工程熱力學(xué)概念

1、緒論工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)分兩部分，熱力學(xué)與傳熱學(xué)，這兩部分都是與熱有關(guān)的學(xué)科。我們先講熱力學(xué)，第二部分再講傳熱學(xué)。熱力學(xué)中熱指的是熱能，力在我們工程熱力學(xué)中主要指的是用它來做功，也就是機(jī)械能，簡單地理解工程熱力學(xué)主要研究的是熱能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化。也就是說由熱產(chǎn)生力，進(jìn)而對物體做功的過程，所以熱力學(xué)主要研究的是熱能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化。舉個例子：比如汽車的發(fā)動機(jī)（內(nèi)燃機(jī)），它是利用燃料（汽油）在汽缸中燃燒，燃燒后得到高溫高壓的煙氣，煙氣此時溫度高，壓力高，具有熱能，那么高壓的燃?xì)鈺苿託飧椎幕钊鏊酵鶑?fù)運動，活塞又通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)把水平往復(fù)運動轉(zhuǎn)化成圓周運動，進(jìn)而帶動汽車運動，這就是一個

2、熱力學(xué)的例子。工程熱力學(xué)的研究重點是熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律，那么下面我們來詳細(xì)的看一下工程熱力學(xué)的研究內(nèi)容：研究熱力學(xué)中的一些基本概念和基本定律?；靖拍钕駸崃W(xué)系統(tǒng)、熱力學(xué)狀態(tài)、平衡過程、可逆過程等?；径捎袩崃W(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，第一定律和第二定律是工程熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)，其中熱力學(xué)第一定律主要研究熱能與機(jī)械能之間轉(zhuǎn)化時的數(shù)量關(guān)系，熱力學(xué)第二定律主要研究熱能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換時的方向、條件、限度問題。研究工質(zhì)的性質(zhì)。我們熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化需要依靠一定的工作物質(zhì)才能實現(xiàn)，因此，我們要研究熱能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化，我們首先要研實現(xiàn)這一工作的工質(zhì)的性質(zhì)。研究工質(zhì)參與下，遵循熱力學(xué)第一

3、定律和第二定律在熱力設(shè)備中進(jìn)行的實際熱力過程。第一章 基本概念在我們研究工程熱力學(xué)的過程中會用到許多術(shù)語，如工質(zhì)、熱力學(xué)系統(tǒng)、熱力學(xué)狀態(tài)、平衡狀態(tài)、狀態(tài)參數(shù)等。因此，要學(xué)好工程熱力學(xué)我們首先要知道這些術(shù)語指的是什么。我們先來看第一個概念：工質(zhì)一、工質(zhì)我們前面講了，工程熱力學(xué)是研究熱能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化，那么工質(zhì)就是用來實現(xiàn)熱能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)化的工作物質(zhì)。工質(zhì)大多數(shù)情況下只是在能量轉(zhuǎn)化的過程中起媒介的作用，而不會直接參與能量的轉(zhuǎn)化。像我們化學(xué)中學(xué)到的催化劑一樣，工質(zhì)這一物質(zhì)本身并不發(fā)生化學(xué)性質(zhì)的變化，發(fā)生變化的是工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)（物理性質(zhì)），像工質(zhì)的溫度、壓力、體積等。也就是說工質(zhì)在能量

4、轉(zhuǎn)化過程中起媒介的作用。舉個例子： 就是前面我們舉的汽車發(fā)動機(jī)。這里面的工質(zhì)是汽油燃燒后所產(chǎn)生的煙氣，最初，煙氣的溫度很高，壓力很高，它所具有的是熱能，煙氣在高溫高壓下會膨脹，對外做功，把它所具有的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并傳遞給汽車，煙氣膨脹后，溫度和壓力都會降低，在這個能量轉(zhuǎn)化過程中，工質(zhì)煙氣的化學(xué)性質(zhì)并沒有發(fā)生變化，工質(zhì)還是工質(zhì)，發(fā)生變化的僅僅是工質(zhì)所呈現(xiàn)出來的狀態(tài)，最初是高溫高壓，膨脹之后變?yōu)榈蜏氐蛪骸?鍋爐中的蒸汽動力循環(huán)裝置在這個裝置中，工質(zhì)是水蒸氣，水進(jìn)入鍋爐中，通過鍋爐加熱后，變成水蒸氣，水蒸氣推動汽輪機(jī)的葉輪旋轉(zhuǎn)做功，做功后變成液體水，水再送回鍋爐中加熱循環(huán)使用。這個裝置中就是通過

