工程熱力學(xué)概念

1、緒論工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)分兩局部，熱力學(xué)與傳熱學(xué)，這兩局部都是與熱有關(guān)的學(xué)科。我們先講熱力學(xué)，第二局部再講傳熱學(xué)。熱力學(xué)中熱指的是熱能，力在我們工程熱力學(xué)中主要指的是用它來做功，也就是機(jī)械能，簡單地理解工程熱力學(xué)主要研究的是熱能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化。也就是說由熱產(chǎn)生力， 進(jìn)而對(duì)物體做功的過程，所以熱力學(xué)主要研究的是熱能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化。舉個(gè)例子：比方汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃機(jī)，它是利用燃料汽油在汽缸中燃燒，燃燒后得 到 高溫高壓的煙氣，煙氣此時(shí)溫度高，壓力高，具有熱能，那么高壓的燃?xì)鈺?huì)推動(dòng)氣缸的活塞做水平 往復(fù)運(yùn)動(dòng)， 活塞又通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)把水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成圓周運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)汽車運(yùn)動(dòng)，這就是一

2、個(gè)熱力學(xué)的例子。工程熱力學(xué)的研究重點(diǎn)是熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律，那么下面我們來詳細(xì)的看一下工程熱力學(xué)的研究內(nèi)容： 研究熱力學(xué)中的一些根本概念和根本定律。根本概念像熱力學(xué)系統(tǒng)、熱力學(xué)狀態(tài)、平衡過程、可逆過程等。根本定律有熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，第一定律和第二定律是工程熱力學(xué)的理論根底，其中熱力學(xué)第一定律主要研究熱能與機(jī)械能之間轉(zhuǎn)化時(shí)的數(shù)量關(guān)系， 熱力學(xué)第二定律主要研究熱能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換時(shí)的方向、條件、限度問題。 研究工質(zhì)的性質(zhì)。我們熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化需要依靠一定的工作物質(zhì)才能實(shí)現(xiàn)，因 此，我們要研究熱能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化，我們首先要研實(shí)現(xiàn)這一工作的工質(zhì)的性質(zhì)。 研究工質(zhì)參與下，遵

3、循熱力學(xué)第一定律和第二定律在熱力設(shè)備中進(jìn)行的實(shí)際熱力過程。第一章根本概念在我們研究工程熱力學(xué)的過程中會(huì)用到許多術(shù)語，如工質(zhì)、熱力學(xué)系統(tǒng)、熱力學(xué)狀態(tài)、平衡狀 態(tài)、狀態(tài)參數(shù)等。因此，要學(xué)好工程熱力學(xué)我們首先要知道這些術(shù)語指的是什么。我們先來看第一個(gè)概念：工質(zhì)一、工質(zhì)我們前面講了， 工程熱力學(xué)是研究熱能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化，那么工質(zhì)就是用來實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)化的工作物質(zhì)。工質(zhì)大多數(shù)情況下只是在能量轉(zhuǎn)化的過程中起媒介的作用，而不會(huì)直接參與能量的轉(zhuǎn)化。像我們化學(xué)中學(xué)到的催化劑一樣，工質(zhì)這一物質(zhì)本身并不發(fā)生化學(xué)性質(zhì)的變化，發(fā)生變化的是工質(zhì)的熱 力學(xué)狀態(tài)物理性質(zhì)，像工質(zhì)的溫度、壓力、體積等。也就是

4、說工質(zhì)在能量轉(zhuǎn)化過程中起媒介的 作用。舉個(gè)例子： 就是前面我們舉的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。這里面的工質(zhì)是汽油燃燒后所產(chǎn)生的煙氣， 最初，煙氣的溫度很高，壓力很高， 它所具有 的是 熱能，煙氣在高溫高壓下會(huì)膨脹，對(duì)外做功，把它所具有的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并傳遞給 汽車，煙 氣膨脹后，溫度和壓力都會(huì)降低，在這個(gè)能量轉(zhuǎn)化過程中，工質(zhì)煙氣的化學(xué)性質(zhì)并沒 有發(fā)生變化， 工質(zhì)還是工質(zhì)， 發(fā)生變化的僅僅是工質(zhì)所呈現(xiàn)出來的狀態(tài)， 最初是高溫高壓， 膨 脹之后變?yōu)榈蜏氐?壓。 鍋爐中的蒸汽動(dòng)力循環(huán)裝置 在這個(gè)裝置中，工質(zhì)是水蒸氣，水進(jìn)入鍋爐中，通過鍋爐加 熱后，變成水蒸氣，水蒸氣推動(dòng)汽 輪機(jī)的葉輪旋轉(zhuǎn)做功， 做功后變成液體水

