熱力學(xué)基本狀態(tài)參數(shù)

1、熱力學(xué)基本狀態(tài)參數(shù)熱力學(xué)基本狀態(tài)參數(shù)功和熱量1-1  工質(zhì)和熱力系一、工質(zhì)、熱機(jī)、熱源與冷源1、熱機(jī)（熱力發(fā)動(dòng)機(jī)）：實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備。如:電廠中的汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等。2、工質(zhì):實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的媒介物質(zhì)。 對(duì)工質(zhì)的要求:1）良好的膨脹性; 2）流動(dòng)性好；3）熱力性質(zhì)穩(wěn)定,熱容量大；4）安全對(duì)環(huán)境友善；5）價(jià)廉，易大量獲取。如電廠中的水蒸汽；制冷中的氨氣等。問題：為什么電廠采用水蒸汽作工質(zhì)？3、高溫?zé)嵩矗翰粩嘞蚬べ|(zhì)提供熱能的物體（熱源）。 如電廠中的爐膛中的高溫?zé)煔?、低溫?zé)嵩矗翰粩嘟邮展べ|(zhì)排放熱的物體（冷源） 如凝汽器中的冷卻水二、 熱力系統(tǒng)1、熱力

2、系統(tǒng)和外界概念 熱力系:人為劃分的熱力學(xué)研究對(duì)象(簡(jiǎn)稱熱力系）。 外界:系統(tǒng)外與之相關(guān)的一切其他物質(zhì)。 邊界:分割系統(tǒng)與外界的界面。在邊界上可以判斷系統(tǒng)與外界間所傳遞的能量和質(zhì)量的形式和數(shù)量。邊界可以是實(shí)際的、假想的、固定的，或活動(dòng)的。注意:熱力系的劃分，完全取決于分析問題的需要及分析方法的方便。它可以是一個(gè)設(shè)備（物體），也可以是多個(gè)設(shè)備組成的系統(tǒng)。如：可以取汽輪機(jī)內(nèi)的空間作為一個(gè)系統(tǒng)，也可取整個(gè)電廠的作為系統(tǒng)。2、熱力系統(tǒng)分類按系統(tǒng)與外界的能量交換情況分1）絕熱系統(tǒng)：與外界無熱量交換。2）孤立系統(tǒng)：與外界既無能量（功量、熱量）交換，又無質(zhì)量交換的系統(tǒng)。 注意：實(shí)際中，絕對(duì)的絕熱系和孤立系統(tǒng)是

3、不存在的，但在某些理想情況下可簡(jiǎn)化為這兩種理想模型。這種科學(xué)的抽象給熱力學(xué)的研究帶來很大的方便。如：在計(jì)算電廠中的汽輪機(jī)作功時(shí)，通常忽略汽缸壁的散熱損失，可近似看作絕熱系統(tǒng)。狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)特點(diǎn)u狀態(tài)參數(shù)僅決定于狀態(tài)，即對(duì)應(yīng)某確定的狀態(tài)，就有一組狀態(tài)參數(shù)。反之，一組確定的狀態(tài)參數(shù)就可以確定一個(gè)狀態(tài)。狀態(tài)參數(shù)的變化量?jī)H決定于過程的初終狀態(tài)，而與達(dá)到該狀態(tài)的途徑無關(guān)。因此，狀態(tài)參數(shù)的變化量可表示為（以壓力p為例）：二、基本狀態(tài)參數(shù)1.表壓與真空表壓力：當(dāng)氣體的壓力高于大氣壓力時(shí)（稱為正壓），壓力表的讀數(shù)（pg），如鍋爐汽包、主蒸汽的壓力等。有:pg=p-pb  

4、60;    p的計(jì)算式： p=pg+pb真空（度）：當(dāng)氣體的壓力低于大氣壓力時(shí)（稱為負(fù)壓），負(fù)壓表（真空表）的讀數(shù)（pv），如凝汽器的壓力、爐膛壓力等。有:  pv=pb-p     p的計(jì)算式：p=pb-pv壓力的單位（1）國(guó)際制：1帕=1pa=1N/m2 1千帕=1kpa=103pa     1兆帕=1Mpa=106pa  ; 1巴=1bar=105pa（2）工程中可用液柱高和工程大氣壓表示壓力大小。 1mmHg133.3Pa 1工程大氣壓=1at=1kg/c

