工程熱力學-1-基本概念

1、熱力學概念熱力學概念Principles of Thermodynamics熱力學是一門基礎學科分子雜亂無章運動的宏觀表現(xiàn)熱現(xiàn)象力現(xiàn)象機械能做功熱能和其他形式的能量；能量轉換；能量和物質特性之間的關系；研究內容：教學內容教學內容1 基礎概念 2 熱力學第一定律3 實際氣體狀態(tài)方程4 熱力學第二定律5 熱力學普遍關系式6 動力循環(huán)7 化學熱力學基礎8 多組分系統(tǒng)熱力學1 1 基礎基礎1、定義 2、熱力學平衡 3、可逆過程和不可逆過程 4、溫度和溫度測量 5、熱量 6、功 經典熱力學只研究宏觀量（溫度、壓力、密度等）間經典熱力學只研究宏觀量（溫度、壓力、密度等）間的關系。但是宏觀性質與分子有關的關

2、系。但是宏觀性質與分子有關 ；溫度與分子運動；溫度與分子運動有關；密度與分子間相互作用有關。有關；密度與分子間相互作用有關。二、熱力學的研究方法和特點二、熱力學的研究方法和特點經典熱力學（宏觀）經典熱力學（宏觀）（大量粒子組成）（大量粒子組成）統(tǒng)計熱力學（微觀）統(tǒng)計熱力學（微觀）穩(wěn)定平衡狀態(tài)穩(wěn)定平衡狀態(tài)大量粒子的統(tǒng)計分析大量粒子的統(tǒng)計分析方法：綜合用系統(tǒng)方法適用于完全不同的物質不關心分子個體結構單元原子、分子、宏觀物體、社會、生物、生態(tài)、特點：普適性：熱力學方法和概念熱力學結論可推廣和應用到其他領域：化學、生物、宇宙、社會等例如：熵的概念控制論信息論例：生物、生態(tài)系統(tǒng)可看成由大量的基本結構單元

3、構成三、術語單相復相系統(tǒng)系統(tǒng) 環(huán)境參數(shù) 狀態(tài)參數(shù)、 路徑參數(shù)過程 循環(huán) 化學組成物理結構均勻 系統(tǒng)系統(tǒng)-thermodynamic system(system) ：人為分割出來，作為熱力學人為分割出來，作為熱力學 研究對象的有限物質系統(tǒng)。研究對象的有限物質系統(tǒng)。 外界外界-surrounding ：與體系發(fā)生質、能交換的物系。與體系發(fā)生質、能交換的物系。 邊界邊界-boundary：系統(tǒng)與外界的分界面（線）。系統(tǒng)與外界的分界面（線）。熱力系統(tǒng)、外界和邊界熱力系統(tǒng)、外界和邊界定義：定義：熱力系統(tǒng)的分割完全是“人為人為”的，因此對于不同的問題，甚至對于同一問題可取不同的系統(tǒng)。（熱力系、系統(tǒng)、體系）

4、（熱力系、系統(tǒng)、體系）例如研究向容器充氣，可以取容器為系統(tǒng)，也可取充入容器的氣體和原在容器內的氣體一起為系統(tǒng)。AB固定、活動固定、活動1 1、以系統(tǒng)與外界關系劃分：、以系統(tǒng)與外界關系劃分： 有有 無無是否傳質是否傳質 開口系開口系 閉口系閉口系是否傳熱是否傳熱 非絕熱系非絕熱系 絕熱系絕熱系是否傳功是否傳功 非絕功系非絕功系 絕功系絕功系是否傳熱、功、質是否傳熱、功、質 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系熱力系分類熱力系分類（2 2） 2、 按組元數(shù)按組元數(shù) 單元系單元系oneone componentcomponent system;puresystem;pure substancesubsta

5、nce systemsystem 多元系多元系-multicomponent-multicomponent systemsystem3、 按相數(shù)按相數(shù) 單相系單相系homogeneoushomogeneous systemsystem 注意：1）不計恒外力場影響不計恒外力場影響； 2）復相系未必不均勻復相系未必不均勻濕蒸汽；濕蒸汽； 單元系未必均勻單元系未必均勻氣液平衡分離狀態(tài)氣液平衡分離狀態(tài)； 簡單可壓縮系統(tǒng)簡單可壓縮系統(tǒng)由單元可壓縮物質（純物質）構成、與外界僅由單元可壓縮物質（純物質）構成、與外界僅有容積變化功交換、無化學反應的系統(tǒng)有容積變化功交換、無化學反應的系統(tǒng)按系統(tǒng)與外界質量交換分按

