第二章 基本概念

1、第二章第二章 热力学基本概念热力学基本概念学习目标：学习目标： 理解引入准静态过程、可逆过程的意义及实理解引入准静态过程、可逆过程的意义及实现准静态过程、可逆过程的条件现准静态过程、可逆过程的条件掌握工程热力学中一些基本术语：掌握工程热力学中一些基本术语：热力学系统、热力状态、平衡状态、状态参热力学系统、热力状态、平衡状态、状态参数、准静态过程、可逆过程、功和热量。数、准静态过程、可逆过程、功和热量。Thermodynamic system第一节第一节 热力系统热力系统外界外界surroundings surroundings ： 边界边界( (界面界面) ) boundaryboundary

2、：与系统发生作用的环境与系统发生作用的环境 系统与外界的分界面系统与外界的分界面( (图中用虚线标出图中用虚线标出) )一、系统、边界和外界一、系统、边界和外界热力系统热力系统(热力系、系统热力系、系统)： system热力学中被研究的对象。它是热力学中被研究的对象。它是由封闭表面包围由封闭表面包围的质量恒定的物质的集合或空间的一部分的质量恒定的物质的集合或空间的一部分边界特性边界特性真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动 第一节第一节 热力系统热力系统系统外界物质交换功的交换热的交换二、系统与外界的相互作用二、系统与外界的相互作用系统系统与与外界外界的作用都通过的作用都通过边界边界进行进行

3、第一节第一节 热力系统热力系统三、外界的分类三、外界的分类质源质源功源功源热源热源与系统发生质量交换的外界称为质源与系统发生质量交换的外界称为质源与系统发生功的交换的外界称为功源与系统发生功的交换的外界称为功源与系统发生热量交换的外界称为热源与系统发生热量交换的外界称为热源四、热力系统分类四、热力系统分类以系统与外界的相互作用划分：以系统与外界的相互作用划分： 有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系第一节第一节 热力系统

4、热力系统 开口系统：开口系统： 系统与外界有物质交换；系统与外界有物质交换； 热和功的交换可有可无；热和功的交换可有可无； 通常空间相对固定通常空间相对固定控制体积控制体积系统；系统； 大多数热力设备均是开口系统。大多数热力设备均是开口系统。 闭口系统：闭口系统： 系统与外界没有物质交换；系统与外界没有物质交换； 系统内物质质量是常量系统内物质质量是常量控制质量系统；控制质量系统； 具有恒定质量的系统不一定是闭口系统。具有恒定质量的系统不一定是闭口系统。第一节第一节 热力系统热力系统 绝热系统绝热系统： 系统与外界没有热量交换；系统与外界没有热量交换； 自然界不存在，系统与外界传递热量忽自然界

5、不存在，系统与外界传递热量忽略不计略不计孤立系统孤立系统： 系统与外界既无物质交换，又无热和系统与外界既无物质交换，又无热和功的交换；功的交换； 是一种理想的极限情况。是一种理想的极限情况。第一节第一节 热力系统热力系统热力系统选取的人为性热力系统选取的人为性锅锅炉炉汽轮机汽轮机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器开口系统开口系统绝热系统绝热系统非絶功系统非絶功系统非孤立系统非孤立系统闭口系统闭口系统非绝热系统非绝热系统第一节第一节 热力系统热力系统按系统内部状况分类按系统内部状况分类：物理化学性质物理化学性质 均匀系均匀系工质种类工质种类多元系多元系单元系单元系相态相态多相多相单相单相第一节

6、第一节 热力系统热力系统非均匀系非均匀系非均匀系统：非均匀系统：由两个或两个以上的由两个或两个以上的相组成的系统。相组成的系统。均匀系统均匀系统 ：化学成分和物理性质均化学成分和物理性质均匀一致，由单相组成。匀一致，由单相组成。第一节第一节 热力系统热力系统单元系：单元系：由一种化学成分组成的系统。由一种化学成分组成的系统。多元系：多元系：由两种以上不同化学成分组由两种以上不同化学成分组成的系统。成的系统。第一节第一节 热力系统热力系统单相系：单相系：由单一物相组成的系统。由单一物相组成的系统。复相系：复相系：由两个相以上组成的系统。由两个相以上组成的系统。第一节第一节 热力系统热力系统3、与