5、m2（3）標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：將緯度45o海平面上的常年平均氣壓稱之，（物理大氣壓） 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=1atm=760mmHg=1.01325X105pa（4）標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài): 處于1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度為0 oC的狀態(tài). 各種壓力單位與帕的換算關(guān)系2、溫度（1）概念： 傳統(tǒng)：標(biāo)志物體冷熱程度的物理量。微觀：衡量分子平均動(dòng)能的量度。（2）溫標(biāo)：溫度的數(shù)值標(biāo)尺。溫標(biāo)的建立是確定其基準(zhǔn)點(diǎn)和分度方法，常用的有攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)。 1）攝氏溫標(biāo)（t，） ： 2）熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對(duì)溫標(biāo)、開爾文溫標(biāo)）（T， K）：以水的三相點(diǎn)為基點(diǎn)，并定義為273.16 K,每1/273.16為1K。3）相互關(guān)系：基準(zhǔn)點(diǎn)不同，但分度一樣

6、熱力學(xué)第零定律：如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡?；虮硎鰹樘幱跓崞胶獾奈矬w必具有相同的溫度。是溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)。溫度的熱力學(xué)定義：處于同一熱平衡狀態(tài)的各個(gè)熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量溫度。溫度是確定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量測(cè)溫儀表日常：水銀溫度計(jì)，酒精溫度計(jì)，工業(yè)：熱電偶、熱電阻、輻射溫度計(jì) 計(jì)量：鉑電阻溫度計(jì)3、比體積v （比容）比體積：?jiǎn)挝毁|(zhì)量工質(zhì)所占有的容積。 v=V/m 單位： (m3/kg)密度：?jiǎn)挝蝗莘e內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量。=m/V      

7、   單位： (kg/m3)相互關(guān)系： v=1     即互為倒數(shù)例題分析例題1-1：如圖所示,用水銀壓力計(jì)測(cè)量凝汽器的壓力，已知測(cè)壓計(jì)讀數(shù)為 706mmHg,當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b98.07kpa，求凝汽器的絕對(duì)壓 力、表壓力和真空。解：由于凝汽器內(nèi)蒸汽的密度遠(yuǎn)小于水銀的密度，忽略蒸汽高度產(chǎn)生的壓力， 則凝汽器內(nèi)真空:pv=706×133.3 =94110(Pa) 絕對(duì)壓力力ppb-pv98070941103960(Pa) 凝汽器的表壓力pg=p-pb=3960-98070=94110(Pa)

8、0;說明：凝汽器內(nèi)的表壓力為負(fù)值稱為負(fù)壓，負(fù)壓與真空的絕對(duì)數(shù)值是相等的。例1-2?      一臺(tái)型號(hào)HGl02118.2540540的鍋爐，其中18.2指的是蒸汽的表壓力為 18.2MPa，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?50mmHg，試求蒸汽的絕對(duì)壓力為多少?解：根據(jù)p=pb+pg，則絕對(duì)壓力為   p=750×133.3十18.2×l06=18.3×106(Pa) 18 .3Mpa1-3 平衡狀態(tài)和熱力過程1平衡狀態(tài)（3）實(shí)現(xiàn)平衡的條件熱平衡：組成熱力系統(tǒng)的各部分之間沒有熱量的傳遞。力平衡：組成熱力系統(tǒng)的各

9、部分之間沒有相對(duì)位移?；瘜W(xué)平衡：系統(tǒng)內(nèi)各組成成分不再變化。（4）平衡狀態(tài)特點(diǎn)：1）只有平衡狀態(tài)是可以描述的（有確定的狀態(tài)參數(shù)）；2）平衡狀態(tài)不會(huì)自行打破；3）非平衡狀態(tài)會(huì)自動(dòng)趨于平衡。2、狀態(tài)方程式狀態(tài)方程式：狀態(tài)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式稱為狀態(tài)方程。簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)：系統(tǒng)和外界只有熱量和體積變化功（膨脹功或壓縮功）交換的系統(tǒng)。對(duì)這種系統(tǒng)只需兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)，便可確定它的平衡狀態(tài)（由狀態(tài)定理）。3、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)可以確定一個(gè)狀態(tài)，這樣由任意兩個(gè)相互獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)構(gòu)成一個(gè)直角坐標(biāo)圖稱為狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖。常用的有p-v圖和T-s圖等.坐標(biāo)圖上的一個(gè)點(diǎn)表示工質(zhì)所處的一個(gè)狀態(tài)，線表示某個(gè)熱

10、力過程。點(diǎn)狀態(tài)（1、2）線熱力過程（12）二、熱力過程和準(zhǔn)平衡過程 實(shí)際過程與準(zhǔn)平衡過程 (2)按過程與外界產(chǎn)生的效果分 1)可逆過程：一個(gè)過程進(jìn)行以后，若使其原路返回至原態(tài)，并使系統(tǒng)和外界不發(fā)生任何改變，則這一過程稱為可可逆過程， 2)不可逆過程:否則稱為不可逆過程。實(shí)現(xiàn)可逆過程的充要條件推動(dòng)過程進(jìn)行的勢(shì)差無限小，如傳熱無溫差，無壓差；不存在任何耗散效應(yīng)，如作機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)不存在摩擦?？赡孢\(yùn)動(dòng)與不可逆運(yùn)動(dòng)平衡過程與可逆過程比較1）都是理想化過程。2）平衡指系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的平衡，可逆指與外界的效果。3）可逆必平衡，平衡不一定可逆。但不平衡一定不可逆。分析研究可逆過程的意義 ：可逆過程是一個(gè)理想過程，

