第一章　基本概念

第一章基本概念本章基本要求了解几种典型热力系统的工作原理掌握工程热力学中一些基本术语和概念：热力系统、平衡态、准平衡过程、可逆过程等。掌握状态参数的特征，基本状态参数p、v、T的定义和单位等。掌握热量和功量这些过程量的特征，并会用系统的状态参数对可逆过程的热量、功量进行计算。了解工程热力学分析问题的特点、方法和步骤。1-1热能与机械能的相互转换的过程热能动力装置

热能动力装置分为两大类：

燃气动力装置（内燃机、燃气轮机）蒸汽动力装置（蒸汽轮机）热能机械能化学能从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动力的设备。内燃机工作过程

内燃机（汽油机）吸气燃烧、膨胀压缩排气燃气热能机械能燃料化学能排入大气能量转换：航空发动机工作过程

燃气轮机燃气热能机械能燃料化学能排入大气能量转换：吸气燃烧、膨胀压缩排气7

蒸汽轮机燃料在锅炉中燃烧，加热水，变为蒸汽，并过热，化学能转为热能高温高压蒸汽膨胀推动汽轮机作功（机械能）作功后的乏汽进入冷凝器，冷凝成水，并由泵送入锅炉加热热力发电站工作过程

不同点：结构、工作特性不同存在媒介物质获得能量（如内燃机中混合气，蒸汽轮机中的水）存在能提供热能的热量源；余下的热能排向环境介质

相同点：

结论

各种热机都存在以下相同的热力过程：吸热、膨胀作功和排热两类热能动力系统的对比工质：

实现热能和机械能相互转化的媒介物质。热源（高温热源）：

工质从中吸取热能的物系。冷源（低温热源）：

接受工质排出热能的物系。

工质从高温热源吸热，将其中一部分转化为机械能而作功，并把余下部分传给低温热源。热能动力装置的工作过程热源冷源热机作功吸热放热1-2热力系统为了研究问题方便，热力学通常选取一定的工质或空间作为研究对象，称为热力系统。热力系统的定义系统完全由研究者自己来设定。我的系统，听我的！热力系统的定义外界：系统以外的所有物质边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界

界面可以是真实的，也可以是虚拟的；可以是固定的，也可是移动的；可以是规则边界，也可以不规则曲面围成。热力系统的定义热力系统的定义思考

系统和外界通过边界会有哪些相互作用？热力系统的分类根据系统与外界物质交换、热量交换的情况开口系统：系统与外界有物质交换，系统被划定在一定容积范围内，也称控制容积（controlvolume)闭口系统：系统与外界无物质交换，系统内质量恒定不变，也称控制质量(Controlmass)

绝热系统：系统与外界无热量交换(adiabaticsystem)孤立系统：系统与外界既无能量交换，也无物质交换(isolatedsystem)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、质非孤立系孤立系热力系统的分类闭口系统是指系统本身质量不改变的系统。

开口系统的质量一定会发生改变。

孤立系统的质量不可能发生改变。

闭口绝热系统的温度不可能改变。例题非非是非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1-3工质的热力学状态及其基本状态参数工质在热力变化过程中某一瞬间呈现出来的宏观物理状况称为热力学状态，简称状态。状态参数：

描述工质所处状态的宏观物理量。如温度、压力等。热力学状态与状态参数

状态和状态参数

系统状态参数的全部或一部分发生变化，即表明物质的状态发生变化。物质的状态变化也必然可由参数的变化标志出来。状态参数一旦确定，工质的状态也完全确定。因而状态参数是热力系统的单值函数，其值只取决于初终态，与过程无关。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、状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关状态和状态参数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)状态参数是点函数，其微分是全微分充要条件：可判断是否是状态参数状态参数基本状态参数：压力、温度、比体积不可测参数：热力学能、焓、熵等复合参数：吉布斯函数、亥姆霍兹函数

状态参数强度量：与系统质量无关，如P、T。强度量不具有可加性。广延量：与系统质量成正比，如V、U、H、S。广延量具有可加性。广延量的比参数（单位质量工质的体积、热力学能等）具有强度量的性质，不具有可加性。基本状态参数——温度一般定义宏观上：物体冷热程度的标志微观上：衡量分子平均动能的度量热力学定义

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就是温度温度T的微观意义传统：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

mv2负的开尔文温度?T=0

0.5mv

2=0

分子一切运动停止，零点能物理意义标志物体冷热程度；其高低反映物体内部微观粒子热运动的强弱热平衡状态的判据，即温度相等热平衡热力学第零定律如果两个物体中的每一个都分别与第三个物体处于热平衡，则这两个物体彼此也必处于热平衡——温度测量的理论依据ABC基本状态参数——温度为什么叫做热力学第零定律热力学第零定律