5、工質(zhì)水的狀態(tài)的不斷變化將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的，工質(zhì)水本身并沒有發(fā)生變化，水還是水，不管是以液體狀態(tài)存在還是以蒸汽狀態(tài)存在，發(fā)生變化的是水的物理狀態(tài)，像水的溫度、壓力等。綜上：工質(zhì)是實現(xiàn)熱能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)化的工作物質(zhì)，是媒介物質(zhì)。二、熱力學(xué)系統(tǒng)1.熱力學(xué)系統(tǒng)的概念簡單的說，熱力學(xué)系統(tǒng)是認(rèn)為地劃分出來作為熱力學(xué)研究對象的系統(tǒng)，也就是我們的研究對象，簡稱熱力系。熱力系可以是一種真實的物質(zhì)，如泵中被壓縮的水，也可以是一個真實的設(shè)備，如鍋爐，也可以是一種抽象出來的或假象的熱力學(xué)模型。2.邊界與外界熱力學(xué)系統(tǒng)是人們在進(jìn)行熱力分析時，為方便起見，把研究對象從周圍物體中分離出來的。那么系統(tǒng)周圍的物體稱為外界

6、，熱力系統(tǒng)與外界的分界面叫做邊界。外界可以是自然環(huán)境，也可以是另一個熱力系統(tǒng)。自然環(huán)境是一類特殊的外界，它所經(jīng)歷的過程是可逆的，而且本身的性質(zhì)不變。邊界可以是真實的，也可以是假想的，可以是固定不變的，也可以是運動可變的。比如：若取前面我們講的汽輪機(jī)中的工質(zhì)水蒸氣作為熱力學(xué)系統(tǒng)時，汽輪機(jī)的汽缸外壁是一個實際的邊界，而水蒸氣的進(jìn)口和出口則是一個假想的虛擬的邊界。再舉一個例子：活塞式壓縮機(jī)的汽缸活塞系統(tǒng)，當(dāng)我們?nèi)∑字械墓べ|(zhì)為熱力系時，則邊界的一部分汽缸壁面是固定的，邊界的另一部分活塞頂就是運動的。（a）汽輪機(jī) （b）活塞式壓縮機(jī)汽缸3.熱力學(xué)系統(tǒng)的分類通常情況下，“熱力學(xué)系統(tǒng)”與“外界”之間會處于

7、相互作用之中，他們通過“邊界”相互交換能量或物質(zhì)。我們根據(jù)兩者之間相互作用的不同，把熱力學(xué)系統(tǒng)分為幾種：（1）閉口系統(tǒng)熱力系（即研究對象）與外界無質(zhì)量交換時，此系統(tǒng)稱為閉口系統(tǒng)。閉口系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量是保持恒定不變的，因此又叫做控制質(zhì)量。如前圖（b）所示的汽缸，熱力學(xué)系統(tǒng)只通過汽缸壁和活塞桿與外界發(fā)生熱和功的交換，汽缸中工質(zhì)的質(zhì)量在能量轉(zhuǎn)化過程中是保持不變的。此系統(tǒng)為閉口系統(tǒng)。（2）開口系統(tǒng)熱力系通過邊界與外界之間既有能量交換又有物質(zhì)交換，則該熱力系稱為開口系統(tǒng)。如前圖（a）所示的汽輪機(jī)。（3）絕熱系統(tǒng)熱力系與外界之間沒有能量交換（可以有質(zhì)量交換，也可以有其他形式的能量交換）。（4）孤立系統(tǒng)熱力系與

