热力学第一章

热力学第一章第1页，共110页，2023年，2月20日，星期六第一节热能和机械能转换第二节热力系统与工质第三节基本状态参数第四节平衡状态第五节准静态过程、可逆过程第六节过程功和热量第七节热力循环第2页，共110页，2023年，2月20日，星期六第3页，共110页，2023年，2月20日，星期六第4页，共110页，2023年，2月20日，星期六第5页，共110页，2023年，2月20日，星期六§1-1热能和机械能转换1、蒸汽动力装置热能动力装置第6页，共110页，2023年，2月20日，星期六第7页，共110页，2023年，2月20日，星期六内燃动力装置

燃气进口排入大气第8页，共110页，2023年，2月20日，星期六二、制冷装置中热量从低温处传递到高温处的过程蒸发器q2压缩机q1w冷凝器膨胀阀1234第9页，共110页，2023年，2月20日，星期六§1-2热力系统与工质热力系统(热力系、系统)：热设备中分离出来作为热力学研究对象的物体。（人为地）

外界：系统以外的所有物质1、系统与边界边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界第10页，共110页，2023年，2月20日，星期六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11页，共110页，2023年，2月20日，星期六边界特性真实、虚构固定、活动边界可以是假想的，也可以是实际存在的，可以是固定的，也可以是移动的。通常用虚线标出。图1压缩中的燃气图2流动中的工质第12页，共110页，2023年，2月20日，星期六二、热力系统的分类

1.按系统与外界交换的形式分类系统与外界有三种相互作用形式：质、功、热1）开口系统：系统与外界有物质交换工质流入工质流出QW系统边界图3开口系统稳定流动开口系统不稳定流动开口系统第13页，共110页，2023年，2月20日，星期六2）闭口系统：系统与外界无物质交换

闭口系统具有恒定质量，但具有恒定质量的系统不一定都是闭口系统QW图4膨胀中的燃气系统的边界第14页，共110页，2023年，2月20日，星期六Concepts&DefinitionsClosedsystem—quantityof

matterunderstudyControlmassOnlyheatandworkcancross

boundaryofclosedsystemOpensystem—regioninspaceonwhichattentionisfocusedControlvolumeHeatandworkmay

crosscontrolsurfaceMassmayalsocross

controlsurface第15页，共110页，2023年，2月20日，星期六3）绝热系统：系统与外界没有热量交换冷源QW图5把冷源包括在内的绝热系统第16页，共110页，2023年，2月20日，星期六4）孤立系统：系统与外界既没有物质交换，也没有热和功的交换孤立系统内两物体间的热传递边界系统T2T1QBA第17页，共110页，2023年，2月20日，星期六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、质非孤立系孤立系第18页，共110页，2023年，2月20日，星期六1234mQW1

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19页，共110页，2023年，2月20日，星期六第20页，共110页，2023年，2月20日，星期六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第21页，共110页，2023年，2月20日，星期六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第22页，共110页，2023年，2月20日，星期六工质在热机中要使热能不断地转变为机械能，需要借助于媒介物质。实现能量转换的媒介物质就称为工质。不同性质的工质对能量转换的效果有直接影响，工质性质的研究是本学科的重要内容之一。原则上，气、液、固三态物质都可作为工质，但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，为使能量转换有效而迅速，常选气态物质作为工质。

第23页，共110页，2023年，2月20日，星期六§1-3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、单值性：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24页，共110页，2023年，2月20日，星期六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1

2ab例：温度变化山高度变化第25页，共110页，2023年，2月20日，星期六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26页，共110页，2023年，2月20日，星期六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

具有强度量的性质第27页，共110页，2023年，2月20日，星期六Concepts&DefinitionsExtensiveproperties—propertieswhosevaluedependontheamountofmatterinsystemMass,volume,energy,etc.UseuppercaselettertodesignateextensivepropertiesIntensiveproperties—propertieswhosevaluedoesnotdependontheamountofmatterinsystemPressure,temperature,density,energyperunitmass,etc.Uselowercaselettertodesignateintensiveproperties第28页，共110页，2023年，2月20日，星期六§1-3(Cont.)基本状态参数1、温度

T2、压力

p3、比容

v第29页，共110页，2023年，2月20日，星期六1、温度传统：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

mw21)

同T,0.5mw2不同，如碳固体和碳蒸气2)

T=0

0.5mw

2=0

分子一切运动停止，零点能第30页，共110页，2023年，2月20日，星期六热力学第零定律温度的热力学定义热力学第零定律（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

