工程热力学第1章基本概念新

1、第一章 基本概念Basic Concepts本章要点热力系、对工质状态的描述、状态与状态参数的关系、状态参数、平衡状态、状态方程、可逆过程。§1-1热力学的研究对象热力系一、热力系的定义按照某种目的人为地从周围环境中分离出来进行研surroundings究的对象就叫做热力学系 Thermodynamic systemsystem统，简称系统或热力系。systemA quantity of matter or a regionin space chosen for studyboundarysurroundings热力系以外的东西称为外界，也称为环境。environmentbounda

2、ry热力系与外界的界面称为边界。§1-1热力学的研究对象热力系一、热力系的定义surroundingsQ系统与外界的作用都通过边界进行，一般有三种相互作用，即heat热量交换Q，以热力系吸热为Wsystem正，放热为负。work功量交换W以热力系对外界做功为正，外界对热力系做功为负。massboundarym质量交换m，不分正负。§1-1热力学的研究对象热力系一、热力系的定义system boundarysurroundings热力系、边界、外界都是人为抽象出来的概念。其边界可以是真实的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是运动的。完全是人的的体现。意志真实 、运动虚构、

3、固定§1-1热力学的研究对象热力系一、热力系的定义二、热力系统分类systemsurroundings以系统与外界关系划分：有无mass是否质量交换heat是否热量交换work是否功量交换open systemclosed system开口系（体积）闭口系（质量）Control VolumeControl Mass非绝热系绝热系adiabatic system非绝功系绝功系adiabatic system是否热、功、质量交换 非孤立系孤立系nonisolated system isolated system热力系统选取的人为性system汽轮机过热器只交换功锅炉work既交换功也交换

4、热heat只交换热发电机凝汽器给水泵热力系统选取的人为性system1 Þ 开口系open system热力系1质量源1+2 Þ 闭口系closed system 1+2+3 Þ 绝热闭口系adiabatic closed system 1+2+3+4 Þ 孤立系isolated systemm2QW热源43功源非孤立系相关外界孤立系均匀系uniform system物理化学性质非均匀系nonuniform systemworking fluidsystem热力系其它分类方式单元系single-component system工质种类多元系multico

5、mponent system单相系single-phase system相态多相系multi-phase systemcompressibility可压缩性可压缩系compressible system不可压缩系incompressible system§1-1热力学的研究对象热力系system热力系的分类本质上是处理方法的分类 。一、热力系的定义二、热力系统分类闭口系拉格朗日法：它通过跟踪某一个质点来研究物质的运动规律。质量Control Mass 开口系欧拉法：通过研究某一个空间内“场”的规律来研究物质运动规律，而并不去计较某一个粒子的行为。容积Control Volumesys

6、tem最重要的方法Þ使热力系尽量简单的方法简单 Þ只交换热量和一种功reversible processmoving boundary workheatwork可逆过程的体积变化功simple compressible system简单可压缩热力系最重要的系统 Þcompression work压缩功膨胀功expansion work体积变化功§1-2热力系的描述状态和状态参数一、热力系的状态、状态参数和平衡状态statesystem状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观物理状况。state properties状态参数：描述热力系状态的物理量。并不是所有的状

7、态都有状p1态参数。只有当热力系内部参数处处相等时，其内部状态才能用状态参数来表征。即p=p1=p2p2§1-2热力系的描述状态和状态参数一、热力系的状态、状态参数和平衡状态pressuremechanical equilibrium处处相等，这时热力系处于力平衡。teraturesystem thermal equilibrium温度处处相等，这时热力系处于热平衡。压差、温差通常称为不平衡势。chemical equilibrium化学不平衡势为零时就处于化学平衡，相不平衡势为零时就处于相平衡。phase equilibrium温差 热不平衡势压差 力不平衡势化学反应 化学不平衡势