8、外界之間既無能量交換也無質(zhì)量交換。由于自然界中物體和物體之間是相互聯(lián)系、相互作用的，而且也不存在絕對的絕熱物質(zhì)，因此，絕對的孤立系統(tǒng)和絕熱系統(tǒng)是不存在的。只有系統(tǒng)與外界之間的熱量和質(zhì)量交換無限微弱或影響可忽略不計時，可簡化處理，將熱力系視為孤立系統(tǒng)或絕熱系統(tǒng)。三、熱力學(xué)狀態(tài)1.熱力學(xué)狀態(tài)的概念工質(zhì)在熱力設(shè)備中，必須通過吸熱、膨脹、排熱等過程才能完成將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的工作，在這一轉(zhuǎn)化過程中，工質(zhì)的P、T、V等物理特性隨時都在發(fā)生變化。我們把工質(zhì)在熱力變化過程中的某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況成為工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。下面我們介紹一個熱力學(xué)系統(tǒng)中比較特殊的一個狀態(tài)。2.平衡狀態(tài)一個熱力學(xué)系統(tǒng)

9、，如果在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的狀態(tài)能夠始終保持不變，那么我們就說該系統(tǒng)處于熱力平衡狀態(tài)，簡稱平衡狀態(tài)。熱力平衡包含兩方面：熱的平衡和力的平衡。 熱的平衡當(dāng)熱力系內(nèi)部各點溫度均勻一致且等于外界溫度時，組成熱力系統(tǒng)的各部分之間以及熱力系統(tǒng)與環(huán)境之間沒有熱量的傳遞，那么系統(tǒng)就處于熱平衡狀態(tài)。 力的平衡當(dāng)熱力系各部分之間沒有相對位移（即內(nèi)部無不平衡力，且作用在邊界上的力和外力達(dá)到平衡），則該熱力系處于力的平衡狀態(tài)。同時具備了熱的平衡和力的平衡的系統(tǒng)就處于熱力平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)的特點：處于熱力平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，只要不受外界影響，他的狀態(tài)就不會隨時間而改變，即平衡狀態(tài)不會自發(fā)被破壞。處于不平衡狀態(tài)的系

10、統(tǒng)，由于各部分之間的傳熱和位移，其狀態(tài)將隨時間而改變，隨著狀態(tài)的不斷變化，傳熱和位移也會逐漸減弱，直到完全停止，此時會達(dá)到另一個新的平衡狀態(tài)，所以我們說，處于不平衡狀態(tài)的系統(tǒng)在沒有外界影響的情況下總會自發(fā)地趨于平衡狀態(tài)。我們一般只對平衡狀態(tài)進(jìn)行分析研究，不涉及時間因素。3.狀態(tài)參數(shù)即用來描述狀態(tài)的參數(shù)。工質(zhì)所處的狀態(tài)常用一些宏觀物理量來描述，這種用來描述工質(zhì)所處狀態(tài)的宏觀物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)和熱力學(xué)狀態(tài)是一一對應(yīng)的，熱力學(xué)狀態(tài)一定，則狀態(tài)參數(shù)就確定了，工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，那么狀態(tài)參數(shù)也會隨之發(fā)生變化。狀態(tài)參數(shù)的屬性：狀態(tài)參數(shù)只取決于狀態(tài)，而與如何到達(dá)這一狀態(tài)的途徑無關(guān)。如圖：經(jīng)過

11、路徑到達(dá)狀態(tài)2，與經(jīng)過路徑到達(dá)狀態(tài)2，我們表示熱力學(xué)狀態(tài)2所用的狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值是一樣的。都是P2，v2壓力是一定的，比容也是一定的e。這類似于我們高中時學(xué)過的重力做功，只取決于前后的高度差，而與途徑無關(guān)。舉個例子：第一天早上吃牛肉面，心情很好，第二天早上吃的包子，和昨天心情一樣好，那么這兩天早上的心情狀態(tài)時一樣的，那么用來表示這兩天心情的狀態(tài)參數(shù)，比如心情指數(shù)等，也都是一樣的，與吃的包子還是吃的牛肉面無關(guān)，即與如何到達(dá)這一狀態(tài)的路徑無關(guān)。4.基本狀態(tài)參數(shù)研究熱力過程時，常用到的狀態(tài)參數(shù)有六個，壓力P，溫度T，體積V，熱力學(xué)能（內(nèi)能）U，焓H，熵S。這六個狀態(tài)參數(shù)可以有兩種分類方法：根據(jù)狀態(tài)參數(shù)

