热力学基本概念

热力学基本概念第1页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.1.1

热力学系统的定义系

统(System)：

作为热力学研究对象的物质或空间被称为热力学系统，简称热力系。边

界(Boundary)：将系统从其周围环境中分离出来的，真实的或是假想的表面称为边界。环境(Surrounding)：又称为外界，热力系边界以外的任何物质与空间均称为环境。1.1

热力学系统第2页，共44页，2023年，2月20日，星期六热力系的边界可以是真实的也可以是假想的；可以是固定的也可以是可变的第3页，共44页，2023年，2月20日，星期六封闭热力系(Closedsystem):

1.1.2热力系的分类与外界仅有能量交换而无物质交换的热力系，也称为闭口系。

(因热力系内部质量不变又被称为控制质量

ControlMass)第4页，共44页，2023年，2月20日，星期六开口热力系（Openedsystem）:

和外界既有能量交换又有物质交换的热力系(也称为控制体积controlvolume)第5页，共44页，2023年，2月20日，星期六孤立热力系:

与外界既无能量交换也无物质交换的热力系

宇宙第6页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.2状态与平衡1.2.1

状态

某一时刻热力系所有宏观特性量的集合叫做状态1.2.2

状态的分类:

平衡态:

系统中任何一部份的特性完全相同。

系统中任何一部份的特性不随时间变化。非平衡态:第7页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.2.3

平衡的条件热平衡力平衡化学平衡相平衡第8页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.3系统的状态参数1.3.1

定义从某一角度描述系统热力学状态的宏观特性量称为状态参数1.3.2状态参数的特征只与状态一一对应，而与状态变化时所经历的中间过程无关用数学描述，即为：∮dx=0第9页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.3.3

状态参数的分类强度参数：

与热力系的质量或尺度无关且不可相加的参数，如：温度(T)、压力（强）(P)等广延参数：

与热力系的质量或尺度相关且可以相加的参数，如：质量(m)、体积(V)、焓(H)、熵(S)等第10页，共44页，2023年，2月20日，星期六比参数：

单位化（质量或摩尔）的广延参数，如：

比容(v=V/m)、比焓(h=H/m)、比熵(s=S/m)等比参数具有强度参数的性质第11页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.4基本状态参数1.4.1.1压力的定义物理中压强单位:SI:Pa--------N/m2English:psi------bf/in2压力、温度、比容——易于测量1.4.1

压力（Pressure）第12页，共44页，2023年，2月20日，星期六1bar=105Pa=0.1MPa

≈1kgf/cm21atm=101,325Pa

≈1bar=14.696psi常用压力单位有：MPa，bar，kgf/cm2第13页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.4.2

表压力和真空度

绝对压力:

某一给定点的实际压力“实际”二字指由公式P=F/A计算所得值压力表第14页，共44页，2023年，2月20日，星期六第15页，共44页，2023年，2月20日，星期六表压力:绝对压力高于大气压（Pb）的部分，以

Pg表达真空度：绝对压力低于大气压的部分，以

Pv表示

pbpgppvp第16页，共44页，2023年，2月20日，星期六绝对压力？表压力？

真空度？woooooooo!哪一个是状态参数?

第17页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.4.2.1热力学第零定律

如果两个热力系分别与第三个热力系处于热平衡，那么这两个热力系之间必然互相处于热平衡。1.4.2

温度（Temperature）我认为应该是指物体冷热的程度。

对么？什么是温度?首先由R.H.Fowler于1931年提出第18页，共44页，2023年，2月20日，星期六Iftwobodiesarein

thermalequilibrium

withathirdbody,theyarealsointhermalequilibriumwitheachother.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。第19页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.4.2.2

温度的热力学定义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1.4.2.3

温标温标的三要素

：

0点

两个基准点(易于重现)

