基本概念及定义热力学.ppt

1、第一章 基本概念及定义,1,第一章 基本概念及定义,1-1 热力学系统,1-2 热力学系统的状态及基本状态参数,1-3 平衡状态和状态参数坐标图,1-4 状态方程式,1-5 准静态过程和可逆过程,1-6 可逆过程的功,1-7 热量,1-8 热力循环,本章小结及作业,第一章 基本概念及定义,2,1-1 热力学系统,外界：系统之外一切其他物质。 边界：分割系统与外界的界面。,一、热力学系统概念 热力学系统（系统，system）： 被事先选作研究对象的某些确定的物质或某个确定空间中的物质 。,即系统、外界、边界构成了热力学模型所必不可少的三个基本组成部分。,边界把系统与外界完全分隔开来，一定是完全封

2、闭的。 系统选取是人为的，可依据解决问题的方便、思维方式因人而异， 一般选固定的物质或固定空间中的物质为系统。,注意：,第一章 基本概念及定义,3,边界有 真实的、 固定的 假想的、 变动的 之分。 系统与外界之间有且仅有三种作用形式，即 质量交换、 热量交换、 功量交换。,例,第一章 基本概念及定义,4,按系统与外界相互作用的性质对系统的分类:,开口系（open system）: 有，一般以固定空间中的物质为系统,称CV。 闭口系（closed system）: 无，以固定的物质为系统，称CM。,按系统与外界是否有质量交换：,按系统与外界是否有热量交换,绝热系统（insulated syst

3、em）,非绝热系统,（特例：透热系统）,按系统与外界交换的准静态功的模式分类,简单系统,复杂系统,孤立系统（isolated system ）,第一章 基本概念及定义,5,1-2 热力学系统的状态及基本状态参数,热力学状态(状态) : 热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。,p, v 和 T，是直接可测的 。,状态参数 ： 用来描述和说明系统系统所处状态的一些宏观物理量, 只与所处状态有关，而与过程、实现的途径无关。,最基本状态参数:,1比体积 v,单位质量物质占有的体积。 描述系统内部物质分布状况的参数。,第一章 基本概念及定义,6,2.压力 (压强) p 流体在单位面积上的垂直作用力 。

4、 描述流体物质组成的热力系统内部力学状况的参数。,绝对压力 absolute pressure , p,大气压力 atmospheric pressure，pb,表压力 gauge pressure，pg,真空度 vacuum pressure，pv,压力的单位： 标准单位：Pa，kPa , MPa 非标准单位：bar、atm、at、mmHg 、mmH2O等,第一章 基本概念及定义,7,3. 温度 Temperature , T ( t ),温度是标志系统冷、热程度的参数。,温度的建立以及测量是以热力学第零定律为基础的。,热力学第零定律（热平衡定律）The Zeroth Law of Ther

5、modynamics ：,两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则这两个系统彼此也必然处于热平衡。,处于同一热平衡态的所有系统，不论是否相互接触，必定有某一宏观特性是彼此相同的，我们把描述此宏观特性的物理量称为温度。 一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。,华氏温度与摄氏温度之间的关系：,第一章 基本概念及定义,8,thermodynamic temperature, T , K,摄氏温度 centigrade temperature, t , ,温标：温度的数值表示方法，国际上普遍采用的是热力学温标。,热力学温度（绝对温度）,以水的三相点温度作为热力学温度的固定点，,热力学温度与摄氏温度之间的

6、关系：,华氏温度 Fahrenheit temperature, t , F （不要求！）,第一章 基本概念及定义,9,1-3 平衡状态和状态参数坐标图,平衡状态（热力学平衡状态）：,热力学平衡 （平衡状态）,系统内部以及系统与外界之间不存在任何不平衡势,热平衡 力平衡 相平衡 化学平衡,稳定平衡态定律：,在外界不产生任何影响的条件下，系统从任何一个非平衡状态出发，经过足够长的时间，总能达到一个而且只有一个稳定的热力学平衡状态。,在外界不产生任何影响的条件下可以长久保持下去的状态。,非“作用”,即系统的宏观性质不随时间改变的状态,第一章 基本概念及定义,10,系统状态变化，取决于系统和外界间的

7、能量传递。,对于常见的气态物质组成的系统，没有化学反应时，即简单可压缩系统，它和外界间传递的能量只有热量和系统容积变化功，因此只要有两个独立的状态参数即可确定系统的状态。,状态公理：,确定系统平衡状态所需的独立状态参数的数目，等于系统和外界间进行能量传递方式的数目。n+1,状态参数坐标图：,ex: P-V, T-s, h-s, p-h,应用两个独立状态参数，可组成状态参数坐标图。,注意：图上任意一点代表一个平衡状态；,若系统处于不平衡状态, 则无法在状态参数坐标图上描述。,第一章 基本概念及定义,11,1-4 状态方程式,状态方程式 三个基本状态参数(p、v、T)之间的函数关系。即： 隐函数形

