1工程熱力學（52學時）知識資料第一章

第一章

基本概念BasicConcepts

南京航空航天大學能源與動力學院2015基本要求掌握工程熱力學中一些基本術語和概念：熱力系、平衡態(tài)、準平衡過程、可逆過程等。掌握狀態(tài)參數(shù)的特征，基本狀態(tài)參數(shù)p、v、T的定義和單位等。掌握熱量和功量這些過程量的特征，并會用系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)對可逆過程的熱量、功量進行計算。了解工程熱力學分析問題的特點、方法和步驟?！?-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選取一定的工質或空間作為研究對象，稱之為熱力系統(tǒng)。§1-1熱力系統(tǒng)1、系統(tǒng)的定義Thermodynamicsystem系統(tǒng)完全由研究者自己來設定。我的系統(tǒng)，聽我的！§1-1熱力系統(tǒng)外界：系統(tǒng)以外的所有物質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邊界特性真實、虛構固定、活動fixed、movablereal

、imaginary思考

系統(tǒng)和外界通過邊界會有哪些相互作用？Closedsystem—quantityof

matterunderstudyControlmassOnlyheatandworkcancross

boundaryofclosedsystemOpensystem—regioninspaceonwhichattentionisfocusedControlvolumeHeatandworkmay

crosscontrolsurfaceMassmayalsocross

controlsurface熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關系劃分：

有無是否傳質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、質非孤立系孤立系TypesofSystem開口系絕熱系孤立系ClosedsystemControlmassIsolatedsystemOpensystemControlvolume閉口系Adiabaticsystem1234mQW1

開口系§1-1熱力系統(tǒng)非孤立系＋相關外界＝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性質

均勻系

非均勻系工質種類多元系單元系相態(tài)多相單相閉口系統(tǒng)是指系統(tǒng)本身質量不改變的系統(tǒng)。

開口系統(tǒng)的質量一定會發(fā)生改變。

孤立系統(tǒng)的質量不可能發(fā)生改變。

閉口絕熱系統(tǒng)的溫度不可能改變。是非題非非是非簡單可壓縮系統(tǒng)最重要的系統(tǒng)

簡單可壓縮系統(tǒng)只交換熱量和一種準靜態(tài)的容積變化功容積變化功壓縮功膨脹功Simplecompressiblesystem§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Stateandstateproperties§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)Stateandstateproperties

系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的全部或一部分發(fā)生變化，即表明物質的狀態(tài)發(fā)生變化。物質的狀態(tài)變化也必然可由參數(shù)的變化標志出來。狀態(tài)參數(shù)一旦確定，工質的狀態(tài)也完全確定。因而狀態(tài)參數(shù)是熱力系統(tǒng)的單值函數(shù)，其值只取決于初終態(tài)，與過程無關。§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)Stateandstateproperties狀態(tài)參數(shù)的特征：1、單值性：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)的變化量與路徑無關，只與初終態(tài)有關狀態(tài)參數(shù)的積分特征

狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關，只與初終態(tài)有關。數(shù)學上：點函數(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z=z(x,y)狀態(tài)參數(shù)是點函數(shù)，其微分是全微分充要條件：可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)Totaldifferentials狀態(tài)參數(shù)

基本狀態(tài)參數(shù)：壓力、溫度、比體積不可測參數(shù)：熱力學能、焓、熵等復合參數(shù)：吉布斯函數(shù)、亥姆霍茲函數(shù)

§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，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

=1.013

105

Pa

1

mmHg

=133.3

Pa

1

at=1

kgf/cm2

=9.80665

104

PaBasicstateproperties

壓力——P

單位面積上的垂直作用力稱為壓力，它是表征宏觀系統(tǒng)力平衡性質的平衡狀態(tài)參數(shù)。

分子運動學說認為壓力是大量氣體分子撞擊器壁的平均結果?！?-3基本狀態(tài)參數(shù)Basicstateproperties壓力p測量壓力表中顯示的壓力即為狀態(tài)參數(shù)？？？

注意：只有絕對壓力p才是狀態(tài)參數(shù)示意圖U-tubemanometerBourdonTube絕對壓力與相對壓力當

p

>pb表壓力

pe當

p

<pb真空度pv示意圖pbpeppvprelativepressureabsolutepressureGagepressureVacuumpressure環(huán)境壓力與大氣壓力——指壓力表所處環(huán)境注意：