11、自然界中一切實(shí)際過程（如傳熱、混合、擴(kuò)散、滲透、溶解、燃燒、電加熱等）均是不可逆過程。可逆過程的概念為熱力學(xué)分析提供了很大的方便。利用這一概念可以將復(fù)雜的實(shí)際過程近似簡(jiǎn)化為一個(gè)理想的可逆過程加以研究，然后再加以適當(dāng)?shù)男拚匝芯靠赡孢^程在理論上具有十分重要的意義。1-4 功和熱量3、可逆過程的體積變化功與p-v圖（1）體積變化功：這種直接由系統(tǒng)容積變化與外界間發(fā)生作用而傳遞的功稱為體積變化功（膨脹功或壓縮功）。（1）體積變化功對(duì)由氣缸和活塞所包圍的熱力系統(tǒng)，進(jìn)行的微元過程中，如活塞所受推力為F,位移為dx,則系統(tǒng)對(duì)外界作的膨脹功為：   W=Fdx對(duì)可逆過程，F(xiàn)=pA,所

12、以有：（2）功的計(jì)算及P-V圖二、熱量與T-S圖1熱量的定義：工程熱力學(xué)中把依靠溫差而通過邊界傳遞的能量稱為熱量。熱量和熱能不同，熱量不是狀態(tài)參數(shù)，它不僅與過程初、終態(tài)有關(guān)，而且與過程如何進(jìn)行密切相關(guān)；熱能則是物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)形態(tài)的反映，僅取決于狀態(tài)，是狀態(tài)參數(shù)?？梢姡簾崃渴沁^程量；熱量是傳遞的能量（瞬時(shí)量）2熱量的符號(hào)與單位熱量：用Q表示，國(guó)際單位制中，熱量的單位是焦（耳），用J表示。工程上常用千焦（kJ）表示， 1kJ=1000J 比熱量：1kg氣體與外界交換的熱量，用q表示，單位為J/kg。 熱量正負(fù):工程熱力學(xué)中規(guī)定，工質(zhì)從外界吸熱，熱量為正；工質(zhì)向外界放熱，熱量為負(fù)。3、熱量的計(jì)算和T-S

13、圖 熱力系與外界進(jìn)行的各種能量交換所遵循的規(guī)律都是類似的，可以采用描述功的類似的方式來描述熱量的傳遞。 熱量與容積變化功 熵及TS圖 可逆過程中比容的變化是做容積功的標(biāo)志，那么在可逆?zhèn)鳠徇^程中也應(yīng)該存在某一狀態(tài)參數(shù)可用來作為熱量傳遞的標(biāo)志。我們就定義這個(gè)新的狀態(tài)參數(shù)為“熵”。以符號(hào)S表示. 熵的定義式：dS=dQ/T或 ds=dq/T 熵的單位：kJ/k或J/k 比熵：s=S/m,比熵的單位：kJ/（kg.k）或J/（kg.k）例1-4如圖所示，1kg氣體經(jīng)歷了AB、BC、CA三個(gè)可逆過程，試求出每個(gè)過程的功量和整個(gè)過程的總功量。解：計(jì)算各過程曲線下的面積就是相應(yīng)過程的功WAB=1/2(P1+

14、P2)(V2-V1)=- WBAWBC=0WCA=p1(v1-v2)=-p1(v2-v1)= -WACWABC=wAB+WCA  =1/2(p2-p1)(v2-v1)即整個(gè)過程的功是封閉三角形ABC的面積.物質(zhì)化學(xué)符號(hào)模型相態(tài)比熱容量（基本） J/(kg·K)比熱容量（25）J/(kg·K)氫H2氣1400014300氦He1氣51905193.2氨NH34氣20552050氖Ne1氣10301030.1鋰Li1固35803582乙醇CH3CH2OH9液24602440汽油混混液22002220石蠟CnH2n+262至122固22002500甲烷CH45氣2160

15、2156油混混液20002000軟木塞混混固20002000乙烷C2H68氣17301729尼龍混混固17001720乙炔C2H24氣15001511聚苯乙烯CH23固13001300硫化氫H2S3氣11001105氮N2氣10401042空氣（室溫）混混氣10301012空氣（海平面、干燥、0）混混氣10051035氧O2氣920918二氧化碳CO23氣840839一氧化碳CO2氣10401042鋁Al1固900897石綿混混固840847陶瓷混混固840837氟F2氣820823.9磚混混固750750石墨C1固720710四氟甲烷CF45氣660659.1二氧化硫SO23氣600620玻

