基本概念及定義.

1、第一部分第一部分 熱力學(xué)基本定律熱力學(xué)基本定律第一章第一章 基本概念及定義基本概念及定義 本章提要本章提要: : 本章闡明熱力學(xué)系統(tǒng)（熱力系）的定義及其描述，著重介紹熱力系的平本章闡明熱力學(xué)系統(tǒng)（熱力系）的定義及其描述，著重介紹熱力系的平衡狀態(tài)的概念，描述平衡狀態(tài)的基本狀態(tài)參數(shù)比容、壓力和溫度，及體現(xiàn)衡狀態(tài)的概念，描述平衡狀態(tài)的基本狀態(tài)參數(shù)比容、壓力和溫度，及體現(xiàn)三者相互關(guān)系的狀態(tài)方程式。定義了熱力系的準平衡過程并對熱力循環(huán)作三者相互關(guān)系的狀態(tài)方程式。定義了熱力系的準平衡過程并對熱力循環(huán)作了初步的介紹了初步的介紹本章要求本章要求: : 1 1了解熱力系的定義，平衡狀態(tài)的概念和應(yīng)滿足的平衡條件。

2、了解熱力系的定義，平衡狀態(tài)的概念和應(yīng)滿足的平衡條件。 2 2掌握基本狀參數(shù)掌握基本狀參數(shù)p p、v v、T T的定義、計量及不同單位間的換算。的定義、計量及不同單位間的換算。 3 3了解準平衡過程的定義及提出準平衡過程的意義和作用。了解準平衡過程的定義及提出準平衡過程的意義和作用。 4 4對不同的熱力循環(huán)及其作用建立起初步的概念。對不同的熱力循環(huán)及其作用建立起初步的概念。11 熱力系熱力系n一一 熱力系、外界與邊界熱力系、外界與邊界n在對一個現(xiàn)象或一個過程進行分析時為了確在對一個現(xiàn)象或一個過程進行分析時為了確定研究的對象，規(guī)劃出研究的范圍，常定研究的對象，規(guī)劃出研究的范圍，常從若從若干物體中取

3、出需要研究的部分干物體中取出需要研究的部分這種被取出這種被取出的部分叫做熱力學(xué)系統(tǒng)，簡稱的部分叫做熱力學(xué)系統(tǒng)，簡稱熱力系熱力系。n外界（或環(huán)境）外界（或環(huán)境）熱力系周圍與系統(tǒng)發(fā)生熱力系周圍與系統(tǒng)發(fā)生相互作用的物體。相互作用的物體。n界面（或邊界）界面（或邊界）熱力系與外界的分界面。熱力系與外界的分界面。11 熱力系熱力系n一一 熱力系、外界與邊界熱力系、外界與邊界n補充說明：補充說明：n1 如何掌握基本概念如何掌握基本概念n 例如：例如：n電器插頭的發(fā)熱問題，你會分析嗎？電器插頭的發(fā)熱問題，你會分析嗎？n2 基本概念和專業(yè)名詞的關(guān)系基本概念和專業(yè)名詞的關(guān)系n3 深層次的含義深層次的含義11 熱

4、力系熱力系n二二 熱力系的分類熱力系的分類n1 按熱力系與外界進行物質(zhì)交換的情況分：按熱力系與外界進行物質(zhì)交換的情況分：n（1）閉口系）閉口系(或或閉系閉系)熱力系與外界無物質(zhì)交熱力系與外界無物質(zhì)交換換，或者說沒有物質(zhì)穿過邊界。熱力系內(nèi)部的質(zhì)，或者說沒有物質(zhì)穿過邊界。熱力系內(nèi)部的質(zhì)量將保持不變，稱為量將保持不變，稱為控制質(zhì)量控制質(zhì)量(C.M.)，故閉口系，故閉口系即是我們所研究的某即是我們所研究的某“控制質(zhì)量控制質(zhì)量”。n（2）開口系）開口系(或或開系開系)熱力系與外界之間有物熱力系與外界之間有物質(zhì)交換，或者說有物質(zhì)穿過邊界。熱力系內(nèi)部的質(zhì)交換，或者說有物質(zhì)穿過邊界。熱力系內(nèi)部的質(zhì)量可以變化的

