熱力學(xué)第一章基本概念

第一章

基本概念BasicConcepts§1-1

熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng))：人為地研究對象1、系統(tǒng)的定義ThermodynamicsystemsystemAquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy§1-1

熱力系統(tǒng)外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)2、系統(tǒng)、外界與邊界邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界surroundingsboundary熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器只交換功只交換熱既交換功也交換熱邊界特性真實(shí)、虛構(gòu)固定、活動fixed、movablereal

、imaginary熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：

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TypesofSystem開口系絕熱系孤立系ClosedsystemControlmassIsolatedsystemOpensystemControlvolume閉口系A(chǔ)diabaticsystem1234mQW1

開口系§1-1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)多相單相簡單可壓縮系統(tǒng)最重要的系統(tǒng)

只交換熱量和一種準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功容積變化功壓縮功膨脹功SimplecompressiblesystemMovingBoundaryWorkCompressionWorkExpansionWork§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量狀態(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)，只與初終態(tài)有關(guān)3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分Stateandstateproperties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：點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù)12ab例：溫度變化山高度變化pointfunction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)Totaldifferentials強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)

如壓力

p、溫度T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)：比容比內(nèi)能比焓比熵單位：/kg/kmol

具有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)Intensiveproperties

Extensiveproperties

強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)速度動能高度位能內(nèi)能溫度應(yīng)力摩爾數(shù)（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（強(qiáng)）（廣）（廣）（廣）（廣）Velocity

KineticEnergyHeight

PotentialEnergyTemperature

InternalEnergyStressMol§1-3基本狀態(tài)參數(shù)壓力

p、溫度T、比容v

（容易測量）1、壓力

p(pressure)

物理中壓強(qiáng)，單位:Pa(Pascal),N/m2常用單位Units：

1

kPa=103

Pa1bar

=105

Pa

1

MPa

=106

Pa

1

atm

=760

mmHg

=1.013105

Pa

1

mmHg

=133.3

Pa

1

at=1

kgf/cm2

=9.80665104

PaBasicstateproperties壓力p測量示意圖絕對壓力與環(huán)境壓力的相對值

——相對壓力注意：只有絕對壓力p

才是狀態(tài)參數(shù)U-tubemanometerBourdonTube絕對壓力與相對壓力示意圖當(dāng)

p

>pb表壓力

pe當(dāng)

p

<pb真空度

pvpbpeppvprelativepressureabsolutepressureGagepressureVacuumpressureOtherPressureMeasurementDevices高精度測量：活塞壓力計(jì)

pistonmanometer工業(yè)或一般科研測量：壓力傳感器

PressuretransducersPiezoelectriceffect

如圖，已知大氣壓pb=101325Pa，U型管內(nèi)汞柱高度差H=300mm，氣體表B讀數(shù)為0.2543MPa，求：A室壓力pA及氣壓表A的讀數(shù)peAA4001441解：強(qiáng)調(diào)：

pb是測壓儀表所在環(huán)境壓力返回§1-3基本狀態(tài)參數(shù)壓力

p、溫度T、比容v

（容易測量）2、溫度

T(Temperature)Basicstateproperties溫度T的一般定義傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺，導(dǎo)熱，熱容量微觀：衡量分子平均動能的量度

T

0.5

mw2溫度的熱力學(xué)定義熱力學(xué)第零定律（R.W.Fowlerin1931）

如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。溫度測量的理論基礎(chǔ)B溫度計(jì)為什么叫做熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律

1931年

T熱力學(xué)第一定律18401850年

E熱力學(xué)第二定律18541855年

S熱力學(xué)第三定律1906年

S基準(zhǔn)溫度的熱力學(xué)定義

處于同一熱平衡狀態(tài)的各個(gè)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。

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Temperaturemeasurement溫度計(jì)物質(zhì)（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準(zhǔn)點(diǎn)刻度

Scale溫標(biāo)

TemperaturescaleReferencestate溫標(biāo)Temperaturescale熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對溫標(biāo)）Kelvinscale