12、與質(zhì)量的關(guān)系分為強(qiáng)度量和廣延量強(qiáng)度量：凡是與質(zhì)量無關(guān)的量稱為強(qiáng)度量，如P，T，1kg物體和2kg物體的溫度是一樣的，不隨質(zhì)量的不同而變化。強(qiáng)度量不具有加和性。廣延量：凡是與質(zhì)量成比例的量成為廣延量，如V，U，H，S，1kg氣體的體積和2kg氣體的體積是不一樣的，體積是隨質(zhì)量是成比例關(guān)系增加的。廣延量具有加和性。我們還有一種參數(shù)，叫做比參數(shù)，比參數(shù)是由廣延量除以質(zhì)量得到的，如V/m得到比體積，U/m得到比內(nèi)能，另外還有比焓、比熵等。即單位工質(zhì)的體積、內(nèi)能、焓、熵。比參數(shù)就屬于強(qiáng)度量了，不具有加和性。通常我們將熱力系的廣延參數(shù)用大寫字母表示，其比參數(shù)用小寫字母表示。如Vv，Uu，Hh，Ss第二種分

13、類方法，把六個狀態(tài)參數(shù)分為基本狀態(tài)參數(shù)和導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)：六個狀態(tài)參數(shù)中，P、T、V三個量可直接用儀器測量，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)：其余三個，U、H、S需利用前面三個基本狀態(tài)參數(shù)間接推導(dǎo)得出，稱為導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)。下面我們先介紹三個基本狀態(tài)參數(shù)P、T、V，其他三個狀態(tài)參數(shù)以后再介紹。四、基本狀態(tài)參數(shù)1.溫度溫度我們都很熟悉，是描述物體冷熱狀況的物理量，這是我們從宏觀上的說法，從微觀上看，溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部分子熱運動的劇烈程度。兩個物體接觸時，通過接觸面上分子的碰撞，進(jìn)行動能交換，這種微觀的動能交換就是宏觀的熱量交換。為了給溫度確定數(shù)值，需要建立溫標(biāo)，也就是說要確定這么熱的程度用多大

14、數(shù)值表示，即建立溫度標(biāo)準(zhǔn)。國際上規(guī)定，將熱力學(xué)溫標(biāo)作為測量溫度的最基本溫標(biāo)，熱力學(xué)溫標(biāo)的溫度單位是開爾文，符號K（開）。熱力學(xué)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：把純水的三相點溫度，即水的氣、液、固三相平衡共存時的溫度作為基準(zhǔn)點，并規(guī)定為273.16K。熱力學(xué)溫標(biāo)所表示的溫度稱為絕對溫度，我們用符號T表示，除熱力學(xué)溫標(biāo)外，在日常生活中我們常用的是攝氏溫標(biāo)，攝氏溫標(biāo)的溫度單位是攝氏度，符號。攝氏溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的冰點為零點，水的沸點為100，中間平均劃分為100等份而得出。攝氏溫標(biāo)表示的溫度我們用t表示。攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)的關(guān)系為：t=T-273.15， T=t+273.15即0273.15K，1

15、00373.15K水的冰點為0，水的三相點為273.16K，即0.01，即水的三相點比冰點高0.01。從上面熱力學(xué)溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)的關(guān)系我們可以看出，兩者并沒有本質(zhì)上的差別，僅僅是所選取的零點不同而已。像我們測量高度一樣，所選起點不一樣，測量的數(shù)值也不一樣。知識環(huán)境中所存在的物體，能夠達(dá)到的最低溫度只能是無限接近0K，即-273.15，即任何物體的溫度都不會低于-273.15，也就是說自然界的物體都是絕對溫度高于0K的物體。2.壓力P熱力學(xué)中我們所講的壓力等同于高中物理中所學(xué)的壓強(qiáng)，即垂直作用于單位面積上的力，用符號P表示。對氣體來說，壓力是大量分子向容器壁撞擊的平均結(jié)果。壓力的測量原理:壓力的