8、相变相不平衡势§1-2热力系的描述状态和状态参数一、热力系的状态、状态参数和平衡状态system如果一个热力系所有的不平衡势都为零，那么就可以用所有的状态参数去描述它了。我们称这时的热力系处于平衡状态，简称平衡态。equilibrium state原始定义是：在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果热力系的状态参数长时间不随时间变化，则该热力系所处的状态就称为平衡状态。平衡的本质：不存在不平衡势§1-2热力系的描述状态和状态参数一、热力系的状态、状态参数和平衡状态equilibrium state steady flow注意平衡状态与稳定状态的区别。稳定：参数不随时间变化

9、稳定但存在不平衡势差surroundings去掉外界影响，则状态state变化。若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？equilibriumsteady稳定不一定平衡，但平衡一定稳定。§1-2热力系的描述状态和状态参数一、热力系的状态、状态参数和平衡状态equilibrium state uniform state注意平衡状态与均匀状态的区别。equilibrium平衡：时间上uniform均匀：空间上平衡不一定均匀，均匀则一定是平衡的。为什么引入平衡概念？system equilibrium如果系统平衡，可用一组确切的参数properties（、温度）描述。equilibrium

10、 state但平衡状态是死态(dead state )，没有能量交换。energystate§1-2热力系的描述状态和状态参数一、热力系的状态、状态参数和平衡状态statestate properties可见，并不是所有的状态都有状态参数。状态参数存在 的条件是平衡状态。equilibrium state非平衡态则不能用状态参数表征，或者说非平衡态没有 状态参数。状态参数：描述热力系平衡状态的物理量。engineering thermodynamics equilibrium thermodynamics工程热力学只能研究平衡态，严格说是平衡态热力学。working fluidsys

11、tem热力系不是虚无的，它通常是由某些工作物质（简称工质）所组成的。通常把热力系与工质不加区分，热力系的状态参数也就通常与物质的状态述物质宏观状况的状态参数。如press在一起，成为描、温度、体积等。temperature§1-2热力系的描述状态和状态参数一、热力系的状态、状态参数和平衡状态二、基本状态参数pressure temperaturep、温度 T、比体积 v（可测量）specific volume1、比体积（质量体积，比容）vV1v =mrm3/kgstate properties的疏密程度的状态参数。working fluid反映工质§1-2热力系的描述状态和

12、状态参数一、热力系的状态、状态参数和平衡状态二、基本状态参数、流体压强，面积上所作用的力的法向分量称为或压强。Fnp = N/m2 ， PaA其他常用：1 bar = 105Pa,1 MPa = 106 Pa1 atm = 760 mmHg = 1.013´105 Pa1 mmHg =133.3 Pa1 at=735.6 mmHg = 9.80665´104 Pap的测量absolute pressure一般是绝对与环境的相对值relative pressure state properties状态参数相对注意：只有绝对pabsolute绝对与相对gage pressure

13、pressurep = pg + pbp = pb - pv当 p > pb当 p < pbpg = r gzpg表vacuum pressure真空度 pvpv = r gz¢pgpvppbp环境与大气surroundingspressure环境指表所处环境的。atmospheric pressure注意：环境一般为大气压，但不一定。见习题12大气压随时间、地点变化。relative pressure表所测均为相对barometer大气压由专门的大气计测量。其它p高精度测量：测量方法e活塞式计工业或一般科研测量：传感器§1-2热力系的描述状态和状态参数一、热力

14、系的状态、状态参数和平衡状态二、基本状态参数3、温度 Ttemperature温度完全是一个人为设计的概念。其概念是建立在热力学第零定律基础之上的 。the zeroth law of thermodynamicssurroundings在没有外界影响的条件下，只要经过足够长的时间，它们将达到相同的冷热程度，传热就会停止。该两物体的物理状况不再发生变化，根据平衡的equilibrium定义，就把这种状况称为热平衡。thermal equilibrium热力学第零定律the zeroth law of thermodynamics热力学第零定律（R.W. Fowler）system如果两个系统分