（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）

攝氏溫標(biāo)Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）華氏溫標(biāo)Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)朗肯溫標(biāo)Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)常用溫標(biāo)之間的關(guān)系絕對K攝氏℃

華氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點(diǎn)水三相點(diǎn)鹽水熔點(diǎn)發(fā)燒水沸點(diǎn)559.67溫標(biāo)的換算TemperatureMeasurementDevices水銀溫度計(jì)thermometer，酒精溫度計(jì)，熱電偶Thermocouple熱電阻Resistancetemperaturedetector輻射溫度計(jì)Radiationthermometer鉑電阻溫度計(jì)Platinum激光全息干涉儀CARS（相干反斯托克斯喇曼光譜）法§1-3基本狀態(tài)參數(shù)壓力

p、溫度T、比容v

（容易測量）3、比容

v(specificvolume)Basicstateproperties[m3/kg]工質(zhì)聚集的疏密程度物理上常用密度density

[kg/m3]§1-4平衡狀態(tài)Equilibriumstate1、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(shí)間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。Asysteminequilibriumexperiencesnochangeswhenitisisolatedfromitsurroundings.ManytypesofEquilibrium1、熱平衡Thermalequilibrium:ifthetemperatureisthesamethroughouttheentire溫差

Temperaturedifferential熱不平衡勢UnbalancedpotentialsManytypesofEquilibrium2、力平衡Mechanicalequilibrium:ifthereisnochangeinpressureatanypointofthesystemwithtime

Thevariationofpressureasaresultofgravityinmostthermodynamicsystemisrelativelysmallandusuallydisregarded壓差

Pressuredifferential力不平衡勢UnbalancedpotentialsManytypesofEquilibrium3、相平衡Phaseequilibrium:whenthemassofeachphasereachesanequilibriumlevelandstaysthere4、化學(xué)平衡Chemicalequilibrium:ifitschemicalcompositiondoesnotchangewithtime.Thatis,nochemicalreactionsoccur.§1-4平衡狀態(tài)Equilibriumstate

溫差

—熱不平衡勢

壓差

—力不平衡勢

相變

—相不平衡勢化學(xué)反應(yīng)

—化學(xué)不平衡勢平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢Inanequilibriumstatetherearenounbalancedpotentials平衡Equilibrium與穩(wěn)定Steady穩(wěn)定：參數(shù)不隨時(shí)間變化穩(wěn)定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態(tài)變化若以（熱源+銅棒+冷源）為系統(tǒng)，又如何？穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定平衡Equilibrium與均勻Even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§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)？狀態(tài)公理Statepostulate閉口系：而不平衡勢差彼此獨(dú)立獨(dú)立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢差數(shù)

=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、表面張力功等不平衡勢差狀態(tài)變化能量傳遞消除一種

達(dá)到某一

消除一種能量不平衡勢差方面平衡傳遞方式簡單可壓縮系統(tǒng)的獨(dú)立變量數(shù)簡單可壓縮系統(tǒng)：N=n+1=絕熱簡單可壓縮系統(tǒng)

N=?2只交換熱量和一種準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功

Thestateofasimplecompressiblesystemiscompletelyspecifiedbytwoindependentproperties狀態(tài)方程Equationofstate簡單可壓縮系統(tǒng)：N=2狀態(tài)方程

基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關(guān)系狀態(tài)方程的具體形式理想氣體的狀態(tài)方程實(shí)際工質(zhì)的狀態(tài)方程？？？取決于工質(zhì)的性質(zhì)TheIdeal-GasEquationofState例：R134a的維里型狀態(tài)方程座標(biāo)圖diagram簡單可壓縮系統(tǒng)

N=2，平面坐標(biāo)圖pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標(biāo)圖上說明：2）過程線中任意一點(diǎn)為平衡態(tài)3）不平衡態(tài)無法在圖上用實(shí)線表示常見p-v圖和T-s圖21§1-6準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)無法簡單描述熱力學(xué)引入準(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)平衡）過程quasi-static,orquasi-equilibrium一般過程Processp1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0pv12..準(zhǔn)靜態(tài)過程Quasi-staticprocessp1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0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(shí)接近于平衡態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)過程有實(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：理論上準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)無限緩慢，工程上怎樣處理？準(zhǔn)靜態(tài)過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)過程Relaxationtime準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程應(yīng)用例：活塞式內(nèi)燃機(jī)2000轉(zhuǎn)/分曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運(yùn)動速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350m/s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）一般的工程過程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛睖?zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功pp外f初始：pA