1931年

热力学第一定律18401850年

热力学第二定律18541855年

热力学第三定律1906年定义：温标是指温度的数值表示法测温物质及其测温属性基准点分度方法温标三要素：任选一种物质的某一测温属性，采用以上温标的规定所得到的温标称为经验温标，经验温标依赖于测温物质的物理性质。热力学理论指出可以建立一种不依赖于测温物质的性质的温标,即热力学绝对温标。

温标

开尔文在热力学第二定律的基础上，从理论上引入的与测温物质性质无关的温标。它可作为标准温标，一切经验温标均可以用此温标来校正。符号为T，单位为K(称“开尔文”)。

规定水的三相点为基准点，并规定此点的温度为273.16K。WilliamThomsonKELVIN热力学绝对温标（热力学温度或绝对温度）

摄氏温标

1742年瑞典人摄氏(Anderscelsius)提出的。他把一个大气压下纯水的冰点取为0度，沸点取为100度，中间100等分作为温标。符号t、单位℃。1960年国际计量会议给摄氏温标以新的基准，即由热力学绝对温标来规定摄氏温标，称热力学摄氏温标，把水的三相点定为273.16K，0.01℃。则0℃＝273.15K，t(℃)=T(K)-273.15摄尔修斯1701-1744Anders

CELSIUS

华氏温标与摄氏温标的换算关系为：

t(℃)=0℃=32oF100℃=212oF

1724年由德国人华氏（

/wiki/Daniel_Gabriel_Fahrenheit）提出。他把水、冰和氯化铵的混合物作为制冷剂而获得的当时可得到的最低温度作为0度，把人体的温度作为96度，中间等分，这样的数字是由于当时广泛使用12进位法。符号tF

，单位°F。华伦海特1686-1736DanielGabrielFahrenheit华氏温标Comparisonoftemperaturescales.CelsiusscaleKelvinscaleFahrenheitscaleRankinescale温度转换日常：水银温度计，酒精温度计，

工业：热电偶热电阻辐射温度计测温热电偶工作原理

压力——P

单位面积上的垂直作用力称为压力，它是表征宏观系统力平衡性质的平衡状态参数。

分子运动学说认为压力是大量气体分子撞击器壁的平均结果。基本状态参数——压力国际标准单位：帕斯卡(简称帕)

符号：Pa1Pa=1N/m2标准大气压（atm,也称物理大气压）巴（bar）工程大气压（at）毫米汞柱（mmHg)毫米水柱（mmH2O)

工程单位：压力的单位各压力单位之间的换算关系PabaratmatmmHgmmH2OPa11×10-5

0.98692×10-5

0.10197×10-4

7.5006×10-2

0.1019712bar1×10510.986921.01972750.06210197.2atm1013251.0132511.0332376010332.3at98066.50.980660.967841735.55910000mmHg133.322133.322×10-5

1.31579×10-3

1.35951×10-3

113.5951mmH2O9.806659.80665×10-5

9.07841×10-5

1×10-4735.559×10-4

1压力p测量压力表中显示的压力即为状态参数？？？注意：只有绝对压力p才是状态参数液柱式弹簧式绝对压力与相对压力当

p>

pb表压力pe当

p<pb真空度pvpbpeppvp环境压力与大气压力——指压力表所处环境注意：

环境压力一般为大气压，但不一定。

环境压力大气压力Atmosphericpressure工程计算中的压力

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。比体积和密度v与ρ互成倒数，即：vρ＝1比体积单位质量物质所占的体积密度单位体积物质的质量单位：kg/m3单位：m3/kg比参数比参数：比体积比内能比焓比熵单位：/kg同物质的量无关1-4平衡状态、状态方程式、坐标图定义：平衡状态EquilibriumState

一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下（重力除外），系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态称为平衡状态。以铜棒为系统。经过足够长时间后，是否可以称为处于平衡状态？问题各种平衡1、热平衡Thermalequilibrium:温差

Temperaturedifferential热不平衡势Unbalancedpotentials2、力平衡Mechanicalequilibrium:压差

Pressuredifferential力不平衡势Unbalancedpotentials3、相平衡Phaseequilibrium:无相变

4、化学平衡Chemicalequilibrium:

化学组分不随时间改变，无化学反应各种平衡平衡状态

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平衡状态

系统内部或系统与外界之间的一切不平衡势差（力差、温差、化学势差）消失是系统实现热力平衡状态的充要条件。平衡状态与稳定状态之间的关系？平衡状态与均匀状态之间的关系？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Uniform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平衡Equilibrium与均匀Uniform对于处于热力平衡态下的气体、液体（单相），如果不计重力的影响，则系统内部各处的性质是均匀一致的，各处的温度、压力、比体积等状态参数相同。如果考虑重力影响，则系统中的压力和密度将沿高度而有所差别。对于气液两相并存的热力平衡系统，气相和液相的密度不同，因而系统不是均匀的。本书在未加特别说明之处，一律把平衡状态下的单相物系当作是均匀的，各处的状态参数相同。

