ch1 基本概念及定義

第一章基本概念

BasicConcepts1第一節(jié)熱能在熱機中轉(zhuǎn)變成機械能的過程幾個概念：1工質(zhì)

(workingsubstance/medium)

定義：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物（工作介質(zhì)）要求：

1)膨脹性好；2)流動性好；3)熱容量大；4)穩(wěn)定性，安全性高；

5)對環(huán)境友善；6)價廉，易大量獲取。綜合比較，在物質(zhì)的三態(tài)中，以氣態(tài)最適宜。2熱源

(heatsource;heatreservoir)

定義：工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。

高溫熱源（熱源--heatsource）

低溫熱源（冷源—heatsink）恒溫熱源(constantheatreservoir)

變溫熱源

23熱能動力裝置(Thermalpowerplant)定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力的整套設(shè)備。分類：（1）氣體動力裝置（combustiongaspowerplant）

內(nèi)燃機（internalcombustiongasengine）

燃氣輪機動力裝置（gasturbinepowerplant）

噴氣動力裝置（jetpowerplant）（2）蒸汽動力裝置（steampowerplant）蒸汽動力裝置燃氣輪機裝置內(nèi)燃機裝置3第二節(jié)熱力系統(tǒng)一、回顧系統(tǒng)控制體

二、熱力系統(tǒng)（熱力系、系統(tǒng)System）

熱力系統(tǒng)：人為分割出來作為熱力學(xué)分析對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。或：由某種邊界包圍，被取作研究對象的特定物質(zhì)或空間。

Aquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy外界(surroundings)：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)邊界/界面(Boundary)：系統(tǒng)與外界之間的分界面系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界人為的研究對象4邊界的選?。嚎梢允菍嶋H存在的；也可以是假想的。實際存在的邊界、閉口系統(tǒng)假想的邊界、開口系統(tǒng)5熱力系統(tǒng)分類TypesofSystem以系統(tǒng)與外界關(guān)系（能量和物質(zhì)交換）劃分：閉口系統(tǒng)(Closedsystem），又稱為控制質(zhì)量（ControlMass）

定義：系統(tǒng)和外界只有能量交換而沒有物質(zhì)（質(zhì)量）交換。

特點：沒有質(zhì)量穿越邊界，所以系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量保持恒定不變。孤立系統(tǒng)（Isolatedsystem）：與外界無任何形式的質(zhì)能交換。開口系統(tǒng)（Opensystem），又稱為控制體（ControlVolume）

定義：系統(tǒng)和外界既有能量交換又有物質(zhì)（質(zhì)量）交換。

特點：通過邊界與外界有質(zhì)量交換，系統(tǒng)內(nèi)的能量和質(zhì)量都可以變化，但這種變化通常是在某一劃定的范圍內(nèi)進行的，所以又稱為控制容積，或控制體。絕熱系統(tǒng)（Adiabaticsystem）：與外界無熱量交換。6有無是否傳質(zhì)開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)非孤立系孤立系熱力系統(tǒng)分類小結(jié)開口系絕熱系孤立系ClosedsystemControlmassIsolatedsystemOpensystemControlvolume閉口系A(chǔ)diabaticsystem71）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別；2）開口系與絕熱系的關(guān)系；3）孤立系與絕熱系的關(guān)系。注意：8簡單可壓縮系統(tǒng)最重要的熱力系統(tǒng)

只交換熱量以及可逆的功中的體積變化功Simplecompressiblesystem體積變化功MovingBoundaryWork壓縮功膨脹功CompressionWorkExpansionWork9第三節(jié)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)Stateandstateproperties一、狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)熱力學(xué)狀態(tài)（簡稱狀態(tài)）：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系所處狀態(tài)的宏觀物理量狀態(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)，是狀態(tài)的單值函數(shù)，且只與初終態(tài)有關(guān)，物理上與過程無關(guān)3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：數(shù)學(xué)上其微量是全微分10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：12ab例：溫度變化山高度變化11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)12二、強度參數(shù)與廣延參數(shù)強度參數(shù)（強度量）：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)（廣延量）：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性如質(zhì)量m、容積V、熱力學(xué)能（內(nèi)能）U、焓H、熵S比參數(shù)：比容比內(nèi)能比焓比熵比參數(shù)具有強度量的性質(zhì)Intensiveproperties

Extensiveproperties

廣延參數(shù)的比參數(shù)具有強度量的性質(zhì)注意符號區(qū)別13速度動能高度位能熱力學(xué)能溫度應(yīng)力摩爾數(shù)（強）（強）（強）（強）（廣）（廣）（廣）（廣）Velocity

