ch1 基本概念及定义

1、1Basic Concepts2几个概念：几个概念：1 (working substance/medium) 定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物（工作介质）定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物（工作介质） 要求：要求： 1) 膨胀性好；膨胀性好； 2) 流动性好；流动性好； 3) 热容量大；热容量大； 4) 稳定稳定性，安全性高；性，安全性高； 5) 对环境友善；对环境友善； 6) 价廉，易大量获取。价廉，易大量获取。 综合比较，在物质的三态中，以综合比较，在物质的三态中，以最适宜。最适宜。2 (heat source; heat reservoir) 定义：工质从中吸取或向之排出热能的

2、物质系统。定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。 高温热源（热源高温热源（热源- heat source ） 低温热源（冷源低温热源（冷源heat sink） 恒温热源恒温热源(constant heat reservoir) 变温热源变温热源 33 热能动力装置热能动力装置(Thermal power plant)定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。分类：分类： （1）气体动力装置（）气体动力装置（combustion gas power plant） 内燃机（内燃机（internal combustion g

3、as engine） 燃气轮机动力装置（燃气轮机动力装置（gas turbine power plant） 喷气动力装置（喷气动力装置（jet power plant） （2）蒸汽动力装置（）蒸汽动力装置（steam power plant）蒸汽动力装置蒸汽动力装置燃气轮机装置燃气轮机装置内燃机装置内燃机装置4一、回顾一、回顾 系统系统 控制体控制体 二、热力系统（热力系、系统二、热力系统（热力系、系统 System） 热力系统：热力系统：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。 或：或：由某种边界包围，被取作研究对象的特定物质或空间由某种边

4、界包围，被取作研究对象的特定物质或空间。 A quantity of matter or a region in space chosen for study外界外界(surroundings )：系统以外的所有物质系统以外的所有物质边界边界/界面界面(Boundary)：系统与外界之间的分界面系统与外界之间的分界面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人为的研究对象人为的研究对象5边界的选取：边界的选取：可以是实际存在的；可以是实际存在的；也可以是假想的。也可以是假想的。实际存在的边界、闭口实际存在的边界、闭口系统系统假想的边界、开口假想的边界、开口系统系统6热力系统分类热力系

5、统分类 Types of System以系统与外界关系（能量和物质交换）划分：以系统与外界关系（能量和物质交换）划分：闭口系统闭口系统(Closed system），又称为，又称为控制质量（控制质量（Control Mass） 定义：系统和外界只有能量交换而没有物质（质量）交换。定义：系统和外界只有能量交换而没有物质（质量）交换。 特点：没有质量穿越边界，所以系统内的质量保持恒定不变。特点：没有质量穿越边界，所以系统内的质量保持恒定不变。孤立系统孤立系统（Isolated system）：）：与外界无任何形式的质能交换。与外界无任何形式的质能交换。开口系统开口系统（Open system），又

6、称为），又称为控制体控制体（Control Volume） 定义：系统和外界既有能量交换又有物质（质量）交换。定义：系统和外界既有能量交换又有物质（质量）交换。 特点：通过边界与外界有质量交换，系统内的能量和质量都特点：通过边界与外界有质量交换，系统内的能量和质量都可以变化，但这种变化通常是在某一划定的范围内进行的，所可以变化，但这种变化通常是在某一划定的范围内进行的，所以又称为控制容积，或控制体。以又称为控制容积，或控制体。绝热系统绝热系统（Adiabatic system）：）： 与外界无热量交换。与外界无热量交换。7 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

7、 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Closed systemControl massIsolated systemOpen systemControl volumeAdiabatic system81）闭口系与系统内质量不变）闭口系与系统内质量不变的区别；的区别；2）开口系与绝热系的关系；）开口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系。）孤立系与绝热系的关系。注意：注意：9最重要的最重要的热力系统热力系统 只交换只交换热量热量以及可逆的功中的以及可逆的功中的体积变化功体积变化功Si

8、mple compressible system体积变化功体积变化功Moving Boundary Work压缩功压缩功膨胀功膨胀功Compression WorkExpansion Work10State and state properties一、状态和状态参数一、状态和状态参数热力学状态（简称状态）：热力学状态（简称状态）：某一瞬间热力系所呈现某一瞬间热力系所呈现的宏观物理状况的宏观物理状况状态参数：状态参数：描述热力系所处状态的宏观物理量描述热力系所处状态的宏观物理量状态参数的状态参数的特征特征：1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数