热力系的平衡状态可以用状态参数来描述，每一个状态参数都是从某一个角度来描述系统的某一方面宏观的性质，但是这些状态参数并不都是独立的，而是相互影响的。系统处于平衡状态时，有几个独立变量呢？状态公理Statepostulate状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数

N=n+1

对于组成一定的物质系统，该系统平衡态的独立状态参数有

n+1n－表示系统与外界进行准静功交换的种类数目1－表示系统与外界的热交换状态公理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=2只交换热量和一种准静态的容积变化功状态方程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？？？取决于工质的性质状态参数坐标图

对于简单可压系统，由于独立参数只有两个，可用两个独立状态参数组成二维平面坐标系，坐标图中任意一点代表系统某一确定的平衡状态，任意一平衡状态也对应图上一个点，这种图称状态参数坐标图。只有平衡态才能在状态坐标图上用点表示，不平衡态没有确定的热力学状态参数，无法在图上表示！注意！！！1-5工质的状态变化过程就热力系本身而言，热力学仅对平衡状态进行描述，“平衡”意味着宏观是静止的，而要实现能量交换，热力系又必须通过状态的变化即过程来完成，“过程”意味着变化，意味着平衡被破坏。“平衡”和“过程”这两个矛盾的概念怎样统一起来呢？这就需要引入准平衡过程。建立准平衡过程的目的一般过程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？弛豫时间

在外界不产生任何影响的条件下，系统从一个非平衡状态出发，经过足够长的时间（弛豫时间），总能达到一个，而且只有一个稳定的热力学平衡状态。我们称之为稳定平衡态定律。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

准静态过程准静态过程是实际过程进行得足够缓慢的极限情况。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”建立准平衡过程的好处有确定的状态参数变化描述过程在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程

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。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reversible过程

可逆过程必须是准平衡过程，即必须在势差足够小、变化足够慢的条件下进行。这样，每个中间状态都可以看作是平衡状态。而且，一旦改变势差的方向，即可改变过程的方向。可逆过程必须满足的条件I

可逆过程中不存在任何耗散效应，如摩擦、扰动、电阻、永久变形等。即可逆过程是无耗散效应的准静态过程。可逆过程必须满足的条件II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

耗散效应常见的不可逆过程不等温传热T1T2T1>T2Q节流过程

(阀门）p1p2p1>p2常见的不可逆过程混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★自由膨胀真空••••••••••••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。可逆过程和准平衡过程的区别?思考准平衡过程与可逆过程的区别

准平衡过程只要求系统内部平衡，而有无外部机械摩擦对系统内部平衡无影响，所以准平衡过程可以有耗散效应。可逆过程则是分析系统与外界作用的总效果，不仅要求系统内部平衡，而且要求系统与外界的作用可以无条件逆复，过程完成时不能存在任何能量上的耗散。

可逆过程必是准平衡过程，准平衡过程是可逆过程的必要条件。1-6过程功与热量功的力学定义：功是力和力方向上位移的乘积。功的热力学定义：

功是热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物。功的定义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，电功等准静态过程的容积变化功pp外f初始：p

A

=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

=p

Adl=pdV1kg工质

w=pdvdl很小，近似认为p

不变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（p-v）pV.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1）单位为[kJ]或[kJ/kg]Ww系统在膨胀过程中所作出的功，可能一部分被摩擦耗散，一部用以排斥大气、反抗大气压力作用，余下的才是可被利用的功，称为有用功有用功＝膨胀功－排斥大气功－耗散功其中排斥大气功：对于可逆过程，有用功为：有用功热量热量的定义：

热力系统与外界之间仅仅由于温度不同则通过边界传递的能量，用Q表示（比热量为q）热量的正负：

热力学中约定：系统吸热为正，放热为负热量的单位：国际单位：J（焦耳），工程单位：kJ（千焦）（与功相反！！！）可逆过程中热量的计算温熵(示热)图与功类比功与热量相同与不同之处?思考功与热相同之处

功与热都是系统与外界通过边界交换的能量；功与热均为过程量功与热不同之处

功是系统与外界在力差的推动下，通过宏观的有序运动来传递能量，作功与物体的宏观位移有关；热量是系统与外界在温差的推动下，通过微观粒子的无序运动来传递能量，传热量无序物体的宏观移动。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

清华大学刘仙洲教授命名为“熵”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1-7热力循环热力循环Cycle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。

显然循环的目的是为了实现预期连续的能量转换，而不可能是为了获得工质状态的变化。循环和过