5、，也可以不變。但我們可以質(zhì)量可以變化的，也可以不變。但我們可以規(guī)劃規(guī)劃熱力系的空間范圍不變熱力系的空間范圍不變，叫作，叫作控制容積控制容積(C.V.)，或，或控制體，故開口系即是我們所研究的某控制體，故開口系即是我們所研究的某“控制控制體體”。11 熱力系熱力系n二二 熱力系的分類熱力系的分類n2 按熱力系與外界進行能量交換的情況按熱力系與外界進行能量交換的情況分：分： n簡單熱力系簡單熱力系熱力系與外界只交換熱量及熱力系與外界只交換熱量及一種形式的準靜功；一種形式的準靜功；n絕熱系絕熱系熱力系與外界無熱交換；熱力系與外界無熱交換；n孤立系孤立系熱力系與外界既無能量交換又無熱力系與外界既無能量

6、交換又無物質(zhì)交換物質(zhì)交換。11 熱力系熱力系n二二 熱力系的分類熱力系的分類n3 按熱力系內(nèi)部狀況分：按熱力系內(nèi)部狀況分：n（1）單元系）單元系只包含一種化學(xué)成分的物質(zhì)只包含一種化學(xué)成分的物質(zhì)n（2）多元系）多元系包含兩種以上的物質(zhì)包含兩種以上的物質(zhì)n（3）均勻系）均勻系各部分具有相同的性質(zhì)，如各部分具有相同的性質(zhì)，如單相系單相系n（4）非均勻系）非均勻系各部分具有不同的性質(zhì)，各部分具有不同的性質(zhì)，如復(fù)相系如復(fù)相系11 熱力系熱力系n二二 熱力系的分類熱力系的分類n4 按工作物質(zhì)的狀態(tài)變化分：按工作物質(zhì)的狀態(tài)變化分：n（1）可壓縮系統(tǒng)可壓縮系統(tǒng)由可壓縮流體構(gòu)成的熱力系；由可壓縮流體構(gòu)成的熱力系

7、；n最常用的工質(zhì)是一些可壓縮流體最常用的工質(zhì)是一些可壓縮流體(如蒸汽動力裝置中如蒸汽動力裝置中的水蒸氣，燃氣動力裝置中的燃氣，等等的水蒸氣，燃氣動力裝置中的燃氣，等等) n（2）簡單可壓縮系統(tǒng)簡單可壓縮系統(tǒng)可壓縮系統(tǒng)與外界只有可壓縮系統(tǒng)與外界只有準靜容積變化功準靜容積變化功(膨脹功或壓縮功膨脹功或壓縮功)的交換的交換n工程熱力學(xué)中討論的大部分系統(tǒng)都是簡單可壓縮系工程熱力學(xué)中討論的大部分系統(tǒng)都是簡單可壓縮系統(tǒng)。統(tǒng)。11 熱力系熱力系n三三 熱源和冷源熱源和冷源n1 熱源熱源某種具有無限大熱容量的系統(tǒng)，某種具有無限大熱容量的系統(tǒng)，它對外放出有限的熱量時其自身的溫度維持它對外放出有限的熱量時其自身的

8、溫度維持不變。不變。n2 冷源冷源某種具有無限大熱容量的系統(tǒng)，某種具有無限大熱容量的系統(tǒng)，它對外吸入有限的熱量時其自身的溫度維持它對外吸入有限的熱量時其自身的溫度維持不變。不變。12 熱力系的描述熱力系的描述 n一一 熱力系的狀態(tài)、平衡狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)熱力系的狀態(tài)、平衡狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù) n1 熱力系的狀態(tài)熱力系的狀態(tài)熱力系在某一瞬間所呈熱力系在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。現(xiàn)的宏觀物理狀況。n2 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)是指在沒有外界影響的條件是指在沒有外界影響的條件下系統(tǒng)的各部分在長時間內(nèi)不發(fā)生任何變化下系統(tǒng)的各部分在長時間內(nèi)不發(fā)生任何變化的狀態(tài)。的狀態(tài)。 12 熱力系的描述熱力系的描述 n一一 熱力系

9、的狀態(tài)、平衡狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)熱力系的狀態(tài)、平衡狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù) n3 建立平衡態(tài)的必要條件和特征：建立平衡態(tài)的必要條件和特征：n（1）溫差的消失則是系統(tǒng)建立起熱平衡的必要條件）溫差的消失則是系統(tǒng)建立起熱平衡的必要條件 n（2）力差的消失是使系統(tǒng)建止起力學(xué)平衡的必要條件）力差的消失是使系統(tǒng)建止起力學(xué)平衡的必要條件n特征：特征：處于平衡狀態(tài)的熱力系應(yīng)具有均勻一致的溫度處于平衡狀態(tài)的熱力系應(yīng)具有均勻一致的溫度(T)、壓力、壓力(P)等等。對于任意給定的平衡熱力系可以用等等。對于任意給定的平衡熱力系可以用確定的確定的T,P 等物理量來描述。等物理量來描述。n4 狀態(tài)參數(shù)：狀態(tài)參數(shù)：n用來描述熱力系平衡狀態(tài)