環(huán)境壓力一般為大氣壓，但不一定。見課堂習題環(huán)境壓力Environmentalpressure大氣壓力

Atmosphericpressure工程計算中的壓力

工程計算中，選取的壓力必須是絕對壓力?；痣姀S中所測得的鍋爐汽包、主蒸汽的壓力值都是表壓力，負壓燃燒鍋爐爐膛內的煙氣和凝汽器內乏汽的壓力值為真空，計算時都須換算為絕對壓力。OtherPressureMeasurementDevices高精度測量：

活塞壓力計

pistonmanometer工業(yè)或一般科研測量：壓力傳感器

Pressuretransducers活塞壓力計陶瓷型壓力傳感器金屬應變式壓力傳感器§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

溫度是用來標志物體冷熱程度的物理量。給出嚴格、確切的定義，和熱力學基本定律有密切的關系。溫度T的一般定義傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺，導熱，熱容量微觀：衡量分子平均動能的量度

T

0.5

mw21)

同T

,0.5mw2不同，如碳固體和碳蒸氣2)

0.5mw2總

0,T

0,1951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

0.5mw

2=0

分子一切運動停止，零點能溫度的熱力學定義熱力學第零定律（R.W.Fowlerin1931）

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。溫度測量的理論基礎B溫度計為什么叫做熱力學第零定律熱力學第零定律

1931年

T熱力學第一定律18401850年

E熱力學第二定律18541855年

S熱力學第三定律1906年

S基準溫度的熱力學定義

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

一切系統(tǒng)必定存在一個共同的、表征系統(tǒng)微觀熱運動強度和宏觀熱平衡性質的狀態(tài)參數(shù)，這個狀態(tài)參數(shù)就稱為溫度。溫度如何描述？

溫度如何測量？溫標Temperaturescale

規(guī)定定義點并給出其溫度的準確值選定一定數(shù)量的固定參考點，這些點的溫度值應具有良好的復現(xiàn)性根據(jù)固定點的布局和溫度范圍的不同，選擇相應的測溫物質以及測溫方法建立起各個溫度段中的物性與溫度的函數(shù)關系溫度的數(shù)值表示方法

任選一種物質的某一測溫屬性，采用以上溫標的規(guī)定所得到的溫標稱為經驗溫標，經驗溫標依賴于測溫物質的物理性質。熱力學理論指出可以建立一種不依賴于測溫物質的性質的溫標,即熱力學絕對溫標。溫標的性質1714年Farenheit建立了華氏溫標基準點、固定參考點：水、冰和氯化銨混合物(0oF)

人體的溫度(96oF)12等分1742年Celsius建立了攝氏溫標基準點、固定參考點：水的冰點(100oC)、水的沸點(0oC)100等分經驗溫標開爾文在熱力學第二定律的基礎上，從理論上引入的與測溫物質性質無關的溫標。它可作為標準溫標，一切經驗溫標均可以用此溫標來校正。

符號為T，單位為K(稱“開爾文”)。

規(guī)定水的三相點為基準點，并規(guī)定此點的溫度為273.16K絕對溫標溫標Temperaturescale

熱力學溫標（絕對溫標）Kelvinscale

（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）

攝氏溫標Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）

華氏溫標Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)

朗肯溫標Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)常用溫標之間的關系絕對K攝氏℃

華氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點水三相點鹽水熔點發(fā)燒水沸點559.67溫標的換算Temperaturemeasurement溫度計物質（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準點刻度

Scale溫標

TemperaturescaleReferencestateTemperatureMeasurementDevices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熱電偶測溫原理§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]工質聚集的疏密程度物理上常用密度density

[kg/m3]比參數(shù)比參數(shù)：比容比內能比焓比熵單位：/kg/kmol

同物質的量無關強度參數(shù)與廣延參數(shù)強度參數(shù)：與物質的量無關的參數(shù)如壓力

p、溫度T廣延參數(shù)：與物質的量有關的參數(shù)