7、外界只发生功的交换的热力系统，不可能是、与外界只发生功的交换的热力系统，不可能是_ 。 A封闭系统封闭系统 B绝热系统绝热系统 C开口系统开口系统 DB+C课堂练习课堂练习第一节第一节 热力系统热力系统1.由封闭表面包围的质量恒定的物质的集合或空由封闭表面包围的质量恒定的物质的集合或空间的一部分称为间的一部分称为_ 。A封闭系统封闭系统 B孤立系统孤立系统C热力学系统热力学系统 D闭口系统闭口系统2下列下列_不是与系统发生相互作用的外界。不是与系统发生相互作用的外界。A工源工源 B热源热源C质源质源 D工质工质4.下列下列_与外界肯定没有能量交换。与外界肯定没有能量交换。A绝热系统绝热系统 B

8、孤立系统孤立系统 C封闭系统封闭系统 D开口系统开口系统 5.下列下列_与外界肯定没有热量交换但可能有质量与外界肯定没有热量交换但可能有质量交换。交换。 A绝热系统绝热系统 B孤立系统孤立系统 C封闭系统封闭系统 D开口系统开口系统 6.运行中的锅炉是运行中的锅炉是_ 。 A绝热系统绝热系统 B孤立系统孤立系统 C封闭系统封闭系统 D开口系统开口系统课堂练习课堂练习第一节第一节 热力系统热力系统1.C课堂练习答案课堂练习答案第一节第一节 热力系统热力系统2.D3.C4.B5.D6.D课堂总结课堂总结一、一、二、二、系统的选择取决于研究目的与任务，随系统的选择取决于研究目的与任务，随边界而定，具

9、有随意性。选取不当将不边界而定，具有随意性。选取不当将不便于分析。便于分析。 选定系统后需要精心确定系选定系统后需要精心确定系统与外界之间的各种相互作用以及系统统与外界之间的各种相互作用以及系统本身能量的变化，否则很难获得正确的本身能量的变化，否则很难获得正确的结论。结论。热力系统概念，它与外界的相互作用，三热力系统概念，它与外界的相互作用，三种分类方法及其特点，以及它们之间的相种分类方法及其特点，以及它们之间的相互关系。互关系。第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数State and state properties状态：状态：某一瞬间热力系统所呈现的宏观状况某一瞬间热力系统所呈现的宏观

10、状况状态参数：状态参数：描述热力系统状态的物理量描述热力系统状态的物理量一、状态及状态参数一、状态及状态参数常用的状态参数常用的状态参数：压力压力 p、温度、温度T、体积、体积 V、内能内能 U、焓、焓 H、熵、熵S强度参数（强度量）：强度参数（强度量）：Intensive properties 与物质的量无关的参数。与物质的量无关的参数。 如如压力压力 p、温度温度T广延参数（尺度量）：广延参数（尺度量）：Extensive properties与物质的量有关的参数与物质的量有关的参数可加性可加性 如如 容积容积 V、内能内能 U、焓焓 H、熵熵S比参数：比参数：比比容容VvmUum比比内能

11、内能Hhm比比焓焓Ssm比比熵熵比参数具有强度参数的性质比参数具有强度参数的性质状态参数分类状态参数分类：第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数状态参数的特征：状态参数的特征：1、状态与状态参数之间是一一对应的关系。、状态与状态参数之间是一一对应的关系。即状态确定，则状态参数也确定，反之亦然即状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数的积分特征状态参数的积分特征:状态参数变化量与状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征状态参数的微分特征4、状态参数经过有限次加减乘除、状态参数经过有限次加减乘除,得

12、到的还是得到的还是状态参数。如：状态参数。如：HUpVpV 路径函数的特征：路径函数的特征：状态发生改变时，状态发生改变时，路径函数路径函数不仅与系统的初、不仅与系统的初、终状态有关，还与变化的途径有关，微元变终状态有关，还与变化的途径有关，微元变量不是全微分。量不是全微分。如：容积功、热量等。如：容积功、热量等。第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数定义：定义：在在不受外界影响不受外界影响的条件下的条件下（重力（重力场除外），场除外），系统的状态参数不随时间变化系统的状态参数不随时间变化二、二、平衡状态平衡状态Equilibrium state第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数平

13、衡的平衡的本质本质：不存在不平衡势：不存在不平衡势不平衡势不平衡势Unbalanced potentials 热不平衡势热不平衡势 温差温差 Temperature differential 力不平衡势力不平衡势 压差压差 Pressure differential 相不平衡势相不平衡势 相变相变 Phase change 化学不平衡势化学不平衡势 化学反应化学反应 Chemical change第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数1、热平衡、热平衡Thermal equilibrium : 2、力平衡、力平衡Mechanical equilib

