吉大工程熱力學課件第1章 基本概念及定義

第一章基本概念及定義1-1熱力學系統(tǒng)Thermodynamicsystem

熱力學系統(tǒng)（熱力系統(tǒng)、熱力系、系統(tǒng)）—人為劃分出的，含有一定物質(zhì)的特定區(qū)域。

—Adefinitequantityofmattermostoftencontainedwithinsomeclosedsurface.

外界—系統(tǒng)之外與能量轉(zhuǎn)換過程有關(guān)的一切其他物質(zhì)。

邊界—分割系統(tǒng)與外界的界面。在邊界上可以判斷系統(tǒng)與外界間所傳遞的能量和質(zhì)量的形式和數(shù)量。邊界可以是實際的、假想的、固定的，或活動的。Chapter1BasicConceptsandDefinitions1第一章基本概念及定義系統(tǒng)的分類：閉口系統(tǒng)：與外界無質(zhì)量交換（控制質(zhì)量）。開口系統(tǒng)：與外界有質(zhì)量交換（控制容積）。絕熱系統(tǒng)：與外界無熱量交換。孤立系統(tǒng)：與外界既無能量（功量、熱量）交換，又無質(zhì)量交換的系統(tǒng)。＊熱源：具有無限熱量儲存能力的假想熱力系統(tǒng)，其作用只是與其他系統(tǒng)交換熱量，交換的結(jié)果其溫度不發(fā)生任何變化。高溫熱源：向其他系統(tǒng)供熱的熱源（熱源）；低溫熱源：吸收其他系統(tǒng)放出熱量的熱源（熱匯，冷源）。系統(tǒng)的選取，取決于分析問題的需要及分析方法上的方便。2第一章基本概念及定義1-2熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)

熱力學狀態(tài)—熱力學系統(tǒng)所處的宏觀狀況。

狀態(tài)參數(shù)—描述系統(tǒng)熱力學狀態(tài)的宏觀物理量。

基本狀態(tài)參數(shù)—可以直接測量得到的狀態(tài)參數(shù)（p、v、T）。

導出狀態(tài)參數(shù)—由基本狀態(tài)參數(shù)計算得到的狀態(tài)參數(shù)（u、h、s等）。狀態(tài)參數(shù)僅決定于狀態(tài)，即對應(yīng)某確定的狀態(tài)，就有一組狀態(tài)參數(shù)。反之，一組確定的狀態(tài)參數(shù)就可以確定一個狀態(tài)。其數(shù)值僅決定于狀態(tài)，而與達到該狀態(tài)的途徑無關(guān)。因此，狀態(tài)參數(shù)的變化可表示為（以壓力p為例）：相應(yīng)地，狀態(tài)參數(shù)的微增量具有全微分的性質(zhì)，即3第一章基本概念及定義一、比體積v二、壓力（壓強）p三、溫度T

絕對溫度，攝氏溫度

t℃＝T－273.15K絕對壓力：氣體的真實壓力相對壓力（表壓力、真空度）：壓力計顯示的壓力基本狀態(tài)參數(shù)：4第一章基本概念及定義1-3平衡狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)坐標圖平衡狀態(tài)—在沒有外界影響的條件下，熱力系統(tǒng)的宏觀狀況不隨時間變化的狀態(tài)。平衡條件：熱平衡(例)力平衡(例)化學平衡

狀態(tài)公理：對于組成一定的閉系而言，可用n+1個獨立的狀態(tài)參數(shù)來限定它，這里，n是與系統(tǒng)有關(guān)的準靜功個數(shù)，1是考慮了系統(tǒng)與外界的熱交換。

簡單可壓縮系統(tǒng)，n＝1，所以用兩個狀態(tài)參數(shù)就可以確定一個狀態(tài)。5第一章基本概念及定義1-4狀態(tài)方程式狀態(tài)方程式：三個基本狀態(tài)參數(shù)（p、v、T）之間的函數(shù)關(guān)系：F(p，v，T)＝0顯函數(shù)形式：T＝f1(p，v)，p＝f2(v，T)，v＝f3(p，T)

理想氣體狀態(tài)方程式（克拉貝龍方程）：

對1mol理想氣體pVm＝RT

R—摩爾氣體常數(shù)，R＝8.314510J/(mol·K)

對1kg理想氣體pv＝RgT

Rg＝R/M—氣體常數(shù)，M—摩爾質(zhì)量。

nmol理想氣體

pV＝RT，

mkg理想氣體

pV＝RgT

理想氣體—相互之間沒有作用力的質(zhì)點組成的可壓流體。6第一章基本概念及定義1-5熱力過程和準靜態(tài)過程

熱力過程—熱力學狀態(tài)連續(xù)變化的歷程。

非準靜態(tài)過程—系統(tǒng)經(jīng)歷一系列不平衡狀態(tài)的過程。

準靜態(tài)過程—系統(tǒng)經(jīng)歷一系列無限接近平衡狀態(tài)的過程。準靜態(tài)過程進行的條件：推動過程的作用無限小。7第一章基本概念及定義

