第一章 基本概念(A)

第一章基本概念

(BasicConcepts)本章重點(diǎn)熱力系統(tǒng)工質(zhì)狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)p,v,T平衡狀態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，可逆過(guò)程狀態(tài)方程與坐標(biāo)圖功和熱量熱力循環(huán)：正循環(huán)和逆循環(huán)。§1-1

熱力系統(tǒng)

(ThermodynamicSystem)熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng))：將所要研究的對(duì)象與周圍環(huán)境分隔出來(lái)，這種人為分隔出來(lái)的研究對(duì)象，稱為~。這種研究對(duì)象指特定物質(zhì)或空間。外界（

Surroundings

）：熱力系以外的所有物質(zhì)。1、熱力系統(tǒng)、外界、邊界邊界(界面)（

Boundary）：熱力系統(tǒng)與外界分開(kāi)的界面。系統(tǒng)與外界的作用都通過(guò)邊界ClosedsystemOpensystem熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋爐boiler汽輪機(jī)(turbine)發(fā)電機(jī)(generator)給水泵(pump)凝汽器(condenser)過(guò)熱器(reheater)只交換功只交換熱既交換功也交換熱熱力系的選取完全是按照人為的目的進(jìn)行的。2、邊界特性真實(shí)、虛構(gòu)固定、活動(dòng)（CharacteristicsofBoundary）3、熱力系統(tǒng)分類⑴以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：

有

無(wú)是否傳質(zhì)

開(kāi)口系閉口系是否傳熱非絕熱系絕熱系是否傳功非絕功系絕功系是否傳熱、功、質(zhì)非孤立系孤立系（Typesofsystems）1234mQW1

開(kāi)口系

熱力系統(tǒng)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⑵熱力系統(tǒng)其它分類方式

其它分類方式

物理化學(xué)性質(zhì)

均勻系

非均勻系工質(zhì)種類多元系單元系相態(tài)多相單相§1-2工質(zhì)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)1、狀態(tài)定義：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況2、狀態(tài)參數(shù)定義：描述熱力系狀態(tài)的物理量，如p，v，T，u，

h，

s等。3、狀態(tài)參數(shù)的特征：⑴狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然⑵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(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)⑶狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分StateandStatePropertiesofworkingmedium狀態(tài)參數(shù)的積分特征

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

2ab例：溫度變化狀態(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)4、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(wú)關(guān)的參數(shù)如壓力

p、溫度T、比體積v，密度廣延參數(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)：比容比熱力學(xué)能比焓比熵單位：/kg

具有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)§1-3基本狀態(tài)參數(shù)壓力

p、溫度

T、比容v

（容易測(cè)量）1、壓力p(Pressure)⑴

物理中壓強(qiáng)，單位:Pa,N/m2⑵常用單位：

1bar=105Pa

1MPa=106Pa

1atm=760mmHg=1.013105

Pa

1mmHg=133.3Pa1at=735.6mmHg=9.80665104

Pa(BasicStateProperties)⑷壓力p測(cè)量示意圖一般是工質(zhì)絕對(duì)壓力與環(huán)境壓力的相對(duì)值

——相對(duì)壓力注意：只有絕對(duì)壓力p才是狀態(tài)參數(shù)⑶絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力

Absolutepressureandrelativepressure

示意圖當(dāng)

p>pb表壓力

pe當(dāng)

p<pb真空度

pvpbpeppvpVacuumpressureGagepressure⑷環(huán)境壓力與大氣壓力

EnvironmentalpressureandAtmospheric(barometric

)pressure環(huán)境壓力指壓力表所處環(huán)境注意：環(huán)境壓力一般為大氣壓，但不一定。見(jiàn)例題1－1大氣壓隨時(shí)間、地點(diǎn)變化。物理大氣壓

1atm=760mmHg當(dāng)h變化不大，ρ常數(shù)1mmHg=ρgh=133.322Pa當(dāng)h變化大，ρρ(h)

(Pa)例1:已知當(dāng)?shù)卮髿鈮毫b,及壓力表1、2的讀數(shù)分別為pg1，pg2。求pg3？

解：⑴壓力表1測(cè)得的是A室的相對(duì)壓力，故

⑵壓力表2測(cè)得的也是A室的相對(duì)壓力，但它處在B室環(huán)境中，故⑶壓力表3測(cè)得的是B室的相對(duì)壓力，故⑸其它壓力測(cè)量方法高精度測(cè)量：活塞式壓力計(jì)工業(yè)或一般科研測(cè)量：壓力傳感器活塞式壓力計(jì)壓力傳感器2、溫度Temperature