6、系統(tǒng)與外界質量交換分： 閉口系閉口系closedclosed systemsystem （控制質量CM） 沒有質量越過邊界沒有質量越過邊界 開口系開口系open system open system （控制體積CV） 通過邊界與外界有質量交換通過邊界與外界有質量交換1 1閉口系、開口系的定義閉口系、開口系的定義狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)一、狀態(tài)一、狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況stateofthermodynamicsystem熱力學狀態(tài)熱力學狀態(tài)系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合 狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)stateproperties描述物系所

7、處狀態(tài)的宏觀物描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量理量 a）狀態(tài)參數(shù)是宏觀量狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的宏觀表現(xiàn)宏觀表現(xiàn)，只有平衡態(tài)平衡態(tài)才有狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)有多多個狀態(tài)參數(shù) b）狀態(tài)參數(shù)的特性狀態(tài)參數(shù)的特性狀態(tài)的單值函數(shù)狀態(tài)的單值函數(shù)狀態(tài)參數(shù)為點函數(shù)，沿閉合路徑的積分為零。狀態(tài)參數(shù)為點函數(shù)，沿閉合路徑的積分為零。 特點：物理上與過程無關與過程無關 數(shù)學上其微量是全微分其微量是全微分C）狀態(tài)參數(shù)分類狀態(tài)參數(shù)分類： 強度量intensive property 它們的值與物質的量無關；它們的值與物質的量無關；廣延量廣延量extensive propertyproperty 它們的值正比于物質的量它們的值正

8、比于物質的量如溫度和壓力如溫度和壓力T T、P P等，等，又：廣延量的比性質，如比體積具有強度量特性。mVv 如物質的體積和熱力學能如物質的體積和熱力學能V V、U U等。等。常用的狀態(tài)參數(shù)：常用的狀態(tài)參數(shù)： P P （壓力）、（壓力）、T T（溫度）、（溫度）、v v（比體積）、（比體積）、 h h（比（比焓）、u u（比（比熱力學能）、 s s（比（比熵） 其中其中 P P、T T、v v、可測量可測量- -基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)H(hH(h) )、U(uU(u) )、S(sS(s) )可計算可計算可由基本狀態(tài)參數(shù)導出可由基本狀態(tài)參數(shù)導出*只有平衡態(tài)平衡態(tài)才有狀態(tài)參數(shù)其他熱力系參數(shù)：張力

9、-長度、表面張力-面積 、 磁化-磁場強度、電荷-電位差、 1、平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) thermodynamic equilibrium state定義：在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。熱平衡熱平衡：thermal equilibrium：系統(tǒng)各部分無熱量交換系統(tǒng)各部分無熱量交換力平衡力平衡:mechanical equilibrium：系統(tǒng)各部分無相對位移系統(tǒng)各部分無相對位移如果它的溫度到處相同，并與外界平衡則稱之為達到如果它的溫度到處相同，并與外界平衡則稱之為達到熱熱平衡平衡。一個系統(tǒng)，如果它的壓力到處相同，并與外界平一個系統(tǒng)，如果它

10、的壓力到處相同，并與外界平衡稱之為達到衡稱之為達到力平衡力平衡或機械平衡；或機械平衡；平衡狀態(tài)平衡狀態(tài):同時同時有熱平衡和力平衡有熱平衡和力平衡簡單可壓縮系統(tǒng)簡單可壓縮系統(tǒng)力平衡p=0化學平衡w=0;n=0熱平衡t=0電平衡E=0相平衡(1)= (2)平衡條件：其他系統(tǒng)：其他系統(tǒng)：如多元系統(tǒng)如多元系統(tǒng) 相平衡、 化學反應平衡、一個平衡的熱力系統(tǒng)，只要不受到外界的影響，它的一個平衡的熱力系統(tǒng)，只要不受到外界的影響，它的狀態(tài)就不會隨時間而改變。如果受到外界作用，引起狀態(tài)就不會隨時間而改變。如果受到外界作用，引起系統(tǒng)內壓力不均勻或溫度不均勻，破壞了系統(tǒng)的平衡系統(tǒng)內壓力不均勻或溫度不均勻，破壞了系統(tǒng)的

