工程热力学 第2章 基本概念

工程热力学第二章基本概念基本内容热力系统热力状态和状态参数平衡状态、状态公理及状态方程准静态过程与可逆过程热力循环南京工业大学浦江学院土木学院2第一节热力系统1热力系统定义（热力系、系统）

进行热力学分析所选定的、人为划定的研究对象。南京工业大学浦江学院土木学院3外界（环境）——热力系以外的物体边界——系统与外界的交界面2边界的特征南京工业大学浦江学院土木学院4真实的固定的

封闭的假想的变化的

开口的真实边界热源外界外界热力系统系统系统假想边界3系统与外界的相互作用南京工业大学浦江学院土木学院5锅炉热能——机械能只交换功热能——热能只交换热量既交换热量也交换功南京工业大学浦江学院土木学院6热交换——Q功交换——W质量交换——m系统与外界的相互作用的三种方式系统的确定是正确解决热力学问题的前提；在没有明确系统的前提下讨论能量的转换是毫无意义的；如果系统不同，则能量的转换情况也不同。分析理解4热力系统分类南京工业大学浦江学院土木学院7闭口系开口系物质流按照热力系统边界有无热、功、物质（质量）传递分类系统与外界无物质交换的热力系统。系统与外界有物质交换的热力系统。热力系统热量交换功量交换质量交换=0南京工业大学浦江学院土木学院8绝热系孤立系假设系统与外界无热量交换的热力系统。系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统。南京工业大学浦江学院土木学院9最重要的系统

简单可压缩系统简单：只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功可压缩：研究的工质为可压缩的流体（气态或气、液混合物）南京工业大学浦江学院土木学院10其他分类形式物理化学性质

均匀系

非均匀系工质种类多元系单元系相态单相多相南京工业大学浦江学院土木学院111234mQW1

开口系非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2

闭口系1+2+3

绝热闭口系1+2+3+4

孤立系分析理解南京工业大学浦江学院土木学院12我们一般选取什么样的热力系统？南京工业大学浦江学院土木学院135工质实现热能和机械能转换的媒介物。工程热力学中的工质主要为气态物质。1热力状态与热力参数南京工业大学浦江学院土木学院14第二三节状态、参数、平衡、过程热力状态：工质在热力变化过程中某一瞬间表现的工质热力性质的总状况，简称为状态。状态参数：描述工质宏观特性的物理量，简称参数。PVT一侧装满水的水槽活塞结构南京工业大学浦江学院土木学院15状态与参数一一对应，且为点函数。状态参数的基本性质：状态1状态2参数1参数22平衡状态南京工业大学浦江学院土木学院16定义:一个热力系,在不受外界影响（重力场除外）的条件下，如果宏观热力性质不随时间变化，系统内外同时建立了热和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。平衡状态热平衡——∆t=0力平衡——∆p=0化学平衡相平衡∆μ=0实现平衡的充要条件一切势差为0南京工业大学浦江学院土木学院17平衡状态（原）不平衡状态平衡状态（新）两种平衡状态的过渡变化存在势差的不平衡损失；非平衡状态无法用少量的状态参数来表示；势差消失是平衡的条件，也是平衡的本质；工质从某一状态过渡到另一状态所经历的全部状态变化，我们称之为热力过程。3热力过程南京工业大学浦江学院土木学院184状态参数温度t、压力p、比容v基本状态参数其他状态参数内储存能u、焓h、熵s等4.1温度4.1.1概念习惯上描述物体冷热程度的物理量。微观上描述物体内部大量分子热运动的强烈程度的物理量。宏观上描述热力平衡系统冷热状况的物理量。南京工业大学浦江学院土木学院194.1.2热力学第零定律如果两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡，这一规律称为热力学第零定律。南京工业大学浦江学院土木学院204.1.3温标温标摄氏温标t华氏温标F热力学温标T朗肯温标R

温标的三要素为测温物质的性质、基准点和分度法。南京工业大学浦江学院土木学院214.2压力4.2.1概念微观上大量气体分子撞击器壁的平均结果。宏观上垂直作用于器壁单位面积上的压力。绝对压力相对压力√状态参数所指的压力应为绝对压力。热力计算中代入的压力值应是绝对压力。单位面积上的垂直作用力。南京工业大学浦江学院土木学院22大气压力B（Pb）真空度H（Pv）表压PgpbpgppvpPg南京工业大学浦江学院土木学院234.2.2常用的压力换算及量纲1bar=105Pa

