基本概念及定義

基本概念及定義第一頁，共九十頁，2022年，8月28日目錄1.1熱力系統(tǒng)1.2狀態(tài)和狀態(tài)數(shù)1.3強(qiáng)度參數(shù)和廣延參數(shù)1.4平衡態(tài)1.5狀態(tài)方程和坐標(biāo)圖1.6準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程1.7功1.8熱量與熵1.9循環(huán)第二頁，共九十頁，2022年，8月28日定義：由某種邊界包圍，被取作研究對象的特定的物質(zhì)或空間（人為的）分類：閉口系統(tǒng)（與外界無物質(zhì)交換）

開口系統(tǒng)（與外界有物質(zhì)交換）

絕熱系統(tǒng)（與外界無熱量交換）

簡單可壓縮系統(tǒng)（與外界交換只有體積變化功）1.1熱力系統(tǒng)第三頁，共九十頁，2022年，8月28日1234mQW1

開口系非孤立系＋相關(guān)外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4孤立系第四頁，共九十頁，2022年，8月28日熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器只交換功只交換熱既交換功也交換熱第五頁，共九十頁，2022年，8月28日

定義：外界：系統(tǒng)以外所有的物（surroundings

）

邊界：系統(tǒng)與外界的分界面（boundary

）外界與邊界系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界第六頁，共九十頁，2022年，8月28日邊界特性真實(shí)、虛構(gòu)固定、活動第七頁，共九十頁，2022年，8月28日1.2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量狀態(tài)參數(shù)的特征：1、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然2、狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分第八頁，共九十頁，2022年，8月28日狀態(tài)參數(shù)的積分特征

狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。數(shù)學(xué)上：點(diǎn)函數(shù)1

2ab例：溫度變化山高度變化第九頁，共九十頁，2022年，8月28日狀態(tài)參數(shù)的微分特征設(shè)z=z(x,y)dz是全微分充要條件：可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)第十頁，共九十頁，2022年，8月28日1.3強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)：

與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)，如壓力p、溫度T廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性，如

質(zhì)量m、容積

V、內(nèi)能

U、焓

H、熵S比參數(shù)：比容比內(nèi)能比焓比熵單位：/kg、/kmol具有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)第十一頁，共九十頁，2022年，8月28日速度動能高度位能內(nèi)能溫度應(yīng)力摩爾數(shù)（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（廣）（廣）（廣）（廣）VelocityKineticEnergyHeightPotentialEnergyTemperatureInternalEnergyStressMol第十二頁，共九十頁，2022年，8月28日基本狀態(tài)參數(shù)壓力

p、溫度T、比容v

（容易測量）1、壓力

p

(pressure)

物理中壓強(qiáng)，單位:Pa，N/m2常用單位Units：

1kPa=103Pa1bar=105Pa

1MPa=106Pa

1atm=760mmHg=1.013105

Pa

1mmHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665104

Pa第十三頁，共九十頁，2022年，8月28日壓力p測量絕對壓力與環(huán)境壓力的相對值

——相對壓力注意：只有絕對壓力

p

才是狀態(tài)參數(shù)第十四頁，共九十頁，2022年，8月28日絕對壓力與相對壓力當(dāng)p>pb表壓力pe當(dāng)p<pb真空度pvpbpeppvp第十五頁，共九十頁，2022年，8月28日2、溫度

T傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。微觀：衡量分子平均動能的量度

T0.5mw21)同T,0.5mw2不同，如碳固體和碳蒸氣2)0.5mw2總0,T0,1951年核磁共振法對氟化鋰晶體的實(shí)驗發(fā)現(xiàn)負(fù)的開爾文溫度3)T=00.5mw

2=0分子一切運(yùn)動停止，零點(diǎn)能第十六頁，共九十頁，2022年，8月28日溫度的熱力學(xué)定義熱力學(xué)第零定律（R.W.Fowlerin1931）

如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。溫度測量的理論基礎(chǔ)B溫度計

溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量第十七頁，共九十頁，2022年，8月28日

處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量溫度。

溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量。第十八頁，共九十頁，2022年，8月28日熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對溫標(biāo)）Kelvinscale

（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）攝氏溫標(biāo)Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）華氏溫標(biāo)Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)朗肯溫標(biāo)Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)第十九頁，共九十頁，2022年，8月28日常用溫標(biāo)之間的關(guān)系絕對K攝氏℃

華氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點(diǎn)水三相點(diǎn)鹽水熔點(diǎn)發(fā)燒水沸點(diǎn)559.67第二十頁，共九十頁，2022年，8月28日溫標(biāo)的換算第二十一頁，共九十頁，2022年，8月28日3、比容

v工質(zhì)聚集的疏密程度物理上常用密度density[kg/m3]第二十二頁，共九十頁，2022年，8月28日1.4平衡態(tài)定義：在不受外界影響下（重力場除外），熱力系統(tǒng)客觀性質(zhì)不隨時間改變的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)條件：力平衡（無壓差△P→0）熱平衡（無溫差△T→0）第二十三頁，共九十頁，2022年，8月28日平衡Equilibrium與穩(wěn)定Steady穩(wěn)定：參數(shù)不隨時間變化穩(wěn)定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態(tài)變化若以（熱源+銅棒+冷源）為系統(tǒng)，又如何？穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定第二十四頁，共九十頁，2022年，8月28日平衡Equilibrium與均勻Even平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的第二十五頁，共九十頁，2022年，8月28日為什么引入平衡概念？

如果系統(tǒng)平衡，可用一組確切的參數(shù)（壓力、溫度）描述但平衡狀態(tài)是死態(tài)，沒有能量交換能量交換狀態(tài)變化破壞平衡如何描述？第二十六頁，共九十頁，2022年，8月28日1.5狀態(tài)方程、坐標(biāo)圖平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài)狀態(tài)公理：對組元一定的閉口系，獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)個數(shù)

N=n+1想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？第二十七頁，共九十頁，2022年，8月28日狀態(tài)公理閉口系：而不平衡勢差彼此獨(dú)立獨(dú)立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢差數(shù)=能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目

=各種功的方式+熱量=n+1n

容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等不平衡勢差

狀態(tài)變化

能量傳遞消除一種

達(dá)到某一

消除一種能量不平衡勢差方面平衡傳遞方式第二十八頁，共九十頁，2022年，8月28日簡單可壓縮系統(tǒng)的獨(dú)立變量數(shù)簡單可壓縮系統(tǒng)：N=n+1=2只交換熱量和一種準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功壓縮功、膨脹功第二十九頁，共九十頁，2022年，8月28日狀態(tài)方程簡單可壓縮系統(tǒng)：N=2

狀態(tài)方程

基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關(guān)系第三十頁，共九十頁，2022年，8月28日例：R134a的維里型狀態(tài)方程第三十一頁，共九十頁，2022年，8月28日座標(biāo)圖簡單可壓縮系統(tǒng)N=2，平面坐標(biāo)圖pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標(biāo)圖上說明：2）過程線中任意一點(diǎn)為平衡態(tài)3）不平衡態(tài)無法在圖上用實(shí)線表示21第三十二頁，共九十頁，2022年，8月28日回顧1.1熱力系統(tǒng)1.2狀態(tài)和狀態(tài)數(shù)1.3強(qiáng)度參數(shù)和廣延參數(shù)1.4平衡態(tài)1.5狀態(tài)方程和坐標(biāo)圖第三十三頁，共九十頁，2022年，8月28日1.6準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)無法簡單描述熱力學(xué)引入準(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)平衡）過程第三十四頁，共九十頁，2022年，8月28日一般過程Processp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0pv12..第三十五頁，共九十頁，2022年，8月28日準(zhǔn)靜態(tài)過程Quasi-staticprocessp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0假如重物有無限多層每次只去掉無限薄一層pv12...系統(tǒng)隨時接近于平衡態(tài)第三十六頁，共九十頁，2022年，8月28日準(zhǔn)靜態(tài)過程有實(shí)際意義嗎？既是平衡，又是變化既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換疑問：理論上準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)無限緩慢，工程上怎樣處理？第三十七頁，共九十頁，2022年，8月28日準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程條件破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）>>有足夠時間恢復(fù)新平衡準(zhǔn)靜態(tài)過程第三十八頁，共九十頁，2022年，8月28日準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程應(yīng)用例：活塞式內(nèi)燃機(jī)2000轉(zhuǎn)/分，曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運(yùn)動速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350m/s破壞平衡所需時間（外部作用時間）>>恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）一般的工程過程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程具體工程問題具體分析。“突然”“緩慢”第三十九頁，共九十頁，2022年，8月28日準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功pp外f初始：pA

=p外A

+fA如果p外微小，可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程dl以汽缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變化對外界作的功W=pAdl=pdV1kg工質(zhì)w=pdvdl很小，近似認(rèn)為p不變第四十頁，共九十頁，2022年，8月28日準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功pp外2mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdv1注意：上式僅適用于準(zhǔn)靜態(tài)過程第四十一頁，共九十頁，2022年，8月28日示功圖(p-V圖)pV.12.pp外21mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdvW第四十二頁，共九十頁，2022年，8月28日pV.12.2）p-V圖上用面積表示3）功的大小與路徑有關(guān)，