⑴定義：是描述熱力平衡系統(tǒng)冷熱狀況的物理量。從微觀上，溫度是標(biāo)志物質(zhì)內(nèi)部大量分子熱運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈程度的物理量。

溫度是確定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量。⑵溫度的測(cè)量溫度計(jì)物質(zhì)（水銀，鉑電阻，熱電偶，光纖）特性（體積膨脹，阻值，溫差效應(yīng)，光導(dǎo)纖維）基準(zhǔn)點(diǎn)刻度溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示法(利用部分物質(zhì)吸收的光譜隨溫度變化而變化的原理)

熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際攝氏溫標(biāo)

KelvinscaleandCelsiusscale華氏溫標(biāo)Fahrenheitscale

和攝氏溫標(biāo)3、比容v

(Specificvolume

)［m3/kg]工質(zhì)聚集的疏密程度物理上常用密度

［kg/m3]§1-4平衡狀態(tài)1、定義：

在不受外界影響的條件下（重力場(chǎng)除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

溫差

—

熱不平衡勢(shì)

壓差

—力不平衡勢(shì)

化學(xué)反應(yīng)

—化學(xué)不平衡勢(shì)2、平衡的充要條件：系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界之間不存在不平衡勢(shì)EquilibriumState穩(wěn)定：參數(shù)不隨時(shí)間變化，但可能有外界作用。穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定例如，教室內(nèi)與教室外3、平衡Equilibrium與穩(wěn)定Steady平衡Equilibrium與穩(wěn)定Steady穩(wěn)定：參數(shù)不隨時(shí)間變化穩(wěn)定但存在不平衡勢(shì)差去掉外界影響，則狀態(tài)變化若以（熱源+銅棒+冷源+環(huán)境）為系統(tǒng)，又如何？穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定4、平衡與均勻Even的比較平衡：時(shí)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5、為什么引入平衡概念？

如果系統(tǒng)平衡，可用一組確定的參數(shù)（壓力、溫度）描述§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(duì)組元一定的閉口系，獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)個(gè)數(shù)

N=n+1想確切描述某個(gè)熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？1、狀態(tài)公理

（TheStatePostulate）

獨(dú)立參數(shù)數(shù)目N

=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、表面張力功等簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)：N=n+1=2絕熱簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)

N=?對(duì)不可壓縮系統(tǒng)

N=?基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關(guān)系2、狀態(tài)方程（EquationofState）

⑴狀態(tài)方程的一般形式理想氣體的狀態(tài)方程實(shí)際工質(zhì)的狀態(tài)方程？？？⑵狀態(tài)方程的具體形式

取決于工質(zhì)的性質(zhì)范德瓦爾方程、伯特洛方程等。3、坐標(biāo)圖（CoordinateDiagram）簡(jiǎn)單可壓縮系N=2，平面坐標(biāo)圖pv⑴系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標(biāo)圖上說(shuō)明：⑵過(guò)程線中任意一點(diǎn)為平衡態(tài)⑶不平衡態(tài)無(wú)法在圖上用實(shí)線表示常見(jiàn):p-v圖和T-s圖21§1-6準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程、可逆過(guò)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(wú)法簡(jiǎn)單描述⑴熱力學(xué)引入準(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)平衡）過(guò)程？1、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程（Quasi-staticorQuasi-equilibriumprocess）p1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0pv12..⑵定義p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0假如重物有無(wú)限多層每次只去掉無(wú)限薄一層pv12...系統(tǒng)隨時(shí)接近于平衡態(tài)⑶準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)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(wèn)：理論上準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)無(wú)限緩慢，工程上怎樣處理？定義：由一系列無(wú)限接近平衡態(tài)的狀態(tài)所組成的熱力過(guò)程稱為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程或準(zhǔn)平衡過(guò)程。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的工程條件破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）>>有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程例如：氣缸活塞系統(tǒng)，氣體分子運(yùn)動(dòng)的速度極大。在0℃時(shí)，H2的均方根平移運(yùn)動(dòng)速度達(dá)1828m/s,N2分子達(dá)493m/s，O2分子達(dá)461m/s.氣體內(nèi)部的壓力傳播速度也很大，通常達(dá)每秒幾百米。而活塞移動(dòng)的速度通常不足10m/s。因此氣體在氣缸內(nèi)部的體積變化過(guò)程中有足夠的時(shí)間來(lái)恢復(fù)平衡，所以氣缸內(nèi)的氣體的狀態(tài)變化過(guò)程是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。工程中的許多熱力過(guò)程，雖然憑人們的主觀標(biāo)準(zhǔn)看似乎很迅速，但從熱力學(xué)的時(shí)間標(biāo)尺來(lái)衡量，過(guò)程的變化還是比較慢的，并不會(huì)出現(xiàn)明顯的偏離平衡態(tài)，可以當(dāng)作實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程來(lái)處理。2、可逆過(guò)程（Reversibleprocess）