14、rium : 3、相平衡、相平衡Phase equilibrium : 4、化学平衡、化学平衡Chemical equilibrium : 平衡的类型：平衡的类型： 简单热力系统平衡的条件：简单热力系统平衡的条件： 各处压力都相同、各处温度都相同。各处压力都相同、各处温度都相同。 即要处于热平衡和力平衡即要处于热平衡和力平衡第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数 简单热力系统：简单热力系统：与外界的能量交换只有与外界的能量交换只有容积功和热量两种方式容积功和热量两种方式平衡平衡Equilibrium与稳定与稳定Steady稳定：稳定：参数不随时间变化参数不随时间变化稳定稳定但存在但存在不平

15、衡势差不平衡势差去掉去掉外界影响，外界影响，状态变化状态变化若以若以（热源（热源+铜棒铜棒+冷源）冷源）为系统，又如何为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定稳定不一定平衡，但平衡一定稳定第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数平衡平衡Equilibrium与均匀与均匀Even平衡平衡：时间上：时间上均匀均匀：空间上：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的密度突变第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数为什么引入平衡概念？为什么引入平衡概念？如果如果系统平衡系统平衡，可用可用一组一组确切的参确切的参数（数（压力、温度压力、温度）描述描述

16、系统不平衡系统不平衡，无法用无法用一组一组确切的参确切的参数（数（压力、温度压力、温度）描述描述第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数课堂总结课堂总结一、一、二、二、系统的选择取决于研究目的与任务，随系统的选择取决于研究目的与任务，随边界而定，具有随意性。选取不当将不边界而定，具有随意性。选取不当将不便于分析。便于分析。 选定系统后需要精心确定系选定系统后需要精心确定系统与外界之间的各种相互作用以及系统统与外界之间的各种相互作用以及系统本身能量的变化，否则很难获得正确的本身能量的变化，否则很难获得正确的结论。结论。热力系统概念，它与外界的相互作用，三热力系统概念，它与外界的相互作用，三种分

17、类方法及其特点，以及它们之间的相种分类方法及其特点，以及它们之间的相互关系。互关系。稳定状态与平衡状态的区分：稳定状态稳定状态与平衡状态的区分：稳定状态 时时状态参数虽然不随时间改变，但是靠外界状态参数虽然不随时间改变，但是靠外界影响来的。平衡状态是系统不受外界影响影响来的。平衡状态是系统不受外界影响时，参数不随时间变化的状态。二者既有时，参数不随时间变化的状态。二者既有所区别，又有联系。平衡必稳定所区别，又有联系。平衡必稳定,稳定未必稳定未必平衡。平衡。状态参数的特性及状态参数与过程参数状态参数的特性及状态参数与过程参数的区别。的区别。一一二、二、课堂总结课堂总结1 平衡态与稳态（稳态即系统

18、内各点平衡态与稳态（稳态即系统内各点的状态参数均不随时间而变）有何异同？的状态参数均不随时间而变）有何异同？热力学中讨论平衡态有什么意义？热力学中讨论平衡态有什么意义？2外界条件变化时系统有无达到平衡的外界条件变化时系统有无达到平衡的可能？在外界条件不变时，系统是否一可能？在外界条件不变时，系统是否一定处于平衡态？定处于平衡态？课堂练习课堂练习三、三、基本状态参数基本状态参数Basic state properties基本状态参数压力压力 p温度温度 T比容比容 v直接观察直接观察直接测量直接测量第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数（一）压力（一）压力 p压力压力p( pressure

19、) ，物理中物理中压强压强：工质对系统表面单位面积上的垂直作用力工质对系统表面单位面积上的垂直作用力FpA第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数压力基本单位压力基本单位: Pa (Pascal), N/m21.1.定义定义国际单位：国际单位：常用单位及换算：常用单位及换算：第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数工程单位：工程单位：Pa（帕）（帕）MPa（兆帕）（兆帕） KPa（千帕）（千帕）ba（巴）（巴） 1MPa =10bar=103 KPa=106Pakgf/cm2 工程大气压（工程大气压（at） 1at =1 kgf/cm2=9.8104Pa1atm=760mmHg=1.013