温度计第31页，共110页，2023年，2月20日，星期六温度的热力学定义

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第32页，共110页，2023年，2月20日，星期六温度的测量温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度温标第33页，共110页，2023年，2月20日，星期六常用温标绝对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34页，共110页，2023年，2月20日，星期六温标的换算第35页，共110页，2023年，2月20日，星期六2、压力

p常用单位：

1

bar

=105

Pa

1

MPa

=106Pa1

atm

=760mmHg

=1.013105

Pa

1

mmHg

=133.3

Pa1

at=735.6

mmHg=9.80665104

Pa物理中压强，单位:Pa

,N/m2第36页，共110页，2023年，2月20日，星期六绝对压力与相对压力当p>pb表压力pg当p

<pb真空度pvpbpgppvp第37页，共110页，2023年，2月20日，星期六环境压力与大气压力环境压力指压力表所处环境注意：环境压力一般为大气压，但不一定。

见习题1－7大气压随时间、地点变化。物理大气压

1atm=760mmHg当h变化不大，ρ常数1mmHg=

ρgh=133.322Pa当h变化大，ρρ(h)

第38页，共110页，2023年，2月20日，星期六压力的测量第39页，共110页，2023年，2月20日，星期六

工程计算中，选取的压力必须是绝对压力。火电厂中所测得的锅炉汽包、主蒸汽的压力值都是表压力，负压燃烧锅炉炉膛内的烟气和凝汽器内乏汽的压力值为真空，计算时都须换算为绝对压力。

第40页，共110页，2023年，2月20日，星期六其它压力测量方法高精度测量：活塞式压力计工业或一般科研测量：压力传感器第41页，共110页，2023年，2月20日，星期六3、比容v［m3/kg]工质聚集的疏密程度物理上常用密度

［kg/m3]第42页，共110页，2023年，2月20日，星期六§1-4平衡状态1、平衡状态定义：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。

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：不存在不平衡势第43页，共110页，2023年，2月20日，星期六平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳定x若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？第44页，共110页，2023年，2月20日，星期六平衡与均匀平衡：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45页，共110页，2023年，2月20日，星期六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46页，共110页，2023年，2月20日，星期六§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47页，共110页，2023年，2月20日，星期六2、状态方程闭口系：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、表面张力功等状态公理第48页，共110页，2023年，2月20日，星期六状态方程简单可压缩系统：N

=n

+1=2绝热简单可压缩系统N=?状态方程基本状态参数（p,v,T)之间的关系第49页，共110页，2023年，2月20日，星期六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？？？状态方程的具体形式取决于工质的性质第50页，共110页，2023年，2月20日，星期六3、状态参数座标图简单可压缩系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图第51页，共110页，2023年，2月20日，星期六§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52页，共110页，2023年，2月20日，星期六一般过程p1

=

p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最终p2

=

p0T2

=

T0pv12..第53页，共110页，2023年，2月20日，星期六准静态过程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54页，共110页，2023年，2月20日，星期六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55页，共110页，2023年，2月20日，星期六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56页，共110页，2023年，2月20日，星期六准静态过程的工程应用例1-1：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57页，共110页，2023年，2月20日，星期六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以汽缸中工质为系统mkg工质发生容积变化对外界作的功W=pA

dl

=pdV1kg工质w=pdvdl很小，近似认为p不变第58页，共110页，2023年，2月20日，星期六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59页，共110页，2023年，2月20日，星期六示功图pV.12.pp外21mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdvW第60页，共110页，2023年，2月20日，星期六准静态容积变化功的说明pV.12.1）单位为[kJ]或[kJ/kg]2）p-V图上用面积表示3）功的大小与路径有关，功是过程量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，只影响系统功与外界功的大小差别第61页，共110页，2023年，2月20日，星期六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62页，共110页，2023年，2月20日，星期六摩擦损失的影响若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63页，共110页，2023年，2月20日，星期六可逆过程的定义

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。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64页，共110页，2023年，2月20日，星期六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65页，共110页，2023年，2月20日，星期六实际过程都是不可逆的任何实际的热力过程在作机械运动时不可避免地存在着摩擦，在传热时也必定存在着温差，因此，实际的热力过程都或多或少地存在着各种不可逆因素，如果使过程沿原路径逆向进行，并使工质回复到原状态，必将会给外界留下影响，这就是实际过程的不可逆性。

虽然可逆过程实际上并不存在，但它却是一种有用的科学抽象，是一切实际过程的理想化极限模型，可逆过程可以理解为在无限小的温差下传热，在摩擦无限微弱的情况下作机械运动的过程，因而可以作为实际过程中能量转换效果比较的标准，并借以指出努力的方向。

第66页，共110页，2023年，2月20日，星期六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67页，共110页，2023年，2月20日，星期六完全可逆、内可逆与外可逆完全可逆

可逆内部可逆，外部不可逆

外部可逆，内部不可逆常见90℃0℃例：内可逆外不可逆第68页，共110页，2023年，2月20日，星期六典型的不可逆过程不等温传热T1T2T1>T2Q自由膨胀真空•••••••••••••••••第69页，共110页，2023年，2月20日，星期六典型的不可逆过程节流过程