過程量4）統(tǒng)一規(guī)定：dV>0，膨脹對外作功（正）

dV<0，壓縮外內(nèi)作功（負(fù)）5）適于準(zhǔn)靜態(tài)下的任何工質(zhì)（一般為流體）6）外力無限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)7）有無f，只影響外界得到功的大小1）單位為[kJ]或[kJ/kg]說明第四十三頁，共九十頁，2022年，8月28日摩擦損失的影響若有f存在，就存在損失pp外21系統(tǒng)對外作功W，外界得到的功W’<W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功W’’<W’則外界、活塞、系統(tǒng)不能同時恢復(fù)原態(tài)。第四十四頁，共九十頁，2022年，8月28日摩擦損失的影響若f＝0pp外21系統(tǒng)對外作功W，外界得到的功W’＝W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)則外界、活塞、系統(tǒng)同時恢復(fù)原態(tài)。第四十五頁，共九十頁，2022年，8月28日可逆過程可逆過程定義：當(dāng)系統(tǒng)完成某一過程后，如能使過程逆行，而使系統(tǒng)和外界回復(fù)原始狀態(tài)，不遺留任何變化。實(shí)現(xiàn)可逆過程的條件：無耗散效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)過程是可逆過程實(shí)現(xiàn)的充要條件。注意可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過程。第四十六頁，共九十頁，2022年，8月28日可逆過程的膨脹功：W=∫pdV

可逆過程的熱量傳遞：Q=∫TdS

第四十七頁，共九十頁，2022年，8月28日可逆過程的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)=可逆過程不平衡勢差無限小通過摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢差

不可逆根源

耗散效應(yīng)

耗散效應(yīng)第四十八頁，共九十頁，2022年，8月28日Heattransfer常見的不可逆過程1.不等溫傳熱T1T2T1>T2Q第四十九頁，共九十頁，2022年，8月28日2.節(jié)流過程

(閥門）p1p2p1>p2Throttler第五十頁，共九十頁，2022年，8月28日4.混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★3.自由膨脹真空????????????UnrestrainedexpansionMixingprocess第五十一頁，共九十頁，2022年，8月28日完全可逆、內(nèi)可逆與外可逆

完全可逆

可逆內(nèi)部可逆，外部不可逆常見90℃0℃例：內(nèi)可逆外不可逆外部可逆，內(nèi)部不可逆第五十二頁，共九十頁，2022年，8月28日引入可逆過程的意義準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)際過程的理想化過程，但并非最優(yōu)過程，可逆過程是最優(yōu)過程?？赡孢^程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。實(shí)際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過程）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正。第五十三頁，共九十頁，2022年，8月28日判斷下列過程是否是可逆過程？1.對剛性容器內(nèi)的水加熱，使其在恒溫下蒸發(fā)2.對剛性容器內(nèi)的水做功，使其在恒溫下蒸發(fā)3.對剛性容器內(nèi)的空氣緩慢加熱，使其從50度升高至150度第五十四頁，共九十頁，2022年，8月28日1.7功量Work1、力學(xué)定義:力×在力方向上的位移2、熱力學(xué)定義Ⅰ熱力學(xué)定義II第五十五頁，共九十頁，2022年，8月28日功的力學(xué)定義鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器力在力方向上的位移第五十六頁，共九十頁，2022年，8月28日功的熱力學(xué)定義I

當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時，如果對外界的唯一效果可歸結(jié)為取起重物，此即為熱力系對外作功。第五十七頁，共九十頁，2022年，8月28日功的熱力學(xué)定義II

功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，(在力的推動下，通過有序運(yùn)動方式傳遞的能量)是熱力學(xué)系統(tǒng)通過邊界與外界傳遞的能量。

Workisanenergyinteractionbetweenasystemanditssurroundings,iftheenergycrossingtheboundaryofaclosedsystemisnotheat,itmustbework.第五十八頁，共九十頁，2022年，8月28日功的表達(dá)式功的一般表達(dá)式熱力學(xué)最常見的功容積變化功

其他準(zhǔn)靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等第五十九頁，共九十頁，2022年，8月28日靈活處理功的計算充氣球若準(zhǔn)靜態(tài)過程若取進(jìn)入氣球的氣體為系統(tǒng)但pV的關(guān)系不知？若看外部效果，pb不變外界得到功pbV=氣體作功第六十頁，共九十頁，2022年，8月28日1.8熱量與熵

熱量定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度差的推動下，以微觀無序運(yùn)動方式傳遞的能量。熱量是否可以用類似于功的式子表示？？引入“熵”第六十一頁，共九十頁，2022年，8月28日熱量與容積變化功能量傳遞方式容積變化功傳熱量性質(zhì)過程量過程量推動力壓力p