20、25105PammHg（汞柱高度汞柱高度）、）、mmH2O （水柱高度）（水柱高度）标准大气压（标准大气压（atm）：）：第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数1 mmHg=133.3Pa1 mmH2O=9.8Pa2.2. 压力表示法压力表示法第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数绝对压力绝对压力 absolute pressure相对压力相对压力relative pressure 绝对压力绝对压力与与环环境压力境压力 Environmental pressure （压力表压力表所处环境）所处环境） 的相对值的相对值第二节第二节 状态和状态参数状态和状态参数环境压力环境压力不为不为大气

21、压时：大气压时：压差压差环境压力环境压力为为大气压大气压pb 时：时：表压力表压力pg真空度真空度pv(p pb ) (p 有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程第三节第三节 热力过程热力过程准静态过程的工程应用准静态过程的工程应用例：例：活塞式内燃机活塞式内燃机 2000转转/分分 曲柄曲柄 2冲程冲程/转，转，0.15米米/冲程冲程活塞运动速度活塞运动速度=2000 2 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度（声速）压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时

22、间）（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是一般的工程过程都可认为是准静态过程准静态过程第三节第三节 热力过程热力过程准静态过程在参数坐标图上可用准静态过程在参数坐标图上可用一条连续实线表示；一条连续实线表示；非准静态过程，由于中间经历了非准静态过程，由于中间经历了不平衡状态，因此无法在参数坐不平衡状态，因此无法在参数坐标图上用实线表示，只能用虚线标图上用实线表示，只能用虚线表示。表示。 能量在转化过程中，有一部分能量转能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，我们无法把这些内能收集起来化为内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫做能量的耗散。耗重新利用，这种现象叫做能量的耗散。耗散意

23、味着散意味着“做功能力做功能力”的下降。做功能力的下降。做功能力下降的程度，在工程热力学中用下降的程度，在工程热力学中用“不可逆不可逆”程度来衡量。程度来衡量。 为了反映系统的最大做功能力，热力为了反映系统的最大做功能力，热力学引入一种理想的热力过程，即可逆过程。学引入一种理想的热力过程，即可逆过程。二、可逆过程与不可逆过程二、可逆过程与不可逆过程定义：定义：系统经历某一过程后，如果能使系统经历某一过程后，如果能使系统系统与与外界外界同时同时恢复到初始状态，而不恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为留下任何痕迹，则此过程为可逆过程可逆过程（reversible process） 。反之称

24、为不可逆过程反之称为不可逆过程第三节第三节 热力过程热力过程（irreversible process） 若有摩擦力若有摩擦力f 存在，就存在损失存在，就存在损失外界得到的功外界得到的功W W若外界将得到的功若外界将得到的功W 再返还给系统，系统得再返还给系统，系统得到的功到的功WT2QFrequently encountered irreversibilities第三节第三节 热力过程热力过程p21p外外摩擦摩擦常见的不可逆过程常见的不可逆过程混合过程混合过程真空真空Frequently encountered irreversibilitiesUnrestrained expansion

25、Mixing process第三节第三节 热力过程热力过程自由膨胀自由膨胀可逆过程的实现可逆过程的实现准静态过程准静态过程 + 无耗散效应无耗散效应 = 可逆过程可逆过程无不平衡势差无不平衡势差通过摩擦等使功变热的效应通过摩擦等使功变热的效应(如：摩阻，电如：摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）阻，非弹性变性，磁阻等）第三节第三节 热力过程热力过程可逆过程一定是准静态过程可逆过程一定是准静态过程准静态过程不一定是可逆过程准静态过程不一定是可逆过程不可逆根源：不可逆根源：不平衡势差、耗散效应不平衡势差、耗散效应准静态过程准静态过程Dissipative effect引入可逆过程的意义引入可逆过程的意

26、义 准静态过程是实际过程的准静态过程是实际过程的理想化理想化过程，过程， 但并非但并非最优最优过程，可逆过程是过程，可逆过程是最优最优过程。过程。 可逆过程的功与热可逆过程的功与热完全完全可用可用系统内系统内工质工质 的的状态参数状态参数表达，可不考虑系统与外界表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。的复杂关系，易分析。 实际过程不是可逆过程，但为了研究方实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按便，先按理想理想情况（情况（可逆过程可逆过程）处理，）处理， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以因素加以修正。修正。第三节第三节 热力过程热力过程例