可加性如

質量m、容積

V、內能

U、焓

H、熵SIntensivepropertiesExtensiveproperties強度參數(shù)與廣延參數(shù)速度動能高度

位能

內能溫度應力摩爾數(shù)（強）（強）（強）（強）（廣）（廣）（廣）（廣）Velocity

KineticEnergyHeight

PotentialEnergyTemperature

InternalEnergyStressMol§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)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。Asysteminequilibriumexperiencesnochangeswhenitisisolatedfromitsurroundings.以銅棒為系統(tǒng)。經過足夠長時間后，是否可以稱為處于平衡狀態(tài)？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

—相不平衡勢化學反應

—

化學不平衡勢平衡的本質：不存在不平衡勢Inanequilibriumstatetherearenounbalancedpotentials§1-4平衡狀態(tài)Equilibriumstate系統(tǒng)內部或系統(tǒng)與外界之間的一切不平衡勢差（力差、溫差、化學勢差）消失是系統(tǒng)實現(xiàn)熱力平衡狀態(tài)的充要條件。平衡狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)之間的關系？平衡狀態(tài)與均勻狀態(tài)之間的關系？平衡Equilibrium與穩(wěn)定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)則一定是均勻的平衡Equilibrium與均勻Even對于處于熱力平衡態(tài)下的氣體、液體（單相），如果不計重力的影響，則系統(tǒng)內部各處的性質是均勻一致的，各處的溫度、壓力、比體積等狀態(tài)參數(shù)相同。如果考慮重力影響，則系統(tǒng)中的壓力和密度將沿高度而有所差別。對于氣液兩相并存的熱力平衡系統(tǒng)，氣相和液相的密度不同，因而系統(tǒng)不是均勻的。本書在未加特別說明之處，一律把平衡狀態(tài)下的單相物系當作是均勻的，各處的狀態(tài)參數(shù)相同。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）描述能量交換狀態(tài)變化破壞平衡如何描述§1-5準靜態(tài)/平衡過程平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉換非平衡狀態(tài)無法簡單描述平衡狀態(tài)是死態(tài)，沒有能量交換

就熱力系本身而言，熱力學僅對平衡狀態(tài)進行描述，“平衡”意味著宏觀是靜止的，而要實現(xiàn)能量交換，熱力系又必須通過狀態(tài)的變化即過程來完成，“過程”意味著變化，意味著平衡被破壞?！捌胶狻焙汀斑^程”這兩個矛盾的概念怎樣統(tǒng)一起來呢？這就需要引入準平衡（靜態(tài)）過程。建立準平衡過程的目的quasi-static,orquasi-equilibrium

同數(shù)學上的積分概念相比擬。同學們大膽推測一下準平衡過程建立的基本方法？一般過程Processp1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0pv12..準靜態(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)隨時接近于平衡態(tài)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，又可進行熱功轉換疑問：理論上準靜態(tài)應無限緩慢，工程上怎樣處理？弛豫時間

在外界不產生任何影響的條件下，系統(tǒng)從一個非平衡狀態(tài)出發(fā)，經過足夠長的時間（弛豫時間），總能達到一個，而且只有一個穩(wěn)定的熱力學平衡狀態(tài)。我們稱之為穩(wěn)定平衡態(tài)定律。(TheLawofStableEquilibrium,LSE)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）恢復平衡所需時間（馳豫時間）>>有足夠時間恢復新平衡

準靜態(tài)過程Relaxationtime準靜態(tài)過程是實際過程進行得足夠緩慢的極限情況。一般的工程過程都可認為是準靜態(tài)過程具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛薄?-6狀態(tài)方程、坐標圖平衡狀態(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，獨立狀態(tài)參數(shù)個數(shù)

N=n+1想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？狀態(tài)公理Statepostulate狀態(tài)公理：對組元一定的閉口系，獨立狀態(tài)參數(shù)個數(shù)

N=n+1對于組成一定的物質系統(tǒng)，該系統(tǒng)平衡態(tài)的獨立狀態(tài)參數(shù)有

n+1n－表示系統(tǒng)與外界進行準靜功交換的種類數(shù)目1－表示系統(tǒng)與外界的熱交換狀態(tài)公理Statepostulate閉口系：而不平衡勢差彼此獨立