16、璃混混固60084氯Cl22氣520520鉆石C1固502509.1鋼混混固450450鐵Fe1固450444黃銅Cu,Zn混固380377銅Cu1固385386銀Ag1固235233汞Hg1液139140鉑Pt1固135135金Au1固129126鉛Pb1固125128水蒸氣（水）H2O3氣18501850水H2O3液42004186冰（水）H2O3固20602050 (-10)理論上說，常見液體和固體物質(zhì)中，水的比熱容最大 對(duì)上表中數(shù)值的解釋： (1)比熱此表中單位為 kJ/(kg·)/ J/(kg·)，兩單位為千進(jìn)制1kJ/(kg·)/=1*10&s

17、up3J/(kg·) (2)水的比熱較大，金屬的比熱更小一些 (3)c鋁>c鐵>c鋼>c鉛 補(bǔ)充說明： 不同的物質(zhì)有不同的比熱，比熱是物質(zhì)的一種屬性，因此，可以用比熱的不同來（粗略地）鑒別不同的物質(zhì)（注意有部分物質(zhì)比熱相當(dāng)接近） 同一物質(zhì)的比熱一般不隨質(zhì)量、形狀的變化而變化。如一杯水與一桶水，它們的比熱相同。 對(duì)同一物質(zhì)，比熱值與物態(tài)有關(guān)，同一物質(zhì)在同一狀態(tài)下的比熱是一定的（忽略溫度對(duì)比熱的影響），但在不同的狀態(tài)時(shí)，比熱是不相同的。例如水的比熱與冰的比熱不同。 在溫度改變時(shí)，比熱容也有很小的變化，但一般情況下可以忽略。比熱容表中所給的比熱數(shù)值是這些物質(zhì)在常溫下的平均

18、值。 氣體的比熱容和氣體的熱膨脹有密切關(guān)系，在體積恒定與壓強(qiáng)恒定時(shí)不同，故有定容比熱容和定壓比熱容兩個(gè)概念。但對(duì)固體和液體，二者差別很小，一般就不再加以區(qū)分。 常見氣體的比熱容（單位：kJ/(kg·K)） Cp Cv 氧氣0.909 0.649 氫氣14.05 9.934 水蒸氣1.8421.381 氮?dú)?.038 0.741什么是顯熱、潛熱、熱濕比及焓？什么是顯熱？顯熱主要表現(xiàn)在由于空氣干球溫度的變化而發(fā)生的熱量轉(zhuǎn)移，比如空氣干球溫度的升高或降低而引起的熱量。潛熱的發(fā)生總會(huì)伴隨著物質(zhì)相態(tài)的變化，簡(jiǎn)單的理解就是水在沸騰的時(shí)候要吸收很多的熱量而溫度沒多大的變化。所以，在空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算時(shí)

19、，因?yàn)榭諝饫锖兴羝?，所以就要?jì)算其顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷。顯熱對(duì)固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的物質(zhì)加熱，只要它的形態(tài)不變，則熱量加進(jìn)去后，物質(zhì)的溫度就升高，加進(jìn)熱量的多少在溫度上能顯示出來，即不改變物質(zhì)的形態(tài)而引起其溫度變化的熱量稱為顯熱。如對(duì)液態(tài)的水加熱，只要它還保持液態(tài)，它的溫度就升高；因此，顯熱只影響溫度的變化面不引起物質(zhì)的形態(tài)的變化。例如機(jī)房中、其計(jì)算機(jī)或程控交換機(jī)的發(fā)熱量很大，它屬于顯熱。什么是潛熱？對(duì)液態(tài)的水加熱，水的溫度升高，當(dāng)達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)，雖然熱量不斷的加入，但水的溫度不升高，一直停留在沸點(diǎn)，加進(jìn)的熱量?jī)H使水變成水蒸氣，即由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。這種不改變物質(zhì)的溫度而引起物態(tài)變化(又稱相變)的熱量稱為潛熱。如計(jì)算機(jī)房中、工作人員人體發(fā)熱以及換氣帶進(jìn)來的空氣含濕量，這些熱量稱為潛熱。(全熱等于顯熱與潛熱之和。)如果要求的氣溫高于露點(diǎn)溫度, 則沒有水蒸汽的產(chǎn)生或者水珠的產(chǎn)生,即濕度沒有變化,也就是所說的顯熱交換！如果要求的氣溫低于露點(diǎn)溫度， 就會(huì)有潛熱交換。潛熱，相變潛熱的簡(jiǎn)稱,指單位質(zhì)量的物質(zhì)在等溫等壓情況下,從一個(gè)相變化到另一個(gè)相吸收或放出的熱量。這是物體在固、液