(阀门）p1p2p1>p2混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★第70页，共110页，2023年，2月20日，星期六§1-7过程功和热量1、力学定义:力在力方向上的位移2、热力学定义(外文参考书）

a、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。

b、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。功的定义第71页，共110页，2023年，2月20日，星期六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72页，共110页，2023年，2月20日，星期六

热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分（不确切）。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。热量定义统一规定：外界向系统传热为正系统向外界传热为负第73页，共110页，2023年，2月20日，星期六热量如何表达？热量是否可以用类似于功的式子表示？？引入“熵”第74页，共110页，2023年，2月20日，星期六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第75页，共110页，2023年，2月20日，星期六熵（Entropy）的定义reversible熵的简单引入:比参数

[kJ/kg.K]ds:

可逆过程

qrev除以传热时的T所得的商

清华大学刘仙洲教授命名为“熵”广延量

[kJ/K]第76页，共110页，2023年，2月20日，星期六熵的说明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第77页，共110页，2023年，2月20日，星期六示功图与示热图pVWTSQ

示功图温熵(示热)图第78页，共110页，2023年，2月20日，星期六【例1-2】一气缸活塞内的气体由初态p1=0.5MPa,V1=0.1m3,缓慢膨胀到V2＝0.4m3,若过程中压力与体积的关系为pV=常数，试求气体所做的膨胀功。解：由PV=常数得kJ第79页，共110页，2023年，2月20日，星期六§1-8热力循环要实现连续作功，必须构成循环定义：

热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。不可逆循环分类：可逆过程不可逆循环可逆循环第80页，共110页，2023年，2月20日，星期六正循环pVTS净效应：对外作功净效应：吸热正循环：顺时针方向2112第81页，共110页，2023年，2月20日，星期六逆循环pVTS净效应：对内作功净效应：放热逆循环：逆时针方向2112第82页，共110页，2023年，2月20日，星期六热力循环的评价指标正循环：净效应（对外作功，吸热）WT1Q1Q2T2动力循环：热效率第83页，共110页，2023年，2月20日，星期六热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）WT0Q1Q2T2制冷循环：制冷系数第84页，共110页，2023年，2月20日，星期六热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）WT1Q1Q2T0制热循环：制热系数第85页，共110页，2023年，2月20日，星期六第一章小结基本概念：热力系平衡、稳定、均匀准静态、可逆过程量、状态量、状态参数功、热量、熵

p-V图、T-S图循环、工作系数第86页，共110页，2023年，2月20日，星期六第一章讨论课

热力系种类：闭口系、开口系、绝热系、绝功系、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87页，共110页，2023年，2月20日，星期六例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88页，共110页，2023年，2月20日，星期六(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：气体通过活塞从外界吸热Q第89页，共110页，2023年，2月20日，星期六(2)以容器内残留的气体为系统闭口系功量：残留气体对放逸气体作功W’W’Q’热量：残留气体从放逸气体吸热Q’第90页，共110页，2023年，2月20日，星期六(3)以放逸气体为系统闭口系功量：W+W’热量：Q+Q’WQW’Q’第91页，共110页，2023年，2月20日，星期六(4)以容器为系统开口系功量：W’热量：Q’W’Q’第92页，共110页，2023年，2月20日，星期六(5)以气缸为系统开口系功量：W+W’’热量：Q+Q’’W’’Q’’WQ第93页，共110页，2023年，2月20日，星期六讨论：从上面选取热力系的例子，我们可以看出：同一问题，可以任意选取系统，不会影响最终结果，但会使解题过程发生变化，处理问题的繁简程度不同。第94页，共110页，2023年，2月20日，星期六状态量与过程量状态量：描述工质状态，工质的状态一定，状态参数一定。具有物理上势函数的特征状态参数的变化与过程无关，状态参数的全微分是恰当微分，微元量用符号dz表示。过程量（功和热）只有在热力过程中通过边界才能实现交换和传递。没有过程就不会有迁移的能量——功和热。不能说“系统具有多少功量或热量”功量和热量的大小不仅和系统的初、终态有关，而且与系统经历的过程有关。不是恰当微分，微元过程写成“W”和“Q”第95页，共110页，2023年，2月20日，星期六思考题有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？不对。关键看是否引起外界变化。可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到初态。可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。第96页，共110页，2023年，2月20日，星期六可逆过程与准静态过程的区别和联系可逆过程一定是准静态过程准静态过程不一定是可逆过程可逆过程＝准静态过程＋无耗散可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。第97页，共110页，2023年，2月20日，星期六判断是否准静态与可逆（1）以冰水混合物为热力系90℃0℃缓慢加热外部温差传热准静态过程系统内部等温传热，无耗散内可逆外不可逆第98页，共110页，2023年，2月20日，星期六判断是否准静态与可逆（2）蒸汽流经减压阀进入汽轮机典型的