16、測量采用壓力計，利用力的平衡原理測取壓差值由于壓力計本身處在大氣壓力作用下，所以我們用壓力計所測得的壓力是工質(zhì)真實壓力與環(huán)境介質(zhì)壓力之差，叫做表壓或真空度。都是一個相對壓力。當(dāng)氣體的真實壓力>大氣壓力時，我們稱為表壓，當(dāng)真實壓力<大氣壓力時，我們稱為真空度。表壓：Pg；真空度：Pv；絕對壓力：P；大氣壓力：Pb表壓時：Pg=P-pb真空度時：Pv=Pb-P由于大氣壓力Pb是由地面上空氣柱的重量造成的，它會隨著各地的維度、高度和氣候條件而不同，因此，即使工質(zhì)的絕對壓力不變，由于地點不同，所測得的表壓力和真空度仍然會有所不同，所以為了在同一標(biāo)準(zhǔn)下比較兩工質(zhì)的壓力，我們要用絕對壓力來表示

17、（基準(zhǔn)都是絕對真空）。所以用壓力表測量時，必須同時測定當(dāng)?shù)氐拇髿鈮篜b，用氣壓計來測量。若絕對壓力特別大，則我們可以把大氣壓力視為常數(shù)。通常情況下，我們能測量得到的是Pg或Pv，而我們在計算及應(yīng)用時，用到的是真實壓力P，P=Pb+Pg或P=Pb-Pv3.比容與密度比容：單位質(zhì)量工質(zhì)所占的空間v=V/m（m3/kg）密度：單位體積工質(zhì)的質(zhì)量= m / V（kg / m3）重度：單位體積工質(zhì)的重量= G / V（N / m3）一、狀態(tài)方程經(jīng)驗表明，表示系統(tǒng)所處狀態(tài)的這些狀態(tài)參數(shù)之間是相互聯(lián)系的，并不是各自獨立的。當(dāng)一定量的氣體在固定容積的容器內(nèi)加熱時，體積會保持不變，而溫度會升高，壓力也會隨溫度的

18、升高而增大，即氣體的體積保持不變時，溫度與壓力成正比關(guān)系。反之，如果保持壓力不變，容器是體積可變的容器，對氣體加熱，那么隨溫度的升高，體積也會變大，即氣體的壓力保持不變時，溫度與壓力成正比關(guān)系。而如果體積和壓力都保持不變，則溫度也就只能有一個確定的數(shù)值，若想對其加熱，讓溫度升高，則體積和壓力也一定會變化，不會繼續(xù)保持不變的。即PVT三個參數(shù)之間是相互聯(lián)系的，并且他們之間的相互聯(lián)系還服從一定的關(guān)系式，狀態(tài)參數(shù)之間的這個關(guān)系式叫做狀態(tài)方程。即：f（P,v,T）=0或P=f(v,T)v=f(p,T)T=f(P,v)綜上，狀態(tài)方程就是用來描述處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，狀態(tài)參數(shù)之間相互關(guān)系的方程式。二、狀態(tài)參

19、數(shù)坐標(biāo)圖根據(jù)狀態(tài)方程的講解，我們知道，對于簡單可壓縮的平衡系統(tǒng)，由兩個參數(shù)就可以確定系統(tǒng)的狀態(tài)，比如，P,v一定，則T就可知，P,T一定，則v也可以確定，并且系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)就一定。那么我們知道，用兩個參數(shù)就可以確定系統(tǒng)的狀態(tài)，所以我們將兩個參數(shù)表在平面直角坐標(biāo)系中，用來描述系統(tǒng)所處的熱力學(xué)狀態(tài)，并用來分析狀態(tài)到狀態(tài)之間的變化過程。這種由熱力系狀態(tài)參數(shù)所組成的坐標(biāo)圖就是狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖。在我們熱力學(xué)中，長采用的狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖有壓容圖（P-v）、溫熵圖（T-s）和焓熵圖（h-s）。注：只有平衡狀態(tài)才能用狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上的一點來表示。三、熱力過程一個處于平衡狀態(tài)的熱力系，如果沒有外界影響，必將永遠(yuǎn)保

