熱力學基本概念

熱力學基本概念第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.1.1

熱力學系統(tǒng)的定義系

統(tǒng)(System)：

作為熱力學研究對象的物質(zhì)或空間被稱為熱力學系統(tǒng)，簡稱熱力系。邊

界(Boundary)：將系統(tǒng)從其周圍環(huán)境中分離出來的，真實的或是假想的表面稱為邊界。環(huán)境(Surrounding)：又稱為外界，熱力系邊界以外的任何物質(zhì)與空間均稱為環(huán)境。1.1

熱力學系統(tǒng)第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三熱力系的邊界可以是真實的也可以是假想的；可以是固定的也可以是可變的第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三封閉熱力系(Closedsystem):

1.1.2熱力系的分類與外界僅有能量交換而無物質(zhì)交換的熱力系，也稱為閉口系。

(因熱力系內(nèi)部質(zhì)量不變又被稱為控制質(zhì)量

ControlMass)第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三開口熱力系（Openedsystem）:

和外界既有能量交換又有物質(zhì)交換的熱力系(也稱為控制體積controlvolume)第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三孤立熱力系:

與外界既無能量交換也無物質(zhì)交換的熱力系

宇宙第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.2狀態(tài)與平衡1.2.1狀態(tài)

某一時刻熱力系所有宏觀特性量的集合叫做狀態(tài)1.2.2

狀態(tài)的分類:

平衡態(tài):

系統(tǒng)中任何一部份的特性完全相同。

系統(tǒng)中任何一部份的特性不隨時間變化。非平衡態(tài):第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.2.3

平衡的條件熱平衡力平衡化學平衡相平衡第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.3系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)1.3.1

定義從某一角度描述系統(tǒng)熱力學狀態(tài)的宏觀特性量稱為狀態(tài)參數(shù)1.3.2狀態(tài)參數(shù)的特征只與狀態(tài)一一對應(yīng)，而與狀態(tài)變化時所經(jīng)歷的中間過程無關(guān)用數(shù)學描述，即為：∮dx=0第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.3.3

狀態(tài)參數(shù)的分類強度參數(shù)：

與熱力系的質(zhì)量或尺度無關(guān)且不可相加的參數(shù)，如：溫度(T)、壓力（強）(P)等廣延參數(shù)：

與熱力系的質(zhì)量或尺度相關(guān)且可以相加的參數(shù)，如：質(zhì)量(m)、體積(V)、焓(H)、熵(S)等第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三比參數(shù)：

單位化（質(zhì)量或摩爾）的廣延參數(shù)，如：

比容(v=V/m)、比焓(h=H/m)、比熵(s=S/m)等比參數(shù)具有強度參數(shù)的性質(zhì)第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.4基本狀態(tài)參數(shù)1.4.1.1壓力的定義物理中壓強單位:SI:Pa--------N/m2English:psi------bf/in2壓力、溫度、比容——易于測量1.4.1

壓力（Pressure）第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1bar=105Pa=0.1MPa

≈1kgf/cm21atm=101,325Pa

≈1bar=14.696psi常用壓力單位有：MPa，bar，kgf/cm2第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.4.2

表壓力和真空度

絕對壓力:

某一給定點的實際壓力“實際”二字指由公式P=F/A計算所得值壓力表第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三表壓力:絕對壓力高于大氣壓（Pb）的部分，以

Pg表達真空度：絕對壓力低于大氣壓的部分，以

Pv表示

pbpgppvp第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三絕對壓力？表壓力？

真空度？woooooooo!哪一個是狀態(tài)參數(shù)?

第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.4.2.1熱力學第零定律

如果兩個熱力系分別與第三個熱力系處于熱平衡，那么這兩個熱力系之間必然互相處于熱平衡。1.4.2

溫度（Temperature）我認為應(yīng)該是指物體冷熱的程度。

對么？什么是溫度?首先由R.H.Fowler于1931年提出第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三Iftwobodiesarein

thermalequilibrium

withathirdbody,theyarealsointhermalequilibriumwitheachother.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。第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.4.2.2

溫度的熱力學定義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1.4.2.3

溫標溫標的三要素

：

0點

兩個基準點(易于重現(xiàn))

標度溫標——溫度的標度第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三歷史上的溫標SI:攝氏溫標（Celesuisscale）