=p外A

+fA如果

p外微小可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程dl以汽缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變化對外界作的功W

=pAdl=pdV1kg工質(zhì)w

=pdvdl很小，近似認(rèn)為p不變MovingBoundaryWork準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功pp外2mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdv1注意：上式僅適用于準(zhǔn)靜態(tài)過程示功圖indicator(p-V)diagrampV.12.pp外21mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdvW準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功的說明pV.12.2）

p-V圖上用面積表示3）功的大小與路徑有關(guān)，

過程量Pathfunction4）統(tǒng)一規(guī)定：dV>0，膨脹對外作功（正）

dV<0，壓縮外內(nèi)作功（負(fù)）5）適于準(zhǔn)靜態(tài)下的任何工質(zhì)（一般為流體）6）外力無限制，功的表達(dá)式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)1）單位為[kJ]

或[kJ/kg]Ww摩擦損失FrictionLoss的影響若有f存在，就存在損失pp外21系統(tǒng)對外作功W，外界得到的功W’<W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功W’’<W’則外界、活塞、系統(tǒng)不能同時(shí)恢復(fù)原態(tài)。摩擦損失FrictionLoss的影響若f＝0pp外21系統(tǒng)對外作功W，外界得到的功W’＝W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)則外界、活塞、系統(tǒng)同時(shí)恢復(fù)原態(tài)。可逆reversible過程的定義

系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，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，則此過程為可逆過程。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?？赡孢^程的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)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

不可逆根源

耗散效應(yīng)

耗散效應(yīng)irreversibilityDissipativeeffectHeattransfer常見的不可逆過程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節(jié)流過程

(閥門）p1p2p1>p2FrequentlyencounteredirreversibilitiesThrottler常見的不可逆過程混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★自由膨脹真空????????????FrequentlyencounteredirreversibilitiesUnrestrainedexpansionMixingprocess引入可逆過程的意義

準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)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?？赡孢^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。§1-7功量Work1、力學(xué)定義:力在力方向上的位移2、熱力學(xué)定義I熱力學(xué)定義II功的力學(xué)定義DefinitionofWorkofMechanics鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器Theproductofaforceandthedistancethroughwhichthisforceacts力在力方向上的位移But功的熱力學(xué)定義I當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時(shí)，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。

Workisdonebyasystemifthesoleeffectonthesurroundings

couldbetheraisingofaweight.功的熱力學(xué)定義II

Workisanenergyinteractionbetweenasystemanditssurroundings,iftheenergycrossingtheboundaryofaclosedsystemisnotheat,itmustbework.

功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推動下，通過有序運(yùn)動方式傳遞的能量。功的表達(dá)式功的一般表達(dá)式熱力學(xué)最常見的功容積變化功

其他準(zhǔn)靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等§1-8熱量與熵HeatandEntropyHeatisdefinedastheformofenergythatistransferredbetweentwosystems(oritssurroundings)byvirtueofatemperaturedifference.

熱量定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度的推動下，以微觀無序運(yùn)動方式傳遞的能量。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)過程量過程量推動力壓力p

溫度T標(biāo)志

dV,dv

dS

,ds公式條件準(zhǔn)靜態(tài)或可逆可逆熵（Entropy）的定義reversible比參數(shù)

[kJ/kg.K]ds:

可逆過程

qrev除以傳熱時(shí)的T所得的商

廣延量

[kJ/K]熵的說明1、熵是狀態(tài)參數(shù)

3、熵的物理意義：熵體現(xiàn)了可逆過程

傳熱的大小與方向2、符號規(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)算可逆過程的傳熱量示功圖與示熱圖pVWTSQ

示功圖溫熵(示熱)圖§1-9熱力循環(huán)Cycle要實(shí)現(xiàn)