20、持其平衡狀態(tài)，這時熱力系具有確定的狀態(tài)參數(shù)，若熱力系受到外界影響，與外界發(fā)生了能量傳遞，如吸熱，就會使熱力系偏離平衡狀態(tài)而發(fā)生一系列變化，直至達(dá)到一個新的平衡狀態(tài)，變化停止。這種由于熱力系與外界相互作用而引起的熱力系由一個平衡狀態(tài)經(jīng)過連續(xù)的中間狀態(tài)變化到一個新的平衡狀態(tài)的全過程，稱為熱力過程。下面我們主要講幾個熱力過程中的特殊過程。1.平衡過程平衡過程指的是，在變化過程中，熱力系在任何時刻都處于力的平衡和熱的平衡，任何時刻系統(tǒng)內(nèi)部都處處均勻一致。即由無數(shù)個平衡狀態(tài)連在一起組成的變化過程，因此，可連成實線。但平衡過程實際上是一個理想過程，現(xiàn)實當(dāng)中是不存在這樣的過程的。因為我們知道，系統(tǒng)由一個狀態(tài)

21、變化到另一個狀態(tài)，這個過程得以實現(xiàn)的推動力是“不平衡”，即只有系統(tǒng)內(nèi)部或系統(tǒng)與外界之間存在不平衡才會進(jìn)行熱力過程。若系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，沒有不平衡的存在，則系統(tǒng)的狀態(tài)不會發(fā)生變化，會一直待在原地不動。也就是說平衡過程是個理想過程，是認(rèn)為想象出來的，現(xiàn)實中不存在，所以我們又提出了一個“準(zhǔn)靜態(tài)過程”。2.準(zhǔn)靜態(tài)過程我們把熱力過程中一系列無限接近平衡狀態(tài)的狀態(tài)組合成的過程稱為準(zhǔn)靜態(tài)過程。準(zhǔn)靜態(tài)過程中，每一個微小過程與原平衡狀態(tài)都只偏離無限小，并且在每次微小變化后及時地建立了新的平衡。準(zhǔn)靜態(tài)過程的特點：在過程中，熱力系內(nèi)部不斷存在力的平衡和熱的平衡，或平衡被破壞的程度無限小。過程進(jìn)行的無限慢，有足夠的時

22、間及時恢復(fù)平衡。我們把這個時間成為弛豫時間。即弛豫時間短。在分析問題時，我們可以忽略其對平衡狀態(tài)的偏離，中間狀態(tài)仍以平衡態(tài)確定，因此，準(zhǔn)靜態(tài)過程在坐標(biāo)圖上可以用連續(xù)的實線描述。3.實際熱力過程-非平衡過程通常情況下，熱力系的吸熱或放熱是在溫差下進(jìn)行的，做機(jī)械功是在壓差下進(jìn)行的，顯然，一切實際的熱力過程都是熱力系與外界之間的不平衡勢差（溫差、壓差）作用的結(jié)果。不平衡過程的中間狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)并不確定，不是平衡狀態(tài)，不能在坐標(biāo)圖上用實點表示，因此，不平衡的過程也無法用一連續(xù)實線來表示。但為了方便說明問題，我們可以用一虛線來表示。4.可逆過程與不可逆過程可逆過程指當(dāng)完成了某一過程后，如果能使工質(zhì)沿相同

23、的路徑逆行而恢復(fù)到原來的狀態(tài)，并使相互作用中所涉及的外界也恢復(fù)到原來狀態(tài)，而不留下任何改變，則這一過程就叫做可逆過程，不滿足這些條件的過程為不可逆過程。即可逆過程主要有兩個特點：能沿原路返回系統(tǒng)和外界都恢復(fù)初態(tài)，不留下任何變化要使過程滿足這兩個特點，則過程在進(jìn)行時需滿足兩個條件：過程是（準(zhǔn)）平衡過程過程中無摩擦，即無任何耗散效應(yīng)可逆過程的基本特征是：過程進(jìn)行的結(jié)果不給熱力系及外界留下任何影響。5.可逆過程、平衡過程、準(zhǔn)靜態(tài)過程的聯(lián)系與區(qū)別平衡過程和可逆過程兩個概念并無實質(zhì)上的區(qū)別，在熱力學(xué)范圍內(nèi)兩者是等效的。而準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程：共同點：都滿足平衡條件，過程中無推動力（即無壓差和溫差）都可以