15、别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。thermal equilibriumtemperature温度测量的理论基础温度计thermometerB温度的热力学定义thermal equilibrium处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量¾ 温度。temperaturesystem温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。热力学第零定律名1931年TE S热力学第零定律the zeroth law of thermodynamics18401850年热力学第一定律the first law of thermo

16、dynamics18501865年热力学第二定律the second law of thermodynamics1906年S零点热力学第三定律the third law of thermodynamics温度的度量温标pr与re specific volume比体积温度能直接确定其数值，反映了温度概念的抽象temperature性，不直观。temperature scale温度的数值表示法称作温标。物质 （水银，铂电阻，热电偶）thermometer温度计原理特性 （体积膨胀，阻值，电势）显然，温度计刻度显示的并不是温度本身！temperature scale温度的度量温标thermomete

17、r的两个温度计除了0外的其他读数一样吗？和100这种依赖于测温物质的某一物理性质建立的温标称为经验温标。经验温标不是一种客观的温标。empirical temperature scale因此，必须选择一个不依赖于物性而存在的温标！temperature温度的度量温标scalethermodynamic absolute temperature scale最客观的温标热力学绝对温标thermodynamic Celsius temperature scaleKR热力学摄氏温标定义为:t（）=T（K）273.15Fahrenheit scale373.15100 671.67212273.1504

18、91.6732摄氏温度与华氏温度换算5 t （ ）32t（）=9Rankine temperature scale朗肯温度与华氏温度换算t（ ） =T（R）0-273.150-459.6对温标的建立做出贡献的VIP们temperature scale朗肯温度创始人William JohnMacquorn Rankine (1820-1872)华氏温度创始人DanielGabriel Fahrenheit (1686-1736)热力学温标创始人WilliamThomson (1824-1907)摄氏温度创始人AndersCelsius (1701-1744)§1-2热力系的描述状态和状

19、态参数一、热力系的状态、状态参数和平衡状态二、三、基本状态参数状态参数的特性数学特性物理特性equilibrium statepoint function1、与平衡态一一对应。点函数，态函数statestate properties2、状态确定，则状态参单值函数数也确定，反之亦然3、状态参数变total differential全微分，径无关与路化量与过程无关process状态参数的数学特征点函数、态函数、单值函数222òòòdz =dz =dz = z21- z11,a1,b1a ò dz = 0例：山高度变化2b状态参数的数学特征total diff

20、erential设z=z(x , y)dz是全微分充要条件：可是否是状态参数state properties强度参数与广延参数intensive property强度参数：与物质的量无关的参数extensivep、温度T如property广延参数：与物质的量有关的参数¾massvolume internal energyentropy如质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵SLX = å Xii=1广延参数X具有加和性system右边两个热力系是处于同一状态的吗？statep1V1T1p1 T1V2强度参数与广延参数system强度参数比广延参数更真实地反映了热力exten

21、siveintensive property系的本质。property把广延参数强度参数比参数： specific property摩尔比熵比体积比内能比焓参数：molarproperty 摩尔体积 摩尔内能摩尔焓摩尔熵：/kg/kmol它们具有强度量的性质§1-3状态参数间的关系状态方程equilibrium statestate propertiesstate平衡状态可用一组状态参数描述其状态想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？number of independent variables状态参数个数 是多少呢?状态公理闭口系：close systemstate post

22、ulate外界不平衡势差Þ能量传递Þ内部不平衡势差 Þ状态变化消除内部某一种不平衡势差 Þ消除外界某一种不平衡势差 Þ达到某一方面平衡Þ 消除某一种能量传递方式而各个不平衡势之间彼此参数数目i=不平衡势差数number of=能量转换方式的数目=各种功的方式+热量= j+1independent variablesboundary workj ¾体积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等状态公理state postulatemasssystemintensive property引起热力系强度参由于质量进出热力系并数和比参数的改