9、的、状态参数的积分特征积分特征：状态参数的变化量与路径：状态参数的变化量与路径无关，是状态的单值函数，且只与初终态有关，物理无关，是状态的单值函数，且只与初终态有关，物理上与过程无关上与过程无关3、状态参数的、状态参数的微分特征微分特征：数学上其微量是全微分：数学上其微量是全微分11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路径无关，只与初终态有关。状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。 数学上：数学上：1 2ab例：温度变化例：温度变化山高度变化山高度变化2222111,1,dddabzzzzz0d z12状态参数的微分特征状态参数的微分特征设设 z =z (x , y)dz是

10、全微分是全微分充要条件：充要条件：可判断是否是状态参数可判断是否是状态参数dddyxzzzxyxy22zzx yy x 13二、强度参数与二、强度参数与广延参数广延参数强度参数（强度量）：强度参数（强度量）：与物质的量无关的参数与物质的量无关的参数 如压力如压力 p、温度温度T广延参数（广延量）：广延参数（广延量）：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 如质量如质量m、容积、容积 V、热力学能（内能）、热力学能（内能） U、焓、焓 H、熵、熵S比参数：比参数：比容比容比内能比内能比焓比焓比熵比熵比参数具有强度量的性质比参数具有强度量的性质Intensive properties

11、 Extensive properties 广延参数的比参数具有强度量的性质广延参数的比参数具有强度量的性质VvmUumHhmSsm注意符注意符号区别号区别14速度速度动能动能高度高度 位能位能 热力学能热力学能温度温度应力应力摩尔数摩尔数（强）（强）（强）（强）（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）（广）Velocity Kinetic EnergyHeight Potential EnergyTemperature Internal EnergyStressMol举例说明举例说明15三、基本状态参数三、基本状态参数基本状态参数：基本状态参数：温度温度T 、压力压

12、力 p和体积和体积V 可直接可直接用仪器测量，使用最多。用仪器测量，使用最多。其余三个常用的状态参数内能其余三个常用的状态参数内能 U、焓、焓 H和熵和熵S可可以通过这三个基本参数计算得到。以通过这三个基本参数计算得到。 Basic state properties161 温度温度 Temperature传统定义：传统定义：物体冷热程度的度量。物体冷热程度的度量。微观：微观：标志物质分子热运动的激烈程度，衡量标志物质分子热运动的激烈程度，衡量分子平均动能的量度。分子平均动能的量度。 ， 为分子为分子运动的运动的均方根均方根速度速度20.5Tmcc1) 与与 不一定相同；不一定相同；T20.5m

13、c2) 总总 0, T 0, 1951年核磁共振法对氟年核磁共振法对氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度；化锂晶体的实验发现负的开尔文温度；20.5mc3) T = 0 =0 分子一切运动停止，分子一切运动停止，零点能。零点能。20.5mc17温度的热力学定义温度的热力学定义1）热力学第零定律（）热力学第零定律（ The Zeroth Law of Thermodynamics ）温度测量的理论基础温度测量的理论基础 B温度计温度计测量温度的仪器称做测量温度的仪器称做 如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个如果两个系统分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系统彼此必然处

14、于热平衡。 If two bodies are in thermal equilibrium with a third body, they are also in thermal equilibrium with each other.A = B, B = C A = C18定义：处在同一热平衡状态的所有的热定义：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。被定义为温度

15、。 温度是确定一个系统是否与其它系统处于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，或温度相等是热平衡的必热平衡的物理量，或温度相等是热平衡的必要条件。要条件。 2）温度的热力学定义）温度的热力学定义19温度测量温度测量 Temperature measurement温度温度计计物质物质 （水银，铂电阻水银，铂电阻）特性特性 （体积膨胀，阻值体积膨胀，阻值）基准点基准点刻度刻度 ScaleReference state温标温标 Temperature scale要求：感应元件应随物体的冷热程度不同有显著的变化。要求：感应元件应随物体的冷热程度不同有显著的变化。20温标温标 Temper

16、ature scale定义：温度的数值表示法。定义：温度的数值表示法。用某个随温度变化的物理量来间接测量。用某个随温度变化的物理量来间接测量。 1）摄氏温标）摄氏温标 Celsius scale 以符号以符号 t 表示，单位表示，单位 以纯水在以纯水在1atm下的冰点记为下的冰点记为0，汽点为，汽点为100 。 并假定汞（并假定汞（Hg）的体积与温度成线性关系。）的体积与温度成线性关系。测温物质不同，测温结果有差异。测温物质不同，测温结果有差异。经验温标：依赖物质性质建立的温标。经验温标：依赖物质性质建立的温标。汞的体积与温度成线性关系？汞的体积与温度成线性关系？其他物质（如酒精）也与温度成线