24、在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上表示不同點：準(zhǔn)平衡過程只要求熱力系內(nèi)部維持平衡，無內(nèi)摩擦可逆過程還必須無外部摩擦，否則熱力系將產(chǎn)生能量耗散，致使過程不能無條件地逆向復(fù)原。所以，可逆過程必然是一個無能量耗散的準(zhǔn)平衡過程，顯然，可逆過程是一個完美的理想過程，現(xiàn)實中是不可能進(jìn)行的，但可逆過程仍然具有十分重要的實際意義，作為研究實際過程的基礎(chǔ)。理想氣體與實際氣體我們工程熱力徐研究的主要內(nèi)容是如何把工質(zhì)的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌虮晃覀兝玫臋C(jī)械能。熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化需要通過工質(zhì)的膨脹或壓縮過程實現(xiàn)，因此我們所采用的工作物質(zhì)工質(zhì)，應(yīng)具有顯著的漲縮能力，即其體積隨溫度、壓力能有較大的變化。物質(zhì)的三態(tài)：氣、液、固中只有氣態(tài)具有這

25、一特性。因而實現(xiàn)熱能和機(jī)械能轉(zhuǎn)化的這些工質(zhì)一般都采用氣態(tài)物質(zhì)。一、理想氣體的概念理想氣體是一種實際上并不存在的假想氣體，理想氣體有兩點假設(shè)：分子是些彈性的，不具體積的質(zhì)點分子間沒有相互作用力在這兩點假設(shè)條件下，氣體分子的運動規(guī)律極大地簡化了，分子之間的碰撞為直線運動，且為彈性碰撞，無動能損失。我們都知道，若組成系統(tǒng)的氣體的壓力和密度較小，那么系統(tǒng)內(nèi)分子間的平均距離就會增大，當(dāng)氣體的壓力和密度降低到一定程度時，即平均距離大到一定程度時，氣體分子本身所占的體積就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分子所活動的空間，分子間平均距離遠(yuǎn)到分子間作用力極其微弱的狀態(tài)時，就很接近理想氣體。因此理想氣體是氣體壓力趨近于零，比容趨近于無

26、窮大時的極限狀態(tài)。自然界中完全符合理想氣體假設(shè)條件的氣體是不存在的。但在我們工程中常用到的氧氣、氮氣、氫氣、CO等，以及混合氣體、燃?xì)鉄煔獾裙べ|(zhì)，在通常使用的溫度、壓力下都可以作為理想氣體進(jìn)行處理，簡化計算，誤差一般都在工程計算允許的精度范圍之內(nèi)。但對于那些離液態(tài)不遠(yuǎn)的氣態(tài)物質(zhì)，如蒸汽動力裝置中采用的工質(zhì)水蒸汽，制冷裝置的氟利昂蒸汽，氨蒸汽等，它們更接近液態(tài)，與理想氣體性質(zhì)差別較大，分子本身的體積以及分子與分子之間的作用力都不可忽略，因此它們不能當(dāng)做理想氣體處理，這些工質(zhì)我們稱為實際氣體。我們這門課主要研究理想氣體。二、理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程是用來揭示平衡狀態(tài)下氣體的壓力、溫度、比容

27、之間相互關(guān)系的方程式，它有幾種表達(dá)方式，幾種表達(dá)方式之間是等價的。即對于一定的系統(tǒng)，只要沒有物質(zhì)交換，不管工質(zhì)的狀態(tài)怎么變，他的Pv乘積與T的比值始終是一個常數(shù)。或表示成其中R稱為氣體常數(shù)，它是一個只與氣體種類有關(guān)，而與氣體所處狀態(tài)無關(guān)的物理量，即只要氣體一定了，不管狀態(tài)怎么變，PVT取何值，R都是一定的，是常數(shù)。狀態(tài)方程有很多不同的表達(dá)形式，最基本的就是我們前面講的兩種，在后面我們還會詳細(xì)介紹其他形式的狀態(tài)方程。下面我們先講一下幾個概念。三、物質(zhì)的量、摩爾質(zhì)量、摩爾容積1.物質(zhì)的量物質(zhì)的量與我們比較熟悉的“質(zhì)量”是一樣的，都表示物質(zhì)的多少，物質(zhì)的量的單位是mol。1mol指的是物質(zhì)中所包含的的基本單元數(shù)與0.012kg碳12的原子數(shù)相同時，這些物質(zhì)的量就是1mol。0.012kg碳12所包含的的原子數(shù)為6.0225×102