10、的物理量稱為用來描述熱力系平衡狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)。 12 熱力系的描述熱力系的描述 n二二 狀態(tài)參數(shù)的特性狀態(tài)參數(shù)的特性n1 描述熱力系狀態(tài)的物理量分類：描述熱力系狀態(tài)的物理量分類：n（1）尺度量：尺度量：與系統(tǒng)中所含物質(zhì)的數(shù)量有關(guān)的與系統(tǒng)中所含物質(zhì)的數(shù)量有關(guān)的物理量物理量n特性：（特性：（a）具有可加性）具有可加性總量等于各部分分總量等于各部分分量之和量之和 ；（；（b）對于平衡熱力系而言，尺度量與）對于平衡熱力系而言，尺度量與系統(tǒng)的體積或質(zhì)量成正比。（系統(tǒng)的體積或質(zhì)量成正比。（c）平衡及非平衡）平衡及非平衡熱力系均具有確定的數(shù)值。熱力系均具有確定的數(shù)值。 n（2）強度量：強度

11、量：與系統(tǒng)中所含物質(zhì)的數(shù)量無關(guān)，與系統(tǒng)中所含物質(zhì)的數(shù)量無關(guān)，在熱力系中任一點具有確定的數(shù)值的物理量在熱力系中任一點具有確定的數(shù)值的物理量12 熱力系的描述熱力系的描述 n二二 狀態(tài)參數(shù)的特性狀態(tài)參數(shù)的特性n2 特性：特性：n（1）狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)）狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)n（2）狀態(tài)參數(shù)的變化量等于初、終狀態(tài)下該狀狀態(tài)參數(shù)的變化量等于初、終狀態(tài)下該狀態(tài)參數(shù)的差值，而與過程如何進行無關(guān)態(tài)參數(shù)的差值，而與過程如何進行無關(guān)n許多工程問題只關(guān)心結(jié)果，而不關(guān)心過程，如電許多工程問題只關(guān)心結(jié)果，而不關(guān)心過程，如電熱開水等。熱開水等。n（3）經(jīng)歷一封閉的狀態(tài)變化過程，其狀態(tài)參數(shù)）經(jīng)歷一封閉的狀態(tài)變化

12、過程，其狀態(tài)參數(shù)的變化為的變化為0n（4）狀態(tài)函數(shù)的微分是全微分。）狀態(tài)函數(shù)的微分是全微分。13 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù) n簡單可壓縮平衡系的狀態(tài)常用狀態(tài)參數(shù)比體簡單可壓縮平衡系的狀態(tài)常用狀態(tài)參數(shù)比體積積v 、壓力、壓力P 、溫度、溫度T 來描述。這些物理量都來描述。這些物理量都是可以測量的，稱為是可以測量的，稱為基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)。n一一 密度及比體積密度及比體積 n（略）（略）n二二 壓力壓力n1 定義：單位面積上所受到的垂直作用力稱定義：單位面積上所受到的垂直作用力稱為為壓力壓力(或壓強或壓強)。13 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù) n二二 壓力壓力n2 微觀解釋：氣體的壓力是氣體分子

13、運動撞微觀解釋：氣體的壓力是氣體分子運動撞擊表面，而在單位面積上所呈現(xiàn)的垂直于壁擊表面，而在單位面積上所呈現(xiàn)的垂直于壁面的平均作用力面的平均作用力n3 壓力的測量：壓力的測量：n（1）彈簧管壓力計彈簧管壓力計n（2）測量微小壓力的測量微小壓力的U形管壓力計形管壓力計13 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù) n二二 壓力壓力n4 絕對壓力、表壓力和真空度絕對壓力、表壓力和真空度n 表上所指示的壓力并非被測系統(tǒng)的真實壓力，而表上所指示的壓力并非被測系統(tǒng)的真實壓力，而是系統(tǒng)壓力與當時當?shù)卮髿鈮毫κ窍到y(tǒng)壓力與當時當?shù)卮髿鈮毫b的差值；稱為的差值；稱為表表壓力壓力，用，用 Pe表示。表示。n系統(tǒng)的真實壓力稱為系