KineticEnergyHeightPotentialEnergyTemperatureInternalEnergyStressMol舉例說明14三、基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)：溫度T、壓力

p和體積V

可直接用儀器測量，使用最多。其余三個常用的狀態(tài)參數(shù)內(nèi)能U、焓H和熵S可以通過這三個基本參數(shù)計算得到。Basicstateproperties151溫度Temperature傳統(tǒng)定義：物體冷熱程度的度量。微觀：標志物質(zhì)分子熱運動的激烈程度，衡量分子平均動能的量度。，為分子運動的均方根速度1)與不一定相同；2)總0,T0,1951年核磁共振法對氟化鋰晶體的實驗發(fā)現(xiàn)負的開爾文溫度；3)T=0=0分子一切運動停止，零點能。16溫度的熱力學(xué)定義1）熱力學(xué)第零定律（TheZerothLawofThermodynamics

）溫度測量的理論基礎(chǔ)

B—溫度計測量溫度的儀器稱做溫度計

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。

Iftwobodiesareinthermalequilibriumwithathirdbody,theyarealsointhermalequilibriumwitheachother.A=B,B=CA=C17

定義：處在同一熱平衡狀態(tài)的所有的熱力學(xué)系統(tǒng)都具有一個共同的宏觀特征，這一特征是由這些互為熱平衡系統(tǒng)的狀態(tài)所決定的一個數(shù)值相等的狀態(tài)函數(shù)，這個狀態(tài)函數(shù)被定義為溫度。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，或溫度相等是熱平衡的必要條件。2）溫度的熱力學(xué)定義18溫度測量Temperaturemeasurement溫度計物質(zhì)（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準點刻度

ScaleReferencestate溫標

Temperaturescale要求：感應(yīng)元件應(yīng)隨物體的冷熱程度不同有顯著的變化。19溫標Temperaturescale定義：溫度的數(shù)值表示法。用某個隨溫度變化的物理量來間接測量。1）攝氏溫標Celsiusscale以符號t表示，單位℃以純水在1atm下的冰點記為0℃，汽點為100℃。

并假定汞（Hg）的體積與溫度成線性關(guān)系。測溫物質(zhì)不同，測溫結(jié)果有差異。經(jīng)驗溫標：依賴物質(zhì)性質(zhì)建立的溫標。汞的體積與溫度成線性關(guān)系？其他物質(zhì)（如酒精）也與溫度成線性關(guān)系？202）華氏溫標Fahrenheitscale符號tF，單位℉（經(jīng)驗溫標）以純水在1atm下的冰點記為32℉，汽點為212

℉

。攝氏溫標與華氏溫標的換算關(guān)系：213）熱力學(xué)溫標符號TThermodynamicsscale;Kelvinscale避免經(jīng)驗溫標的缺點——測溫物質(zhì)的影響以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)。以水的三相點時的溫度規(guī)定為273.16K，水的三相點時的攝氏溫度規(guī)定0.01℃即0.01℃→273.16K0℃→273.15Kt=T-273.15K224）國際實用溫標實施方便，使得所測溫度盡可能接近熱力學(xué)溫度ITS-90的定義：第一溫區(qū)為0.65K到5.00K之間,T90由3He和4He的蒸氣壓與溫度的關(guān)系式來定義。第二溫區(qū)為3.0K到氖三相點(24.5661K)之間T90是用氦氣體溫度計來定義。第三溫區(qū)為平衡氫三相點(13.8033K)到銀的凝固點(961.78℃)之間，T90是由鉑電阻溫度計來定義。它使用一組規(guī)定的定義固定點及利用規(guī)定的內(nèi)插法來分度。銀凝固點(961.78℃)以上的溫區(qū)，T90是按普朗克輻射定律來定義的，復(fù)現(xiàn)儀器為光學(xué)溫溫計。熱力學(xué)溫標不能直接測定23常用溫標之間的關(guān)系絕對K攝氏℃

華氏℉100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.67冰熔點水三相點鹽水熔點發(fā)燒水沸點242壓力Pressure符號p，單位Pa壓力定義：單位面積上所受到的垂直作用力稱為壓力（即壓強）。常用單位Units：

帕

1Pa=

1N/m2

1

kPa

=

103

Pa

巴

1bar=

105

Pa

兆帕

1MPa

=

106

Pa標準大氣壓

1atm

=760mmHg

=

101325

Pa

毫米汞柱

1

mmHg=

133.3224

Pa工程大氣壓

1

at=

1

kgf/cm2

=

9.80665104

Pa

（千克力）25其它幾個常用概念

1）絕對壓力p（absolutepressure）

2）當?shù)卮髿鈮簆b（localatmosphericpressure）

3）表壓力pe（gaugepressure）

4）真空度pv（vacuum;vacuumpressure）當

p>pb當

p<pbpbpeppvp26注意：只有絕對壓力p

才是狀態(tài)參數(shù)不同環(huán)境大氣壓力發(fā)生變化，即使絕對壓力不變，表壓力和真空度仍有可能變化。

p>pb

p<pb273比體積及密度

SpecificvolumeDensity比體積：單位質(zhì)量所占的體積。[m3/kg]密度：單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。[kg/m3]通常用v作為獨立參數(shù)。28第四節(jié)平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標圖一、平衡狀態(tài)