27、例1 1：有人说，不可逆过程是无法恢复有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？到初始状态的过程，这种说法对吗？不对。关键看是否引起外界变化。不对。关键看是否引起外界变化。可逆过程指若系统回到初态，外界可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到初态。同时恢复到初态。可逆过程并不是指系统必须回到初可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。态的过程。答：答：例例2： 温度为温度为100的热源，非常缓慢地的热源，非常缓慢地把热量加给处于平衡状态下的把热量加给处于平衡状态下的0的冰水的冰水混合物，试问：混合物，试问：1）冰水混合物经历的是）冰水混合物经历的是准静态过程吗？准静态过程吗？2

28、）加热过程是否可逆？）加热过程是否可逆？以冰水混合物为热力系统以冰水混合物为热力系统外部温差传热外部温差传热不可逆不可逆答：答：非常缓慢非常缓慢冰水混合物各处冰水混合物各处的温度随时平衡的温度随时平衡准静态准静态例例3：蒸汽流经减压阀进入汽轮机，蒸汽流经减压阀进入汽轮机，该过程是否可逆？该过程是否可逆？典型的典型的不可逆过程。不可逆过程。答：答：因有漩涡（摩擦），产生因有漩涡（摩擦），产生耗散耗散电或重物电或重物例例4：电或重物带动搅拌器加热容器中电或重物带动搅拌器加热容器中气体，气体，该过程是否可逆？该过程是否可逆？电功电功热热机械功机械功热热耗散耗散不可逆不可逆答：答：准静态过程和可逆过程

29、的概念及之准静态过程和可逆过程的概念及之间的联系间的联系引入准静态过程和可逆过程的必要引入准静态过程和可逆过程的必要性，以及它们在实际应用时的条件。性，以及它们在实际应用时的条件。 课堂总结课堂总结课后练习课后练习判断下列过程是否为可逆过程：判断下列过程是否为可逆过程：1)对刚性容器内的水加热使其在恒温下蒸发。对刚性容器内的水加热使其在恒温下蒸发。2)对刚性容器内的水作功使其在恒温下蒸发。对刚性容器内的水作功使其在恒温下蒸发。3)对刚性容器中的空气缓慢加热使其从对刚性容器中的空气缓慢加热使其从50升温到升温到1004)一定质量的空气在无摩擦、不导热的气缸一定质量的空气在无摩擦、不导热的气缸和活

30、塞中被慢慢压缩和活塞中被慢慢压缩5)100的蒸汽流与的蒸汽流与25的水流绝热混合。的水流绝热混合。6)锅炉中的水蒸汽定压发生过程（温度、锅炉中的水蒸汽定压发生过程（温度、压力保持不变）。压力保持不变）。7)高压气体突然膨胀至低压。高压气体突然膨胀至低压。8)摩托车发动机气缸中的热燃气随活塞迅摩托车发动机气缸中的热燃气随活塞迅速移动而膨胀。速移动而膨胀。9)气缸中充有水，水上面有无摩擦的活塞，气缸中充有水，水上面有无摩擦的活塞，缓慢地对水加热使之蒸发。缓慢地对水加热使之蒸发。第四节第四节 功和热量功和热量1 1、力学定义、力学定义: : 力力 在力方向上的在力方向上的位移位移2、热力学定义、热力

31、学定义I热力学定义热力学定义II一、功一、功Work第四节第四节 功量和热量功量和热量功的热力学定义功的热力学定义I 当热力系统与外界发生能量传递时，当热力系统与外界发生能量传递时，如果对外界的如果对外界的唯一效果可归结为提起重物唯一效果可归结为提起重物，即为热力系对外作功。即为热力系对外作功。功的热力学定义功的热力学定义II 功是系统与外界相互作用的一种方功是系统与外界相互作用的一种方式，在式，在力力的推动下，通过的推动下，通过有序运动有序运动方式方式传递的能量传递的能量。功功是传递过程传递过程中能量的一种形式3、功的表达式、功的表达式wFdxwFdx功功的一般表达式的一般表达式热力学最常见

32、的功热力学最常见的功 容积功容积功 第四节第四节 功量和热量功量和热量单位为单位为 kJ 或或 kJ/kgWw容积功容积功Moving Boundary Work 在热力学中，把工质在热力过程中由于在热力学中，把工质在热力过程中由于容积的改变，系统与外界交换的能量称为容积容积的改变，系统与外界交换的能量称为容积功功 。膨胀功膨胀功expansion work压缩功压缩功compression work是指工质容积增大而使系统与外是指工质容积增大而使系统与外界交换的能量界交换的能量是指由于工质容积减小而使系是指由于工质容积减小而使系统与外界交换的能量。统与外界交换的能量。容积功容积功pp外外f初始：初始：p A = p外外 A + +f