14、統(tǒng)的真實壓力稱為絕對壓力絕對壓力，用，用 P表示。表示。n（1） PPb時時 PePPb 所以所以PPePbn（2） PPb時時 PvPbP 所以所以PPbPvn此時測量壓力的儀表叫真空計。真空計上的讀數(shù)稱此時測量壓力的儀表叫真空計。真空計上的讀數(shù)稱為為真空度真空度，用，用 Pv表示表示13 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù) n二二 壓力壓力n5 壓力的單位壓力的單位n導(dǎo)出的壓力單位，稱為帕斯卡，單位符號為導(dǎo)出的壓力單位，稱為帕斯卡，單位符號為Pa，1Pa1N/m2n工程應(yīng)用常用工程應(yīng)用常用MPa(即即106Pa)作為壓力單位。作為壓力單位。n習(xí)慣上曾用巴習(xí)慣上曾用巴(符號為符號為bar，1bar=1

15、05Pa)作為壓力單位作為壓力單位。n 在公制單位中，壓力用工程氣壓在公制單位中，壓力用工程氣壓(at)作單位：作單位：n1at=1kgf/cm2n 物理學(xué)中，把緯度物理學(xué)中，把緯度45o的海平面上的常年平均氣壓定作標準大的海平面上的常年平均氣壓定作標準大氣壓。氣壓。1標準大氣壓（標準大氣壓（1atm）在氣壓計上的水銀柱高度為）在氣壓計上的水銀柱高度為760mm13 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù) n二二 壓力壓力n6 注意：注意：n（1） 系統(tǒng)的真實壓力稱為系統(tǒng)的真實壓力稱為絕對壓力絕對壓力，用，用 P表示表示n（2） 絕對壓力和表壓力、真空度、大氣壓力的關(guān)系絕對壓力和表壓力、真空度、大氣壓力的關(guān)

16、系n（3）大氣壓力的影響）大氣壓力的影響n（4）大氣壓力視為定值，可取值為）大氣壓力視為定值，可取值為0.1MPa或或1atn（5）影響絕對壓力的因素有哪些）影響絕對壓力的因素有哪些13 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù) n三三 溫度及熱力學(xué)第零定律溫度及熱力學(xué)第零定律n1 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律n如果兩個熱力系中的每一個都與第三個系統(tǒng)處于熱平如果兩個熱力系中的每一個都與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則它們彼此也處于熱平衡。這種說法稱為衡，則它們彼此也處于熱平衡。這種說法稱為熱力學(xué)熱力學(xué)第零定律第零定律。 n2 溫度溫度n溫度是決定一系統(tǒng)是否可與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物溫度是決定一系統(tǒng)是否可與其它系統(tǒng)處于

17、熱平衡的物理量理量 13 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù) n三三 溫度及熱力學(xué)第零定律溫度及熱力學(xué)第零定律n3 溫度標尺溫度標尺n（1）溫標）溫標表示溫度高低的尺度表示溫度高低的尺度 n（2）溫度的測量：）溫度的測量：n溫度計溫度計利用測溫物質(zhì)在兩系統(tǒng)相互作用中所引起的某利用測溫物質(zhì)在兩系統(tǒng)相互作用中所引起的某種特性的變化，將被測系統(tǒng)的溫度顯示出來種特性的變化，將被測系統(tǒng)的溫度顯示出來n常用特性：常用特性：(a)溫度變化時的容積變化；溫度變化時的容積變化；(2)定體積下氣體定體積下氣體壓力隨溫度的變化；壓力隨溫度的變化；(3) 溫度變化時的電阻變化；溫度變化時的電阻變化；(4)兩種兩種不同材料的導(dǎo)線

18、在接觸點溫度不等時產(chǎn)生的熱電勢；不同材料的導(dǎo)線在接觸點溫度不等時產(chǎn)生的熱電勢；(5)輻輻射強度隨溫度的變化射強度隨溫度的變化(用于高溫測量用于高溫測量)；(6)磁效應(yīng)磁效應(yīng)(用于極低用于極低溫度測量溫度測量)；等等。；等等。13 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù) n三三 溫度及熱力學(xué)第零定律溫度及熱力學(xué)第零定律n4 經(jīng)驗溫標經(jīng)驗溫標na 確定溫標的基準點確定溫標的基準點 b 確定分度的方法確定分度的方法n（1）攝氏溫標）攝氏溫標 n（2）華氏溫標）華氏溫標 n（3）理想氣體溫標）理想氣體溫標n選定任意一種測溫物質(zhì)的某種特性，采用任意一選定任意一種測溫物質(zhì)的某種特性，采用任意一種溫度標定規(guī)則所得到的溫標