Thermodynamicequilibriumstate

1.定義熱力系統(tǒng)在沒有外界作用的情況下，宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)。處于不平衡狀態(tài)時1）工質(zhì)各部分的狀態(tài)參數(shù)不盡相同；2）狀態(tài)隨時間而變化，常發(fā)生熱量傳遞、相對位移等，無法用共同的參數(shù)來簡單描述工質(zhì)所處的狀態(tài)；工程熱力學(xué)只對平衡狀態(tài)進行分析研究292.平衡的分類

ManytypesofEquilibrium

1）熱平衡（Thermalequilibrium）

組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒有熱量的傳遞，系統(tǒng)就處于熱平衡；表現(xiàn)為溫度處處相等。Ifthetemperatureisthesamethroughouttheentire.溫差

Temperaturedifferential熱不平衡勢Unbalancedpotentials30

2）力平衡（Mechanicalequilibrium）

組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒有相對位移，系統(tǒng)就處于力平衡；表現(xiàn)為壓力處處相等。

通常忽略重力的影響如高度較小IfthereisnochangeinpressureatanypointofthesystemwithtimeThevariationofpressureasaresultof

gravityinmostthermodynamicsystemisrelativelysmallandusuallydisregarded壓差

Pressuredifferential力不平衡勢

Unbalancedpotentials31

3）化學(xué)平衡（Chemicalequilibrium)

組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒有化學(xué)反應(yīng)、擴散、分離等，系統(tǒng)就處于化學(xué)平衡；表現(xiàn)為組分恒定。

Ifitschemicalcompositiondoesnotchangewithtime.Thatis,nochemicalreactionsoccur.

4）相平衡（Phaseequilibrium）組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒有發(fā)生相變。

Whenthemassofeachphasereachesanequilibriumlevelandstaysthere.323.平衡狀態(tài)說明

1）不平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，在沒有外界的影響下總會自發(fā)趨于平衡狀態(tài)；

2）系統(tǒng)受到外界影響則不能保持平衡狀態(tài)。系統(tǒng)和外界間相互作用的最終結(jié)果是系統(tǒng)和外界共同達到一個新的平衡狀態(tài)；

3）同時具備了熱和力的平衡的系統(tǒng)就處于熱力平衡狀態(tài)，是最常遇到的狀態(tài)；工程熱力學(xué)通常只研究平衡狀態(tài)；

33思考題

1）平衡與穩(wěn)定

Equilibrium&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)變化穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定34平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的2）平衡與均勻

Equilibrium&Even平衡：時間上均勻：空間上汽水T、P平衡但不均勻35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36二、狀態(tài)方程式

Equationofstate定義對于簡單可壓縮系統(tǒng)，當它處于平衡狀態(tài)時，各部分具有相同的壓力、溫度和比體積等參數(shù)，且這些參數(shù)服從一定的關(guān)系式，這樣的關(guān)系式叫做狀態(tài)方程式。

平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài)想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？37處于平衡狀態(tài)時，各部分具有相同的壓力、溫度和比體積等參數(shù)，且服從一定關(guān)系式：或：熱力系統(tǒng)的各種參數(shù)并不都是獨立的。如：剛性密閉容器中的氣體被加熱時溫度升高，壓力也隨著升高。38三坐標圖Diagram簡單可壓縮系統(tǒng)

，平面坐標圖1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標圖上說明：2）過程線中任意一點為平衡態(tài)3）不平衡態(tài)無法在圖上用實線表示常見p-v圖和T-s圖pv2139第五節(jié)工質(zhì)的狀態(tài)變化過程非平衡狀態(tài)無法簡單描述平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換一切過程都是平衡被破壞，故實際過程都是不平衡的。熱力學(xué)引入準靜態(tài)（準平衡）過程quasi-static,orquasi-equilibrium若過程進行得相對緩慢，工質(zhì)在平衡被破壞后自動回復(fù)平衡所需的時間，即所謂弛豫時間很短，工質(zhì)有足夠的時間來恢復(fù)平衡，隨時都不致顯著偏離平衡狀態(tài)，這樣的過程就叫做準平衡過程，又稱準靜態(tài)過程。一、準靜態(tài)過程401.一般過程p1