實際過程是否可以作為準靜態(tài)過程來處理？這取決于所謂弛豫時間。

弛豫時間—氣體的平衡狀態(tài)被破壞后恢復平衡所需的時間。大部分實際過程可以近似地當做準靜態(tài)過程。因為氣體分子熱運動的平均速度可達每秒數(shù)百米以上，氣體壓力傳播的速度也達每秒數(shù)百米，因而在一般工程設(shè)備具有的有限空間中，氣體的平衡狀態(tài)被破壞后恢復平衡所需的時間，即所謂弛豫時間非常短。例如，內(nèi)燃機的活塞運動速度僅每秒十余米，與其中的氣體分子熱運動的平均速度相比相差一個數(shù)量級，因此，當機器工作時氣體工質(zhì)內(nèi)部能及時地不斷建立平衡狀態(tài)，而工質(zhì)的變化過程很接近準靜態(tài)過程8第一章基本概念及定義1-6準靜態(tài)過程的功

力學中功的定義：W＝Fx

熱力學中對功的定義：熱力過程中，熱力系統(tǒng)與邊界間，越過邊界而傳遞的能量，若其全部作用效果可表現(xiàn)為使物體改變宏觀運動的狀態(tài)，則這種傳遞的能量稱為功?？梢姡汗κ沁^程量；功是傳遞的能量（瞬時量）。直接由系統(tǒng)容積變化與外界間發(fā)生作用而傳遞的功稱為容積變化功（膨脹功或壓縮功）。對于由氣缸和活塞所包圍的熱力系統(tǒng)，進行一個微元過程中，如活塞所受推力為F,位移為dx,則系統(tǒng)對外界作的膨脹功為：

δW=Fdx9第一章基本概念及定義對準靜態(tài)過程，F(xiàn)=pA,所以，δW=Fdx

當系統(tǒng)由狀態(tài)1到狀態(tài)2進行一個準靜態(tài)過程時，系統(tǒng)對外界所作的功可表示為：單位質(zhì)量氣體以及功在p-v圖上的表示：功的符號：系統(tǒng)對外作功為正；外界對系統(tǒng)作功為負。10第一章基本概念及定義1-7熱量

熱量—熱力過程中，僅僅由于溫度不同，在系統(tǒng)與外界間越過邊界而傳遞的能量?？梢姡簾崃渴沁^程量；熱量是傳遞的能量（瞬時量）。熱量是物體間通過紊亂的分子運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量；而功則是物體間通過有規(guī)則的微觀運動或宏觀運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。熱量的符號：系統(tǒng)吸熱時熱量為正，系統(tǒng)放熱時熱量為負。熱量與功量的類比勢（勢參數(shù)）—推動能量傳遞的作用力。如p,T.

狀態(tài)坐標—其變化可作為衡量某種能量傳遞作用的標志。如v。

11第一章基本概念及定義功量：

勢：p

狀態(tài)坐標:V熱量

勢：T

狀態(tài)坐標:

？

取描述熱量傳遞的狀態(tài)坐標為熵：S,單位：J/K。所以有對1kg工質(zhì)，則有：和：12第一章基本概念及定義比熱容及用比熱容計算熱量1kg物質(zhì)溫度升高1K(或1℃)所需的熱量稱為物質(zhì)的質(zhì)量熱容或比熱容，符號為c，單位為J/(kg·K)，即

熱量是過程量。定容過程的比熱容稱為比定容熱容，用cV表示。則有和定壓過程和三種熱容的關(guān)系：

Cp,m=22.4×1000×Cp=Mcp熱量的計算：13第一章基本概念及定義1-8熱力循環(huán)

熱力循環(huán)（循環(huán)）—封閉的熱力過程。系統(tǒng)由初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列中間狀態(tài)回到初始狀態(tài)循環(huán)的凈功量：循環(huán)的凈熱量：14第一章基本概念及定義

1-1何謂平衡狀態(tài)？

1-2當熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)不隨時間而改變時，稱為系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。試分析穩(wěn)定狀態(tài)和平衡狀態(tài)是否相同？

1-3當熱力學系統(tǒng)內(nèi)的溫度和壓力等狀態(tài)參數(shù)均勻一致時，稱為系統(tǒng)處于均勻狀態(tài)。試分析均勻狀態(tài)和平衡狀態(tài)是否相同？

1-4何謂理想氣體？其實際意義何在？

1-5試說明1mol理想氣體狀態(tài)方程式的通用性，并從宏觀及微觀兩方面描述其物理現(xiàn)象的特征。

1-6何謂準靜態(tài)過程？實現(xiàn)準靜態(tài)過程的條件是什么？

1-7在非靜態(tài)過程中，系統(tǒng)的容積變化功是否可以表示為