试分别选取闭口系和开口系，画出充气前后边界，标明功和热的方向。第78页，共90页，2023年，2月20日，星期四(1)以容器内原有气体为系统闭口系功量：气体对活塞作功WWQ热量：气体通过活塞