11、平衡狀態(tài)，則當外界作用停止后，系統(tǒng)內壓力不同及溫度狀態(tài)，則當外界作用停止后，系統(tǒng)內壓力不同及溫度不同的各部分物質之間，將產生機械作用和熱作用，不同的各部分物質之間，將產生機械作用和熱作用，并最終趨向新的平衡狀態(tài)并最終趨向新的平衡狀態(tài)平衡的熱力系統(tǒng)平衡的熱力系統(tǒng)不平衡狀態(tài)：一定存在不平衡位勢不平衡狀態(tài)：一定存在不平衡位勢兩平衡狀態(tài)相等的判定兩平衡狀態(tài)相等的判定 若系統(tǒng)兩平衡狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)均一一對應相等，稱此若系統(tǒng)兩平衡狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)均一一對應相等，稱此兩平衡狀態(tài)相等；反之，相等的兩狀態(tài)則其狀態(tài)參數(shù)必然兩平衡狀態(tài)相等；反之，相等的兩狀態(tài)則其狀態(tài)參數(shù)必然一一對應相等。一一對應相等。簡單可壓縮系統(tǒng)，只

12、要兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)一一對應相等，簡單可壓縮系統(tǒng)，只要兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)一一對應相等，就可判定該系統(tǒng)兩平衡狀態(tài)相等。就可判定該系統(tǒng)兩平衡狀態(tài)相等。（狀態(tài)公理）（狀態(tài)公理） 平衡和穩(wěn)定平衡和穩(wěn)定平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)是指在沒有外界作用沒有外界作用的情況下工質宏觀性質可長久保持不變的狀態(tài)。簡單可壓縮系統(tǒng)同時處于力平衡和熱平衡，該系統(tǒng)就處于熱力平衡狀態(tài)， 穩(wěn)定狀態(tài)是指工質宏觀性質長久保持不變的狀態(tài)。均質等截面直桿，其任一截面的溫度均不隨時間改變，所以是穩(wěn)定的。但這是在桿的兩端熱源的作用下而維持的，如果拿走兩端的熱源，桿子各截面的溫度就會改變，所以桿并不處在平衡狀態(tài)。T1T2T1 T2q 處在穩(wěn)定狀態(tài)的開口

13、系的熱力學能、熵等廣延性質的量不隨時間而變，如UCV=0 、 SCV=0 。在各部位氣流的速度、壓力、熱力學能等都不同，但是它們都不隨時間而變化，因而熱力學能總值等保持常數(shù)，不隨時間而變化，UCV=0，但進出口截面工質的熱力學能U1 和U2可以不等，熱力學能總值等保持常數(shù)是對時間而言，各截面上熱力學能不同，是對空間而言。工質的狀態(tài)變化過程工質的狀態(tài)變化過程準平衡過程（準靜態(tài)過程）準平衡過程（準靜態(tài)過程）破壞平衡所需時間破壞平衡所需時間（外部作用時間）（外部作用時間）恢復平衡所需時間恢復平衡所需時間（馳豫時間）（馳豫時間）有足夠時間恢復新平衡有足夠時間恢復新平衡 準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程準

14、靜態(tài)過程(quasi-static process; quasi-equilibrium process)定義：偏離平衡態(tài)無窮小，隨時定義：偏離平衡態(tài)無窮小，隨時 恢復平衡的狀態(tài)變化過程恢復平衡的狀態(tài)變化過程。進行條件進行條件： 破壞平衡的勢破壞平衡的勢 Tp ,過程進行無限緩慢過程進行無限緩慢 工質有恢復平衡的能力工質有恢復平衡的能力準靜態(tài)過程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實線表示準靜態(tài)過程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實線表示無窮小無窮小 可逆過程可逆過程- reversible process定義定義：系統(tǒng)可經原途徑返回原來狀態(tài)而在外界不留系統(tǒng)可經原途徑返回原來狀態(tài)而在外界不留下任何變化下任何變化 的過

15、程的過程。 可逆和不可逆可逆和不可逆系統(tǒng)經歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復到系統(tǒng)經歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程注意：注意：可逆過程只是指可能性，可逆過程只是指可能性，并不是指并不是指必須要必須要回到初態(tài)的過程?；氐匠鯌B(tài)的過程。 可逆過程可逆過程 3.一切實際過程不可逆一切實際過程不可逆 4.內部可逆過程內部可逆過程 討論討論：1.可逆可逆= =準靜態(tài)準靜態(tài)+ +沒有耗散效應沒有耗散效應 2.準靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內部平衡，可逆著準靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內部平衡，可逆著 眼于系統(tǒng)眼于系統(tǒng)內部及系統(tǒng)