1MPa=106Pa

1atm=760mmHg=1.013

105

Pa

1mmHg=133.3Pa1at=735.6mmHg=9.80665

104

Pa南京工业大学浦江学院土木学院244.3比体积定义：单位质量工质所占有的体积。单位为m3/kg比体积与物质的密度成反比。强度性参数广延性参数与质量的多少无关，没有可加性。与质量的多少有关，有可加性。比参数=广延性参数/质量5状态公理和状态方程南京工业大学浦江学院土木学院25不平衡势差与状态变化之间的关系不平衡势差状态变化能量传递达到某一方面平衡独立参数数目N=不平衡势差数一种能量传递消失=能量转换方式的数目消除一种不平衡势差=各种功的方式+热量=n+1n

容积变化功、电功、拉伸功、

表面张力功等南京工业大学浦江学院土木学院26确定纯物质系统平衡状态的独立参数数=n+1，n表示传递可逆功的形式。对于简单可压缩系统，独立参数为2.状态方程式

状态坐标图

1准静态过程南京工业大学浦江学院土木学院27第四节准静态过程与可逆过程定义：若过程进行得很缓慢,工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需要的时间极短,工质有足够的时间来恢复平衡,随时都不致于显著偏离平衡状态,这样的过程称为准静态过程。水槽内水流的准静态过程大砝码小砝码汽缸内活塞上去除砝码的准静态过程南京工业大学浦江学院土木学院28分析理解准静态过程是由一系列无限接近于平衡态所组成的过程；准静态过程在坐标图上可用

连续曲线表示；准静态过程实现条件是内

外一切不平衡势差趋近于零；准静态过程的实用意义。疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？准静态过程2可逆过程南京工业大学浦江学院土木学院29定义：系统（工质）在完成某一过程后，如能使过程逆行，而使系统及外界回复到原始状态，不留下任何变化，则此过程称为可逆过程。不满足这一条件的成为不可逆过程。不仅着眼于系统，还着眼于外界环境。P，v小砝码X2X1放置砝码前逐个放置砝码后疑问：将小砝码逐个移除，活塞的位置能否回复到X2？2.1概念

可逆过程南京工业大学浦江学院土木学院30pv4321耗散损失：在能量传递过程中，由于设备的机械运动产生摩擦，以及工质的粘性流动阻力产生的可用功的损失成为耗散损失。活塞的位置回复到X2的条件：过程无势差没有耗散损失准静态过程不可逆因素：耗散为0活塞内工质的状态变化准静态过程与可逆过程有什么区别呢？南京工业大学浦江学院土木学院31可逆过程中在考察热力系和环境两方面，准平衡过程重在研究热力系。从系统内部讲，有没有摩擦不影响气体的做功量，外部来看，有没有摩擦将使外界得到的功量发生变化。准平衡过程单方面注重热力系统内部工质，可逆过程综合考察热力系内外两个方面。可逆过程中热力系和环境经历的都是准平衡过程，且两者之间不存在耗散损失。如果界面处没有摩擦、散热、辐射等耗散损失，则热力系经历一个准平衡过程，可逆行到起点。同样外界也能够回到初始状态。该过程就是可逆过程。不可逆过程不一定是不平衡过程，甚至在过程中热力系和环境经历的都是准平衡，只是存在耗散损失才使总体过程不可逆；但不平衡过程一定是不可逆过程。实际过程中很难消除耗散损失，多为不可逆过程，但在分析研究热力学问题时，通常忽略耗散损失。即把不可逆过程理想化为可逆过程。南京工业大学浦江学院土木学院322.2可逆过程的膨胀功（体积功）pv21dsdv12F体积功：由于系统体积变化而通过界面向外界传递的机械功称为膨胀功（体积功）。体积增加，系统对外做（正）功，计为+；体积减小，外界对系统做（负）功，计为-。可逆过程：fx=0所以F=pf截面积f南京工业大学浦江学院土木学院33即：功是过程量,不是状态量，其大小与初、终状态有关,也与路径有关。P-v图反映了膨胀功的大小，又称示功图。pv21南京工业大学浦江学院土木学院342.3可逆过程的热量热量定义：热力系通过边界与外界的交换的能量中，

除了功的部分。另一说法：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。热量单位:J,kJTs012系统吸热，dQ>0，计为+；系统放热，dQ<0，计为-。1循环的概念南京工业大学浦江学院土木学院35第五节热力循环定义：工质从某一初态出发，经历一系列状态变化，最后又回到初始状态的全过程为循环过程（简称为循环）。PV01243南京工业大学浦江学院土木学院36平衡循环与不平衡循环：热力循环过程的每一个小的过程都接近于平衡为平衡循环；反之为不平衡循环。可逆循环与不可逆循环：全部由可逆过程组成的循环为可逆循环；循环中有一个过程不可逆，即为不可逆循环。可逆循环在状态参数坐标图上为一封闭的曲线。正循环与逆循环：把热能转化为机械