系統(tǒng)經(jīng)歷某一過(guò)程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過(guò)程為可逆過(guò)程。注意：可逆過(guò)程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過(guò)程。⑴定義

若假想機(jī)器內(nèi)部沒(méi)有摩擦，工質(zhì)內(nèi)部也沒(méi)有摩阻。工質(zhì)膨脹對(duì)外所作的功全部用來(lái)推動(dòng)飛輪，以動(dòng)能的形式全部?jī)?chǔ)存在飛輪中。當(dāng)活塞逆行時(shí)，飛輪中儲(chǔ)存的能量逐漸釋放出來(lái)用于推動(dòng)活塞沿工質(zhì)原過(guò)程線逆向進(jìn)行一個(gè)壓縮過(guò)程。由于機(jī)器及工質(zhì)沒(méi)有任何耗散損失，過(guò)程終了將使工質(zhì)及機(jī)器都回復(fù)到各自的初始狀態(tài)。故是可逆過(guò)程。（2）可逆過(guò)程的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程+無(wú)耗散效應(yīng)=可逆過(guò)程無(wú)不平衡勢(shì)差或勢(shì)差無(wú)限小通過(guò)摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變形，磁阻等）

不平衡勢(shì)差

不可逆根源

耗散效應(yīng)

耗散效應(yīng)⑶引入可逆過(guò)程的意義準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的理想化過(guò)程，但并非最優(yōu)過(guò)程，可逆過(guò)程是最優(yōu)過(guò)程。可逆過(guò)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(guò)程不是可逆過(guò)程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過(guò)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。Heattransfer常見(jiàn)的不可逆過(guò)程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節(jié)流過(guò)程

(閥門）p1p2p1>p2FrequentlyencounteredirreversibilitiesThrottler常見(jiàn)的不可逆過(guò)程混合過(guò)程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★自由膨脹真空????????????FrequentlyencounteredirreversibilitiesUnrestrainedexpansionMixingprocesselectricresistance（電阻）

inelasticdeformationofsolid（固體的塑性變形）chemicalreactions（化學(xué)反應(yīng)）§1-7功量

(Work)⑴力學(xué)定義:

力在力方向上的位移⑵熱力學(xué)定義

1、定義指熱力系通過(guò)邊界和外界進(jìn)行的機(jī)械能的交換量。J，J/kg例：火力發(fā)電裝置鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過(guò)熱器2、功的表達(dá)式⑴功的一般表達(dá)式⑵熱力學(xué)最常見(jiàn)的功容積變化功：膨脹功或壓縮功。其他形式的功：拉伸功，表面張力功，電功等3、示功圖(indicatorp-Vdiagram)pV.12.pp外21mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdvWWdVp微元可逆過(guò)程:有限可逆過(guò)程:W=pdV§1-8熱量與熵1、熱量定義：

熱力系通過(guò)邊界與外界的交換的能量中，除了功的部分（不確切）。

另一定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫差的推動(dòng)下，以微觀無(wú)序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。

HeatandEntropy熱量如何表達(dá)？熱量是否可以用類似于功的式子表示？？引入“熵”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(guò)程量過(guò)程量推動(dòng)力

壓力

p

溫度T標(biāo)志

dV,dv

dS

,ds公式條件

準(zhǔn)靜態(tài)或可逆

可逆2、熵（Entropy）的定義reversible熵的簡(jiǎn)單引入比參數(shù)

[kJ/kg.K]ds:可逆過(guò)程qrev除以傳熱時(shí)的T所得的商

清華大學(xué)劉仙洲教授命名為“熵”廣延參數(shù)

[kJ/K]⑴定義⑵熵的說(shuō)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(guò)程傳熱的大小與方向②符號(hào)規(guī)定系統(tǒng)吸熱時(shí)為正

Q>0dS

>0系統(tǒng)放熱時(shí)為負(fù)

Q<0dS

<0④用途：判斷熱量方向計(jì)算可逆過(guò)程的傳熱量⑶示功圖與溫熵圖(示熱圖)pVWTSQ

示功圖溫熵(示熱)圖§1-9熱力循環(huán)

（ThermodynamicCyc