16、與外界作用的總效果內部及系統(tǒng)與外界作用的總效果 5.可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示可逆過程和準靜態(tài)過程可逆過程和準靜態(tài)過程 氣態(tài)系統(tǒng)進行準平衡過程的條件是促使系統(tǒng)平衡被破壞的壓力差及溫度差為無限小，過程進行的時間非常長。準靜態(tài)過程的著眼點是系統(tǒng)內部平衡。 如果系統(tǒng)經歷了一個過程后，可沿原過程的路線反向進行，回復到原狀態(tài)，而且不在外界不在外界留下任何影響留下任何影響-可逆過程可逆過程。在外界的作用下系統(tǒng)都可循原途徑的反向回到原狀態(tài)，關鍵是否系統(tǒng)在回復到原狀態(tài)的同時不給外界留下任何影響。 過程在有限壓差作用下進行，是非準靜態(tài)過程是非準靜態(tài)過程。 fApFpAbco

17、s 過程為準靜態(tài)過程但不可逆準靜態(tài)過程但不可逆。因氣體膨脹作功除用于排斥大氣作功和克服摩擦耗功，其余部分轉變?yōu)閯幽軆Υ嬗陲w輪內。利用飛輪積儲的動能可使活塞返行，但摩擦使活塞不能返回到原位置，借助于外力可推動活塞回到原位，這就在外界留下影響，因此過程是準靜態(tài)的但不可逆。fApFpAbcos運動無摩擦，傳熱無溫差的準平衡過程是可逆過程運動無摩擦，傳熱無溫差的準平衡過程是可逆過程。 fApFpAbcos非準靜態(tài)過程fApFpAbcos準靜態(tài)過程，不可逆)0(cosfApFpAb準靜態(tài)過程，可逆過程)0(cosfApFpAb準靜態(tài)的也是可逆可逆的。1-41-4溫度和溫度測量方法溫度和溫度測量方法溫度和

18、溫標temperature and temperature scale熱力學溫標和國際攝氏溫標 （Celsius temperature scale)(thermodynamics scale; Kelvin scale; absolute emperature scale and internal(開耳文溫標，絕對溫標 ）溫標溫標- -定義定義: :溫度溫度- -標志物體冷熱的程度的量標志物體冷熱的程度的量溫度的數(shù)值標度溫度的數(shù)值標度A AB B當當不同冷不同冷熱熱的的A A與與B B物物質質，相互接，相互接觸觸時時，能，能允允許許熱熱的的傳遞傳遞，經過經過一段一段時間時間之後，之後，A A

19、與與B B可具有相同的冷可具有相同的冷熱熱程度程度定義與定義與物物質質本身性本身性質無質無關關的物理量的物理量: :溫度溫度，來來量量化物化物質質本身的冷本身的冷熱熱程度程度測溫方法1、選擇適當物質：2、選擇該物質與溫度關系：v、p、R、E3、規(guī)定物性與溫度關系：v=f(t) E=f(t）、4、選固定溫度點為計溫的基準點:分度缺點：溫標定義太隨便(例；冰點 32F 0） 測溫范圍窄、溫標不科學（非線性）經驗溫標熱力學溫標經驗溫標：為了測量溫度，需建立溫度的標尺，即溫標。國際單位制（即SI制）中，以熱力學溫標作熱力學溫標作為基本溫標。為基本溫標。它所定義的溫度稱為熱力學溫度它所定義的溫度稱為熱力

20、學溫度T T，單位為開爾文，符號為K。熱力學溫標以水的三相點，即水的固、液、氣三態(tài)平衡共存時的溫度為基本定點，并規(guī)定其溫度為273.16K。于是1K就是水的三相點熱力學溫度的 1/273.16. 熱力學溫標由卡諾定理導出；TtpTtptpQQQQTTTTQQ16.2732121理想氣體溫標：理想氣體為測溫介質Ttp=273.16 ptp=611.659Pa 熱力學溫標和國際攝氏溫標 華氏溫標（符號F），規(guī)定在一個標準大氣壓下純冰的熔點和純水的沸點分別為32F和212F，以絕對零度為起點的華氏溫標稱為朗肯溫標（符號R） 32593295ctFtFtct華氏溫標和攝氏溫標 67.459FtRT華氏溫標和朗肯溫標朗氏溫標和華氏溫標實用溫度計玻璃 溫度計、雙