标度温标——温度的标度第20页，共44页，2023年，2月20日，星期六历史上的温标SI:摄氏温标（Celesuisscale）

English:华氏温标（Fahrenheitscale）Formerlycalledthecentigradescale,in1948itwasrenamedaftertheSwedishastronomerA.Celsuis(1701-1744)namedaftertheGermaninstrumentmakerG.Fahrenheit(1686-1736)第21页，共44页，2023年，2月20日，星期六SI:开氏温标（Kelvinscale）English:朗肯温标（Rankinescale）热力学温标:温标间关系:第22页，共44页，2023年，2月20日，星期六约定：今后用摄氏温标表示的温度用字母

t指代，用开氏温标表示的温度用

T指代。第23页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.4.2.4常用温度测量仪表日常：水银温度计，酒精温度计，thermometer工业：热电偶Thermocouple

热电阻Resistancetemperaturedetector

辐射温度计Radiationthermometer计量：铂电阻温度计Platinum第24页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.4.3比容（

specificvolume

）m3/kg第25页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.5状态公理热力系的状态是由状态参数描述的。但是需要已知多少个状态参数就可以确定一个状态呢？需要穷举法么？状态公理

对于可压缩纯物质体系，只要“两个”

独立的强度参数就可以确定其状态这里的“纯”，主要指相态纯，并非指单质第26页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.6

热力学状态参数图由于两个独立状态参数决定一个状态，那么用二维的坐标图显示状态就顺理成章

pv平衡态非平衡态第27页，共44页，2023年，2月20日，星期六常用的状态参数坐标图有:p-v

图，

T-s

图，

h-s

图第28页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.7过程与循环1.7.1过程

热力系从一个平衡态变化到另一个平衡态所经历所有状态的集合

古典热力学只研究平衡态，既然平衡还怎么变化呢？准静态过程:如果一个热力过程进行得无限缓慢使得过程进行时热力系内部随时都无限逼近于平衡态，则此过程为准静态过程第29页，共44页，2023年，2月20日，星期六可逆过程:如果一个过程能够逆向发生，并且逆向进行时不会出现任何因耗散效应产生的痕迹，则此过程为可逆过程可逆过程成立的条件比准静态过程更强，如果它成立要求过程进行时：热力系内部无限趋近于平衡；热力系与外界无限趋近平衡；第30页，共44页，2023年，2月20日，星期六路径封闭的过程即为循环

Pv可逆循环不可逆循环1.7.2

循环第31页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.8功（Work）1.8.1功的力学定义力

在力方向上的位移1.8.2功的热力学定义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。以字母W表示，单位J或kJ。单位化的功用w表示，单位kJ/kg。B：功是系统与外界通过有序运动方式传递的能量。第32页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.8.3机械形式功本节不讨论诸如热电堆、太阳电池板等直接将热转化的电功1.8.3.1

膨胀功

第33页，共44页，2023年，2月20日，星期六单位化:P-v图因为功的大小与做功过程相关，即数学上与路径相关，因此不能写成全微分形式第34页，共44页，2023年，2月20日，星期六（1）公式成立的条件是：系统经历一可逆过程。讨论：（2）热力系对外做功，功为正；外界对热力系做功，功为负。第35页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.8.3.2

重力功

第36页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.8.3.3

加速功

第37页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.9热量与熵热量是在温度的推动下，热力系与外界以微观无序运动方式相互传递的能量。用字母Q表示，单位为J或KJ。q为单位化热量，单位kJ/kg。1.9.1热量的热力学定义第38页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.9.2热量的热力学计算式上式计算热量需要依据工质的性质，普适性不佳考虑膨胀功的计算式：微元功做功动力做功标志第39页，共44页，2023年，2月20日，星期六由于传热的驱动力来自温度，那么热量也应类似有：dx的含义应当是在可逆条件下，热力系和外界交换热量与否的标志。第40页，共44页，2023年，2月20日，星期六显然，dx的表达式数学上具有商的形式，又与热量有关，因此清华大学刘仙洲教授命名为“熵”，用字母S表示，单位为kJ/K；单位化熵为s，单位为kJ/kg.K。这样上式可写为：热量的普适表达式为：成立条件