8、式： F(p，v，T)0 显函数形式：Tf1(p，v)，pf2(v，T)，vf3(p，T),2. 理想气体状态方程式（克拉贝龙方程）,1kg,1kmol,m kg,n kmol,Rg气体常数，与气体的种类有关。,R 通用气体常数,M , 气体的摩尔质量，kg/kmol,Vm,千摩尔容积， m3/kmol,第一章 基本概念及定义,12,1-5 准静态过程和可逆过程,1. 热力过程,系统从一个状态出发，经历一系列中间状态而变化到另一个状态所经历的全部过程称为热力过程。,初态,终态,条件改变：G为G,使,第一章 基本概念及定义,13,在状态参数坐标图上，可用一条过程曲线定性地表示该准静态过程。,虚线

9、，表一非准静态过程。,2. 准静态过程 quasi-static state process,过程中系统经历的是一系列平衡状态，并在每次状态变化时仅是无限小地偏离平衡状态。,实现准静态过程的条件：,系统和外界0,大部分实际过程可以近似地当作准静态过程。,第一章 基本概念及定义,14,3. 可逆过程 Reversible Process,系统经历了一个热力过程后，如果可以沿原过程的途径逆向进行，并使系统和外界都恢复到初态而不留下任何影响，则称系统原先经历的过程为可逆过程。,可逆过程必须满足的条件：,准静态过程；,无任何耗散效应。（耗散效应必产生无法消除的影响）,无耗散的准静态过程 = 可逆过程,

10、可逆过程是假想的、理想化的模型； 一切实际过程都是不可逆的。,第一章 基本概念及定义,15,1.热力学中功量的定义,功量是系统和外界间通过边界而传递的能量， 且其全部效果表现为举起重物。,1-6 可逆过程的功,2.可逆过程的容积变化功,容积变化功（膨胀功或压缩功）： 直接由系统容积变化与外界间发生作用而传递的功。,功量是物体间通过有规则的微观运动或宏观运动发生相互作用而传递的能量。,第一章 基本概念及定义,16,规定：系统对外界作功，W为正；外界对系统作功，W为负。,过程线下面积等于可逆过程中容积变化功的大小， 。,对微元可逆过程：,对可逆过程1-2：,功量是过程量，仅存在于过程中，过程一旦结

11、束，功量这种能量形式就不复存在。,第一章 基本概念及定义,17,1-7 热量,热量：系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。,热量是物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的能量。,热量不可能把它的全部效果表现为举起重物。,热量是过程量；热量是传递的能量（瞬时量）。,区别：热量与功量，热能与热量,热量：物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的能量,功量：物体间通过有规则的微观或宏观运动发生相互作用而传递的能量,热能：物体内部所具有的能量，热力学能，可存储于物体内。,热量：两物体间传递的热能的数量，不能说“物体含有热量”。,第一章 基本概念及定义,18,热量符号规定：系统吸热为

12、正，系统放热为负。,过程线下方的面积等于可逆过程所交换的热量的大小， 。,2.可逆过程的热量,对微元可逆过程：,对可逆过程1-2：,第一章 基本概念及定义,19,3. 热量与功量的类比,是物体间通过有规律的微观运动或宏观运动发生相互作用而传递的能量，可以把其全部效果表现为举起重物。,功：,热量：,物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的能量，不能把其全部效果表现为举起重物。,可逆过程中,可逆过程中,P 工质对外作功的推动力;,dv 状态参数比体积的变化:,是衡量可逆过程中工质与外界作功与否的标志。,在p-v图上：,一点：一个平衡状态,一实线：一个准静态过程,曲线下面积：,可逆过程中系统所做

13、的容积变化功。,功是过程量,T 对热交换起着推动力的作用;,ds 状态参数比熵的变化:,是衡量可逆过程中工质与外界是否发生热交换的标志。,在T-s图上：,一点：一个平衡状态,一实线：一个准静态过程,曲线下面积：,可逆过程中系统与外界所交换热量。,热量是过程量,第一章 基本概念及定义,20,4. 比热容及用比热容计算热量,1kg 物质在可逆过程中温度升高1K(或1)所需的热量。即,比定容热容cV：,和,比定压热容cp：,和,J/(kgK),质量热容(比热容) c,kJ/(kgK),第一章 基本概念及定义,21,摩尔热容,1 mol ( 或1kmol) 物质在可逆过程中温度升高1 K(或1 )所需要的热量，用Cp,m及CV,m表示 。单位为 J/(molK) 或kJ/(kmolK).,标准状态下1 m3的气体在可逆过程中温度升高1K(或1)所需要的热量，用Cp及CV表示 。单位为J/(m3K) 或kJ/(m3K)。,热量的计算：,容积热容,三种热容的关系：,比热容,摩尔热容,容积热容,仅对理想气体适用,可逆过程,第一章 基本概