獨立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢差數(shù)

=能量轉換方式的數(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)的獨立變量數(shù)簡單可壓縮系統(tǒng)：N=n+1=2只交換熱量和一種準靜態(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)之間的關系狀態(tài)方程的具體形式理想氣體的狀態(tài)方程實際工質的狀態(tài)方程？？？取決于工質的性質TheIdeal-GasEquationofState座標圖diagram簡單可壓縮系統(tǒng)N=2，平面坐標圖pv1）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21準靜態(tài)過程的容積變化功pp外f初始：p

A

=p外

A

+fA如果

p外微小

可視為準靜態(tài)過程dl以汽缸中mkg工質為系統(tǒng)mkg工質發(fā)生容積變化對外界作的功

W

=p

A

dl=pdV1kg工質

w

=pdvdl很小，近似認為p不變MovingBoundaryWork準靜態(tài)過程的容積變化功pp外2mkg工質：

W=pdV1kg工質：

w=pdv1注意：上式僅適用于準靜態(tài)過程示功圖indicator(p-V)diagrampV.12.pp外21mkg工質：

W=pdV1kg工質：

w=pdvW準靜態(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，

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

dV<0，壓縮外內作功（負）5）適于準靜態(tài)下的任何工質（一般為流體）6）外力無限制，功的表達式只是系統(tǒng)內部參數(shù)7）有無f，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別1）單位為[kJ]

或[kJ/kg]Ww

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。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。§1-7可逆reversible過程

可逆過程必須是準平衡過程，即必須在勢差足夠小、變化足夠慢的條件下進行。這樣，每個中間狀態(tài)都可以看作是平衡狀態(tài)。而且，一旦改變勢差的方向，即可改變過程的方向?？赡孢^程必須滿足的條件I

可逆過程中不存在任何耗散效應，如摩擦、擾動、電阻、永久變形等。即可逆過程是無耗散效應的準靜態(tài)過程。可逆過程必須滿足的條件II可逆過程的實現(xiàn)準靜態(tài)過程+無耗散效應=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(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

耗散效應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)內工質的狀態(tài)參數(shù)表達，可不考慮系統(tǒng)與外界的復雜關系，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?？赡孢^程和準平衡過程的區(qū)別?思考

一切準平衡過程只要求系統(tǒng)內部平衡，而有無外部機械摩擦對系統(tǒng)內部平衡無影響，所以準平衡過程可以存在耗散效應。

可逆過程則是分析系統(tǒng)與外界作用的總效果，不僅要求系統(tǒng)內部平衡，而且要求系統(tǒng)與外界的作用可以無條件逆復，過程進行時不能存在任何能量上的耗散。

可逆過程必是準平衡過程，準平衡過程是可逆過程的必要條件?？赡孢^程和準平衡過程的區(qū)別§1-8功量Work1、力學定義:力

在力方向上的位移2、熱力學定義功的熱力學定義I

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為取起重物，此即為熱力系對外作功。

Workisdonebyasystemifthesoleeffectonthesurroundings

couldbetheraisingofaweight.功的熱力學定義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，通過有序運動方式傳遞的能量。功的表達式功的一般表達式熱力學最常見的功容積變化功

其他準靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等系統(tǒng)在膨脹過程中所作出的功，可能一部分被摩擦耗散，一部用以排斥大氣、反抗大氣壓力作用，余下的才是可被利用的功，稱為有用功有用功＝膨脹功－排斥大氣功－耗散功其中排斥大氣功：對于可逆過程，有用功為：有用功§1-9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，以微觀無序運動方式傳遞的能量。熵（Entropy）的定義reversible比參數(shù)[kJ/kg.K]ds:

可逆過程

qrev除以傳熱時的T所得的商

清華大學劉仙洲教授命名為“熵”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)吸熱時為正

Q>0dS>0系統(tǒng)放熱時為負

Q<0dS<04、用途：判斷熱量方向計算可逆過程的傳熱量示功圖與示熱圖pVWTSQ

示功圖溫熵(示熱)圖熱量與容積變化功能量傳遞方式容積變化功傳熱量性質過程量過程量推動力壓力p

溫度T標志dV,dv

dS

,ds公式條件準靜態(tài)或可逆