17、性关系？其他物质（如酒精）也与温度成线性关系？ 212）华氏温标）华氏温标 Fahrenheit scale 符号符号tF，单位，单位 （经验温标）（经验温标） 以纯水在以纯水在1atm下的冰点记为下的冰点记为32 ，汽点为，汽点为212 。摄氏温标与华氏温标的换算关系：摄氏温标与华氏温标的换算关系：F932F5 Ctt223）热力学温标）热力学温标 符号符号 T Thermodynamics scale; Kelvin scale避免经验温标的缺点避免经验温标的缺点测温物质的影响测温物质的影响以热力学第二定律为基础。以热力学第二定律为基础。以水的三相点时的温度规定为以水的三相点时的温度规定为

18、273.16K，水的三相点时的摄氏温度规定水的三相点时的摄氏温度规定0.01即即 0.01 273.16K 0 273.15Kt = T - 273.15K234）国际实用温标）国际实用温标实施方便，使得所测温度尽可能接近热力学温度实施方便，使得所测温度尽可能接近热力学温度ITS-90的定义：的定义：第一温区第一温区为为0.65K到到5.00K之间之间, T90由由3He和和4He的蒸气压与温度的关系式来定义。的蒸气压与温度的关系式来定义。 第二温区第二温区为为3.0K到氖三相点到氖三相点(24.5661K)之间之间T90是用氦气体温度计是用氦气体温度计来定义。来定义。第三温区第三温区为平衡氢

19、三相点为平衡氢三相点(13.8033K)到银的凝到银的凝固点固点(961.78)之间，之间，T90是由铂电阻温度计来定义。它是由铂电阻温度计来定义。它使用一组规定的定义固定点及利用规定的内插法来分度。使用一组规定的定义固定点及利用规定的内插法来分度。 银凝固点银凝固点(961.78)以上的温区，以上的温区，T90是按普朗克辐射定是按普朗克辐射定律来定义的，复现仪器为光学温温计。律来定义的，复现仪器为光学温温计。热力学温标不能直接测定热力学温标不能直接测定24绝对绝对K摄氏摄氏 华氏华氏100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-45

20、9.67冰熔点冰熔点水三相点水三相点盐水熔点盐水熔点发烧发烧水沸点水沸点252 压力压力 Pressure 符号符号 p ，单位，单位Pa压力定义：单位面积上所受到的垂直作用力称压力定义：单位面积上所受到的垂直作用力称为压力（即压强）。为压力（即压强）。 常用单位常用单位 Units： 帕帕 1 Pa = 1 N/m2 1 kPa = 103 Pa 巴巴 1 bar = 105 Pa 兆帕兆帕 1 MPa = 106 Pa标准大气压标准大气压 1 atm = 760 mmHg = 101325 Pa 毫米汞柱毫米汞柱 1 mmHg = 133.3224 Pa工程大气压工程大气压 1 at =

21、1 kgf/cm2 = 9.80665 104 Pa （千克力）（千克力）26其它几个常用概念其它几个常用概念 1）绝对压力）绝对压力 p（absolute pressure） 2）当地大气压）当地大气压 pb（local atmospheric pressure） 3）表压力）表压力 pe（gauge pressure） 4）真空度）真空度 pv（vacuum; vacuum pressure）bepppvbppp当当 p pb当当 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45二、可逆（二、可逆（reversible）过程）过程A process that

22、 can reversed without leaving any trace on the surroundings. That is, both the system and the surroundings are returned to their initial states at the end of the reverse process.注意注意可逆过程只是指可能性，并不可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。是指必须要回到初态的过程。 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同时时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过恢复到

23、初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为程为可逆过程可逆过程。1. 定义定义46实现可逆过程条实现可逆过程条件：件：无耗散效应的准无耗散效应的准静态过程是可逆静态过程是可逆过程实现的充要过程实现的充要条件。条件。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使功变热的通过摩擦使功变热的效应效应(摩阻，电阻，非摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）弹性变性，磁阻等）不平衡势差不平衡势差耗散效应耗散效应 耗散效应耗散效应irreversibilityDissipative effect不可逆根源不可逆根源472. 常见的不可逆过程常见的不可逆过程Fre