19、稱為種溫度標定規(guī)則所得到的溫標稱為經(jīng)驗溫標經(jīng)驗溫標 13 基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù) n三三 溫度及熱力學(xué)第零定律溫度及熱力學(xué)第零定律n5 熱力學(xué)絕對溫標熱力學(xué)絕對溫標n熱力學(xué)理論提供了建立一種新的溫標的可能性。熱力學(xué)理論提供了建立一種新的溫標的可能性。這種溫標將擺脫測溫物質(zhì)物理性質(zhì)的影響而成為這種溫標將擺脫測溫物質(zhì)物理性質(zhì)的影響而成為度量物體溫度的共同標準。這種溫標稱為度量物體溫度的共同標準。這種溫標稱為熱力學(xué)熱力學(xué)絕對溫標絕對溫標。n熱力學(xué)絕對溫標采用熱力學(xué)絕對溫標采用“開開爾文爾文”作為度量溫度的作為度量溫度的單位，單位符號為單位，單位符號為K(開開)。1開爾文為水三相點的開爾文為水三相點

20、的熱力學(xué)溫度的熱力學(xué)溫度的 1/273.1614狀態(tài)方程式，狀態(tài)參數(shù)坐標圖狀態(tài)方程式，狀態(tài)參數(shù)坐標圖 n一一 狀態(tài)公理狀態(tài)公理n對于組成一定的閉系的給定平衡狀態(tài)而言，可用對于組成一定的閉系的給定平衡狀態(tài)而言，可用n + 1個獨立的狀態(tài)參數(shù)來限定它。這里個獨立的狀態(tài)參數(shù)來限定它。這里n 是系統(tǒng)可是系統(tǒng)可能出現(xiàn)的準靜功形式的數(shù)目，能出現(xiàn)的準靜功形式的數(shù)目，1 是考慮系統(tǒng)與外是考慮系統(tǒng)與外界的熱交換。界的熱交換。n決定簡單可壓縮系統(tǒng)平衡狀態(tài)的獨立狀態(tài)參數(shù)只決定簡單可壓縮系統(tǒng)平衡狀態(tài)的獨立狀態(tài)參數(shù)只有有n 十十11十十1= 2個個 14狀態(tài)方程式，狀態(tài)參數(shù)坐標圖狀態(tài)方程式，狀態(tài)參數(shù)坐標圖 n二二 純物

21、質(zhì)的狀態(tài)方程式純物質(zhì)的狀態(tài)方程式 n1 純物質(zhì)：組成同一，化學(xué)結(jié)構(gòu)處處一致純物質(zhì)：組成同一，化學(xué)結(jié)構(gòu)處處一致n2 純物質(zhì)的狀態(tài)方程式純物質(zhì)的狀態(tài)方程式n 純物質(zhì)構(gòu)成的簡單熱力系，其獨立的狀態(tài)參數(shù)只純物質(zhì)構(gòu)成的簡單熱力系，其獨立的狀態(tài)參數(shù)只有兩個有兩個nF （ p、v、T ） 0n反映了物質(zhì)基本狀態(tài)參數(shù)反映了物質(zhì)基本狀態(tài)參數(shù)p、v、T 間的函數(shù)關(guān)系，間的函數(shù)關(guān)系，稱為稱為物質(zhì)的狀態(tài)方程式物質(zhì)的狀態(tài)方程式。14狀態(tài)方程式，狀態(tài)參數(shù)坐標圖狀態(tài)方程式，狀態(tài)參數(shù)坐標圖 n三三 狀態(tài)參數(shù)坐標圖狀態(tài)參數(shù)坐標圖n由熱力狀態(tài)參數(shù)所組成的坐標系稱為由熱力狀態(tài)參數(shù)所組成的坐標系稱為熱力狀態(tài)坐熱力狀態(tài)坐標系標系，如，如Pv 系，系，TP系等等系等等n特別注意特別注意：n只有平衡狀態(tài)才能在狀態(tài)坐標圖上用點來表示，只有平衡狀態(tài)才能在狀態(tài)坐標圖上用點來表示，不平衡狀態(tài)由于沒有確定的熱力狀態(tài)參數(shù)，無法不平衡狀態(tài)由于沒有確定的熱力狀態(tài)參數(shù)，無法在圖上表示在圖上表示15 熱力過程及熱力循環(huán)熱力過程及熱力循環(huán) n一一 熱力過程熱力過程n1 熱力過程：熱力過程：n熱力系狀態(tài)連續(xù)變化的過程叫做熱力系狀態(tài)連續(xù)變化的過程叫做熱力學(xué)過程熱力學(xué)過程，簡，簡稱稱熱力過程熱力過程 n2 不平衡過程不平衡過程n系統(tǒng)經(jīng)歷的是一系列不平衡狀態(tài)。這樣的過程稱系統(tǒng)經(jīng)歷的是一系列不平衡狀態(tài)。這樣的過程稱為為不平衡過程不平衡過程。15 熱力