溫度T標(biāo)志

dV,dvdS,ds公式條件準(zhǔn)靜態(tài)或可逆可逆第六十二頁，共九十頁，2022年，8月28日熵（Entropy）的定義：比參數(shù)[kJ/kg.K]ds:

可逆過程

qrev除以傳熱時的T所得的商

廣延量[kJ/K]reversible第六十三頁，共九十頁，2022年，8月28日熵的說明1、熵是狀態(tài)參數(shù)

3、熵的物理意義：熵體現(xiàn)了可逆過程傳熱的大小與方向2、符號規(guī)定系統(tǒng)吸熱時為正

δQ>0dS>0系統(tǒng)放熱時為負(fù)

δQ<0dS<04、用途：判斷熱量方向計算可逆過程的傳熱量第六十四頁，共九十頁，2022年，8月28日P-V圖與T-S圖pVWTSQ

P-V圖T-S圖第六十五頁，共九十頁，2022年，8月28日4.9循環(huán)定義：工質(zhì)經(jīng)若干過程后又回到原來的狀態(tài)，此一系列過程稱為熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。分類：正循環(huán)狀態(tài)圖上沿順時針方向進(jìn)行，消耗熱，獲得功；

逆循環(huán)狀態(tài)圖上沿逆時針方向進(jìn)行，消耗功，獲得熱；

可逆循環(huán)由一系列可逆過程組成的循環(huán)；

不可逆循環(huán)含有不可逆過程的循環(huán)。第六十六頁，共九十頁，2022年，8月28日正循環(huán)p21V循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)：熱效率ηt=W/Q1凈效應(yīng)：對外作功凈效應(yīng)：吸熱第六十七頁，共九十頁，2022年，8月28日循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)：制冷裝置制冷系數(shù)

ε=Q2/W

熱泵裝置供熱系數(shù)ε'=Q1/W

21Vp逆循環(huán)凈效應(yīng)：對內(nèi)作功凈效應(yīng)：放熱第六十八頁，共九十頁，2022年，8月28日第一章小結(jié)Summary基本概念：熱力系平衡態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)、可逆過程量、狀態(tài)量、狀態(tài)參數(shù)功量、熱量、熵

p-V圖、T-S圖循環(huán)、評價指標(biāo)第六十九頁，共九十頁，2022年，8月28日

熱力系種類：閉口系、開口系、絕熱系、孤立系熱力系的選取取決于研究目的和方法，具有隨意性，選取不當(dāng)將不便于分析。一旦取定系統(tǒng)，沿邊界尋找相互作用。第七十頁，共九十頁，2022年，8月28日狀態(tài)參數(shù)的特征：1、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然2、狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分

狀態(tài)、狀態(tài)參數(shù)、過程量過程量的特征：1.過程量與路徑有關(guān)第七十一頁，共九十頁，2022年，8月28日可逆過程=準(zhǔn)靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)

平衡狀態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程平衡狀態(tài)=無不平衡勢差（可用一組參數(shù)描述）準(zhǔn)靜態(tài)過程=不平衡勢差無限小第七十二頁，共九十頁，2022年，8月28日1.統(tǒng)一規(guī)定：dV>0，膨脹對外作功為正

dV<0，壓縮外內(nèi)作功為負(fù)

δQ>0，系統(tǒng)吸熱為正

δQ<0，系統(tǒng)放熱為負(fù)2.計算公式：

功與熱量（過程量）

適用條件準(zhǔn)靜態(tài)或可逆可逆第七十三頁，共九十頁，2022年，8月28日P-V圖與T-S圖pVWTSQ

P-V圖T-S圖第七十四頁，共九十頁，2022年，8月28日

循環(huán)及其評價指標(biāo)p21V循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)：熱效率ηt=W/Q1凈效應(yīng)：對外作功、吸熱正循環(huán)第七十五頁，共九十頁，2022年，8月28日循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)：制冷裝置制冷系數(shù)

ε=Q2/W

熱泵裝置供熱系數(shù)ε'=Q1/W

21Vp凈效應(yīng)：對內(nèi)作功、放熱逆循環(huán)第七十六頁，共九十頁，2022年，8月28日例題第七十七頁，共九十頁，2022年，8月28日例1：絕熱剛性容器向氣缸充氣試分別選取閉口系和開口系，畫出充氣前后邊界，標(biāo)明功和熱的方向。第七十八頁，共九十頁，2022年，8月28日(1)以容器內(nèi)原有氣體為系統(tǒng)閉口系功量：氣體對活塞作功WWQ熱