=

p0+重物p，Tp0T1

=

T0突然去掉重物p2

=

p0T2

=

T0pv12..中間點無法確定，故以虛線表示412.準靜態(tài)過程p，Tp0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)p1

=

p0+重物T1

=

T0可推廣到傳熱、相變和化學(xué)反應(yīng)在坐標圖中用連續(xù)曲線表示42準靜態(tài)過程有實際意義嗎？既是平衡，又是變化既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進行熱功轉(zhuǎn)換理論上準靜態(tài)應(yīng)無限緩慢，工程上怎樣處理？43準靜態(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

準靜態(tài)過程熱力系統(tǒng)恢復(fù)時間較快，以準靜態(tài)過程分析，然后再考慮實際情況加以修正。44二、可逆（reversible）過程Aprocessthatcanreversedwithoutleavinganytraceonthesurroundings.Thatis,boththesystemandthesurroundingsarereturnedtotheirinitialstatesattheendofthereverseprocess.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。

系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。1.定義45實現(xiàn)可逆過程條件：無耗散效應(yīng)的準靜態(tài)過程是可逆過程實現(xiàn)的充要條件。準靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）不平衡勢差耗散效應(yīng)

耗散效應(yīng)irreversibilityDissipativeeffect不可逆根源462.常見的不可逆過程Frequentlyencounteredirreversibilities不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節(jié)流過程(閥門）p1p2p1>p2自由膨脹真空????????????混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★473.可逆過程與準平衡過程的關(guān)系1）可逆=準平衡過程+沒有耗散效應(yīng)

2）準靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著眼于系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界作用的總效果3）可逆過程必然是準平衡過程，而準平衡過程只是可逆過程的必要條件。4）可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示5）可逆過程完全理想，以后均用可逆過程的概念。準靜態(tài)過程很少用。484.引入可逆過程的意義準靜態(tài)過程是實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。可逆過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，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。實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。要盡量設(shè)法減少不可逆因素，使其盡可能地接近可逆過程。49第六節(jié)過程功和熱量一、功Work2)功的熱力學(xué)定義：通過邊界傳遞的能量，其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。

Workisdonebyasystemifthesoleeffectonthesurroundingscouldbetheraisingofaweight.1)功的力學(xué)定義：力和力的方向上位移的乘積。是微小功量，不表示全微分Theproductofaforceandthedistancethroughwhichthisforceacts503)約定：“＋”系統(tǒng)對外界做功取為正“－”外界對系統(tǒng)做功取為負符號:J1J=1N·m比體積v=V/m功率：單位時間內(nèi)完成的功，W1W

=1J/s比功：單位質(zhì)量的物體所做的功，J/kg

w=W/m51二、可逆過程的功（體積變化功—膨脹功與壓縮功）

可逆準靜態(tài)過程＋無摩擦的功——外界壓力與系統(tǒng)壓力相同21dxAFmn在p－V圖上為面積1-2-n-m-1p－V圖——示功圖1kg工質(zhì)

壓縮功：

dv為負

膨脹功與壓縮功統(tǒng)稱體積變化功。膨脹功計算時需知p的表達式52說明：

1）功是過程量，不是狀態(tài)量；2）體積變化功只與氣體的壓力和體積的變化量有關(guān)，而同形狀無關(guān)；3）界面可以是實際存在的，也可以是假想的；但要求是可逆；因摩擦而耗散Wl

、反抗大氣壓力做功Wr

有用功Wu

膨脹過程做的功WWu=W–Wl

–Wr

（可逆過程）4）有用功Usefulwork：

53三、熱量HeatHeatisdefinedastheformofenergythatistransferredbetweentwosystems(oritssurroundings)byvirtueofatemperaturedifference.1.熱量定義：Q

熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，是僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。熱量的單位：J約定：體系吸熱，熱量為“＋”；

體系放熱，熱量為“－”。單位質(zhì)量熱量：54關(guān)于功和熱量的說明相同點：

功和熱量都是過程量—說物系有多少功或熱量是錯誤的。不同點：

（1）功是有規(guī)則的宏觀運動能量的傳遞，作功過程中伴隨著能量形態(tài)的變化；（2）熱量是大量微觀粒子雜亂熱運動的能量的傳熱，不出現(xiàn)能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化；（3）功轉(zhuǎn)變成熱量是無條件的，而熱轉(zhuǎn)變成功是有條件的。55熱量如何表達？熱量是否可以用類似于功的式子表示？引入“熵”pV.12.WT?S?56類比：熱量與體積變化功能量傳遞方式

體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標志

dV,dv

dS

,ds條件

準