24、quently encountered irreversibilities不等温传热不等温传热T1T2T1T2Q节流过程节流过程(阀门）阀门）p1p2p1p2自由膨胀自由膨胀真空真空混合过程混合过程 483. 可逆过程与准平衡过程的关系可逆过程与准平衡过程的关系1）可逆可逆=准平衡过程准平衡过程+没有耗散效应没有耗散效应 2）准静态着眼于系统内部平衡，可逆着眼于）准静态着眼于系统内部平衡，可逆着眼于系统内部及系统与外界作用的总效果系统内部及系统与外界作用的总效果3）可逆过程必然是准平衡过程，而准平衡过）可逆过程必然是准平衡过程，而准平衡过程只是可逆过程的必要条件。程只是可逆过程的必要条件。 4

25、）可逆过程可用状态参数图上实线表示）可逆过程可用状态参数图上实线表示5）可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的）可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。概念。准静态过程很少用。 494. 4. 引入可逆过程的意义引入可逆过程的意义 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，但并过程，但并非非最优最优过程，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系统内工质的可用系统内工质的状状态参数态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。易分析。 实际过程不是可逆过程，但为了研

26、究方便，实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先先按理想按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正修正。 要尽量设法减少不可逆因素，使其尽可能地要尽量设法减少不可逆因素，使其尽可能地接近可逆过程。接近可逆过程。50一、功一、功 Work2) 功的热力学定义：通过边界传递的能量，其全部效果可表功的热力学定义：通过边界传递的能量，其全部效果可表现为举起重物。现为举起重物。 Work is done by a system if the sole effect on the surroundings co

27、uld be the raising of a weight.1) 功的力学定义：力和力的方向上位移的乘积。功的力学定义：力和力的方向上位移的乘积。dWF xdddWF xx FW是微小功量，不表示全微分是微小功量，不表示全微分21 21dWF x The product of a force and the distance through which this force acts513) 约定：约定： 比体积比体积 v = V / m功率：单位时间内完成的功，功率：单位时间内完成的功，W 1W = 1 J / s比功：单位质量的物体所做的功，比功：单位质量的物体所做的功，J/kg w =

28、 W / m52二、可逆过程的功二、可逆过程的功（体积变化功（体积变化功膨胀功与压缩功）膨胀功与压缩功） 准静态过程无摩擦的功准静态过程无摩擦的功外界压力与系统压力相同外界压力与系统压力相同21dxAFmn1 2W在在 pV 图上为面积图上为面积1-2-n-m-1 pV 图图 21 21dwp v dv为为 12-12dwp v膨胀功与压缩功统称膨胀功与压缩功统称dwp vdddWF xpA xp V21 21dWp V计算时需知计算时需知p的表达式的表达式53说明：说明： 1）功是过程量，不是状态量；）功是过程量，不是状态量；2）体积变化功只与气体的压力和体积的变化量有关，而同形）体积变化功

29、只与气体的压力和体积的变化量有关，而同形 状无关；状无关；3）界面可以是实际存在的，也可以是假想的；但要求是可逆）界面可以是实际存在的，也可以是假想的；但要求是可逆；因摩擦而耗散因摩擦而耗散Wl 、反抗大气压力做功、反抗大气压力做功Wr 有用功有用功Wu 膨胀过程膨胀过程做的功做的功WWu = W Wl Wr r0210()Wp VVpV2u,re0211d()Wp Vp VVl0W （可逆过程）（可逆过程）4）有用功有用功 Useful work： 54三、热量三、热量 Heat Heat is defined as the form of energy that is transferre

30、d between two systems (or its surroundings) by virtue of a temperature difference. 1. 热量定义：热量定义：Q 热量热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，是仅仅是热力系与外界相互作用的另一种方式，是仅仅由于由于温度温度不同而通过边界传递的不同而通过边界传递的能量。能量。热量的单位：热量的单位：J约定：约定：体系体系吸吸热，热量为热，热量为“”； 体系体系放放热，热量为热，热量为“”。Qqm单位质量热量：单位质量热量：55关于功和热量的说明关于功和热量的说明相同点：相同点： 功和热量都是过程量功和热量都是过程量说物系有多少功或热量是错说物系有多少功或热量是错误的。误的。不同点：不同点： （1）功是有规则的宏观运动能量的传递，作功过程）功是有规则的宏观运动能量的传递，作功过程中伴随着能量形态的变化；中伴随着能量形态的变化； （2）热