23、变，因此，上述状态公理同样适用于开口系。open system简单可压缩系统：i = 1 + 1 = 2simple compressible system绝热简单可压缩系统 Þadiabatici = ?状态方程equation of statestate properties状态方程 ¾ 基本状态参数（p,v,T)之间的关系隐函数形式显函数形式状态方程的具体形式equation of stateworking fluid状态方程的具体形式取决于工质的性质propertiesideal gas理想气体的状态方程pv = RgTpV = mRgT实际工质的状态方程？real

24、 gas坐标图simple compressible system简单可压缩热力系 i=2，可以在平面坐标图上显示状态。state说明：system1）系统任何平衡态可表示在坐标图上。2）过程线中任意一点p1为平衡态。equilibriumstate3）非平衡态无法在图上用实线表示。2vp-v图p-V diagram§1-4状态参数的变化热力过程processsystemsurroundings热力过程是热力系内部与外界的一座桥梁，只有通过热力过程才能实现热能与机械能之间的转换，达到热力学的研究目的。但是，thermodynamicsequilibrium statestateene

25、rgythermodynamics热力学引入准静态（准平衡）过程解决这。quasi-static (quasi-equilibrium )process一一般过程p1 = p0+重物突然去掉重物p= p最终20T2 = T0p1 .虚线表示过程是未知的，不确定的，不可控的.2vT1 = T0p0p，T准静态过程p1 = p0+重物T1 = T0quasi-static process假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层系统随时接近于平衡态systemequilibrium statep1 .实线表示.过程是已知的、确定的，可控的. .2vp0p，T准静态过程定义把这种由一系列无限接近平衡状态

26、的状态所组成的热力过程称为准静态过程(quasi-static process )或准平衡过程(quasi-equilibriumprocess ) 。无限接近无限缓慢疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上应怎样处理？准静态过程的工程条件quasi-static processequilibrium>>relaxation time足够缓慢无限缓慢有限近似无限接近准静态过程的意义quasi-static process既是平衡，又是变化equilibrium既可以用状态参数描述，又可进行热功转换state properties准静态过程是的统一体process工程上大多数热力过程都可

27、以看作是准静态过程。thermodynamics但仅有准静态过程是不够的，热力学还需要比准静态过程更严格的条件。这就是可逆过程。reversible process可逆过程的定义systemprocess热力系经历一个热力过程后，如令过程沿原路径逆行而能使热力系与外界同时恢复到原态，不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程 。reversible process反之，如果当热力系沿原路径逆行恢复到原态而外界没有恢复到原态，或外界恢复到原态而热力系没有恢复到原态，即热力系和外界没有同时恢复到原态，则原来的热力过程就是一个不可逆过程。irreversible process可逆过程的实现条件rever

28、sible process通过摩擦等使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）耗散效应无不平衡势差dissipative effect不平衡势差irreversibility不可逆根源耗散效应non-quasi-static process举例：非准静态过程1-2：work2W = òdWpdV=pAdx工质做功working fluid1=pdV2òdW = pSURR AdxW =pSURRdV外界得功surroundings1= pSURR dVprocess显然，只有当 p = pSURR时，过程可逆向进行，满足热力系与外界同时返回原态的可逆条件。revers

29、ibleppSURRAdx结论：如果是非准静态过程， 则一定是不可逆过程。irreversible process12dissipation同理可证：如果是有耗散的过程，则一定是不可逆过程。irreversible processquasi-static processreversible process结论：准静态过程和无耗散是可逆过程的必要条件。同理可证：如果是可逆过程，则一定是无耗散的准静态过程。结论：准静态过程和无耗散是可逆过程的充分必要条件。即引入可逆过程的意义reversible process可逆过程进行的结果¨产生任何能量损失，理论上热功转换效率最大，可以作为实际过程