English:華氏溫標（Fahrenheitscale）Formerlycalledthecentigradescale,in1948itwasrenamedaftertheSwedishastronomerA.Celsuis(1701-1744)namedaftertheGermaninstrumentmakerG.Fahrenheit(1686-1736)第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三SI:開氏溫標（Kelvinscale）English:朗肯溫標（Rankinescale）熱力學溫標:溫標間關(guān)系:第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三約定：今后用攝氏溫標表示的溫度用字母

t指代，用開氏溫標表示的溫度用

T指代。第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.4.2.4常用溫度測量儀表日常：水銀溫度計，酒精溫度計，thermometer工業(yè)：熱電偶Thermocouple

熱電阻Resistancetemperaturedetector

輻射溫度計Radiationthermometer計量：鉑電阻溫度計Platinum第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.4.3比容（

specificvolume

）m3/kg第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.5狀態(tài)公理熱力系的狀態(tài)是由狀態(tài)參數(shù)描述的。但是需要已知多少個狀態(tài)參數(shù)就可以確定一個狀態(tài)呢？需要窮舉法么？狀態(tài)公理

對于可壓縮純物質(zhì)體系，只要“兩個”

獨立的強度參數(shù)就可以確定其狀態(tài)這里的“純”，主要指相態(tài)純，并非指單質(zhì)第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.6

熱力學狀態(tài)參數(shù)圖由于兩個獨立狀態(tài)參數(shù)決定一個狀態(tài)，那么用二維的坐標圖顯示狀態(tài)就順理成章

pv平衡態(tài)非平衡態(tài)第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三常用的狀態(tài)參數(shù)坐標圖有:p-v

圖，

T-s

圖，

h-s

圖第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.7過程與循環(huán)1.7.1過程

熱力系從一個平衡態(tài)變化到另一個平衡態(tài)所經(jīng)歷所有狀態(tài)的集合

古典熱力學只研究平衡態(tài)，既然平衡還怎么變化呢？準靜態(tài)過程:如果一個熱力過程進行得無限緩慢使得過程進行時熱力系內(nèi)部隨時都無限逼近于平衡態(tài)，則此過程為準靜態(tài)過程第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三可逆過程:如果一個過程能夠逆向發(fā)生，并且逆向進行時不會出現(xiàn)任何因耗散效應(yīng)產(chǎn)生的痕跡，則此過程為可逆過程可逆過程成立的條件比準靜態(tài)過程更強，如果它成立要求過程進行時：熱力系內(nèi)部無限趨近于平衡；熱力系與外界無限趨近平衡；第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三路徑封閉的過程即為循環(huán)

Pv可逆循環(huán)不可逆循環(huán)1.7.2

循環(huán)第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.8功（Work）1.8.1功的力學定義力

在力方向上的位移1.8.2功的熱力學定義A：當熱力系與外界發(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。以字母W表示，單位J或kJ。單位化的功用w表示，單位kJ/kg。B：功是系統(tǒng)與外界通過有序運動方式傳遞的能量。第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.8.3機械形式功本節(jié)不討論諸如熱電堆、太陽電池板等直接將熱轉(zhuǎn)化的電功1.8.3.1

膨脹功

第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三單位化:P-v圖因為功的大小與做功過程相關(guān)，即數(shù)學上與路徑相關(guān)，因此不能寫成全微分形式第三十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三（1）公式成立的條件是：系統(tǒng)經(jīng)歷一可逆過程。討論：（2）熱力系對外做功，功為正；外界對熱力系做功，功為負。第三十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.8.3.2

重力功

第三十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.8.3.3

加速功

第三十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.9熱量與熵熱量是在溫度的推動下，熱力系與外界以微觀無序運動方式相互傳遞的能量。用字母Q表示，單位為J或KJ。q為單位化熱量，單位kJ/kg。1.9.1熱量的熱力學定義第三十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三1.9.2熱量的熱力學計算式上式計算熱量需要依據(jù)工質(zhì)的性質(zhì)，普適性不佳考慮膨脹功的計算式：微元功做功動力做功標志第三十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三由于傳熱的驅(qū)動力來自溫度，那么熱量也應(yīng)類似有：dx的含義應(yīng)當是在可逆條件下，熱力系和外界交換熱量與否的標志。第四十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三顯然，dx的表達式數(shù)學上具有商的形式，又與熱量有關(guān)，因此清華大學劉仙洲教授命名為“熵”，用字母S表示，單位為kJ/K；單位化熵為s，單位為kJ/kg.K。這樣上式可寫為：熱量的普適表達式為：成立條