30、中能量转换效果比较的标准和努力的方向。irreversibilities¨ 不可逆因素太复杂，不容易直接去研究，而可逆过程比较简单，有助于理论上的分析研究和简化计算。如可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易system surroundings分析。actual process¨ 实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，然后再根据经验，利用修正系数或效率加以修正,得到接近于实际情efficiency况的数据。完全可逆、内可逆与外可逆完全可逆Ö常见可逆内部可逆，外部不可逆外部可逆，内部不可逆正确

31、理解“等温传热”、“无压差膨胀”、“无压差压缩”等说完全不可逆例：内可逆外不可逆法。0 90 §1-5发生热力过程的功和热一、通过边界能量交换之一功(work)1功的定义力学定义:力´ 在力方向上的位移该定义的优点:具体，直观，明确。该定义的缺点:太具体，太直观，太明确。对“力”、“位移”要求有局限性，范围窄，“乘”的关系也太明确，这些都造成该定义适用范围窄。§1-5发生热力过程的功和热一、通过边界能量交换之一功1功的定义热力学定义systemboundarya、功是热力系与外界在边界上发生的一种相互作用，其对外界的唯一效果可归结为举起重surroundings物

32、。workb、功是系统与外界相互作用的式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。显然，上述定义抽象难懂，但一针见血,反映了功的本质,因而适用范围更广。§1-5发生热力过程的功和一热、通过边界能量交换之一功(work)1功的定义simple compressible system2简单可压缩热力系的功 体积功moving boundary worksurroundings体积功的计算以外界得到多少功为准，其微分表d w = Fdx = ( pSURR + f ) Adx = ( pSURR + f )dv 达式为volumework只有体积变化才能交换功，故称为体积变化功或体积功。

33、quasi-static processp = p显然，只有对准静态过程，即以及无SURRd w = pdv f = 0时，有耗散dissipative effectd w = pdv 体积功的微分表达式moving boundary work体积功的表达式SURRpSURRp =pSU RRreversible process即只有可逆条件下上述体积功的表达式才适用。p-V diagramp-V图上面积可以表示体积功的大小。称为示功图。work diagram关于功的几点说明moving boundary workreversible1.只有可逆条件下上述体积功的表达式才适用。即只有可逆过程

34、的功完全可以用热力系内工质的状态参数表达，而不考虑系统与外界的复杂关系。这是可逆过程的重要意义之一。surroundings reversible process2.p-v图称为示功图（work diagram)。显然过程1-2不同，其下 的面积12341也不同，说明体积功不仅和起始点状态1、2有关，而且还和过程有关。因此通常说体积功是一个过程量，而不是状态量。state propertypath function关于功的几点说明work3.其他类型功如拉伸功，表面张力功，电功等也有类似表达式，也是过程量，也只能在可逆条件path functionreversible= -s dA下使用。如d

35、 w弹力 = -s ded w电 = Edsd w张力d w磁 = -m0HdIsystemsurroundingsthermodynamics4.热力学中规定，热力系对外界做功为正值；而外界对热力系做功为负值。5.法定计量焦耳1J1Nm§1-5发生热力过程的功和热一、通过边界能量交换之一功二、通过边界能量交换之二热1热的定义 system surroundings一般定义:热力系与外界之间依靠温差传递的能量称为热量。heat但该定义对可逆的无温差的传热过程有逻辑不适用。 reversible，thermodynamicsmass(2)热力学定义：一个质量不变的热力系，不做功而通过边界传递的能量称为热量。workboundary§1-5发生热力过程的功和热一、通过边界能量交换之一功(work)二、通过边界能量交换之二热(heat) 1热的定义2热的方向heatthermodynamics system热力学中规定：热力系吸热时热量取正值，放热时取负值3热的。卡(或称小卡，calorie,记作cal)的缺点:每当测量的水的比热容精确度改变时，过去的测量数据都得改变。这种与水的比热容有关的卡称为“湿卡”。spec