5、， 水再送回鍋爐 中加熱循環(huán)使用。 這個(gè)裝置中就是通過工 質(zhì)水的狀態(tài)的不斷變化將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的， 工質(zhì)水本身并沒有發(fā)生變化， 水還是水， 不管 是以液體狀態(tài)存在還是以蒸汽狀態(tài)存在，發(fā)生 變化的是水的物理狀態(tài)，像水的溫度、壓力等。綜上：工質(zhì)是實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)化的工作物質(zhì)，是媒介物質(zhì)。二、熱力學(xué)系統(tǒng)1. 熱力學(xué)系統(tǒng)的概念 簡單的說，熱力學(xué)系統(tǒng)是認(rèn)為地劃分出來作為熱力學(xué)研究對(duì)象的系統(tǒng)， 也就是我們的研究對(duì)象， 簡稱熱力系。熱力系可以是一種真實(shí)的物質(zhì)， 如泵中被壓縮的水， 也可以是一個(gè)真實(shí)的設(shè)備， 如鍋爐， 也 可 以是一種抽象出來的或假象的熱力學(xué)模型。2. 邊界與外界熱力學(xué)系統(tǒng)是人們?cè)?/p>

6、進(jìn)行熱力分析時(shí)， 為方便起見， 把研究對(duì)象從周圍物體中別離出來的。 那 么系統(tǒng)周圍的物體稱為外界，熱力系統(tǒng)與外界的分界面叫做邊界。外界可以是自然環(huán)境， 也可以是另一個(gè)熱力系統(tǒng)。 自然環(huán)境是一類特殊的外界， 它所經(jīng) 歷的過 程是可逆的，而且本身的性質(zhì)不變。邊界可以是真實(shí)的，也可以是假想的，可以是固定不變的，也可以是運(yùn)動(dòng)可變的。 比方： 假設(shè)取前面我們講的汽輪機(jī)中的工質(zhì)水蒸氣作為熱力學(xué)系統(tǒng)時(shí)， 汽輪機(jī)的汽缸外壁是 一個(gè)實(shí) 際的邊界，而水蒸氣的進(jìn)口和出口那么是一個(gè)假想的虛擬的邊界。再舉一個(gè)例子： 活塞式壓縮機(jī)的汽缸活塞系統(tǒng)， 當(dāng)我們?nèi)∑字械墓べ|(zhì)為熱力系時(shí)， 那么邊 界的 一局部汽缸壁面是固定的，邊

7、界的另一局部活塞頂就是運(yùn)動(dòng)的。(a)汽輪機(jī)(b)活塞式壓縮機(jī)汽缸3. 熱力學(xué)系統(tǒng)的分類 通常情況下，“熱力學(xué)系統(tǒng)與“外界之間會(huì)處于相互作用之中， 他們通過“邊界相互交 換能量或物質(zhì)。我們根據(jù)兩者之間相互作用的不同，把熱力學(xué)系統(tǒng)分 為幾種：1閉口系統(tǒng) 熱力系即研究對(duì)象與外界無質(zhì)量交換時(shí)，此系統(tǒng)稱為閉口系統(tǒng)。閉口系 統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量是保持 恒定不變的，因此又叫做控制質(zhì)量。如前圖b所示的汽缸，熱力學(xué)系統(tǒng)只通過汽缸壁和活塞桿 與外界發(fā)生熱和功的交換， 汽缸中工質(zhì)的質(zhì)量在能量轉(zhuǎn)化過程中是保持 不變的。 此系統(tǒng)為閉口系統(tǒng)。 2開口系統(tǒng)熱力系通過邊界與外界之間既有能量交換又有物質(zhì)交換， 那么該熱力系稱為開口系統(tǒng)。

8、 如前 圖 a 所示的汽輪機(jī)。 3絕熱系統(tǒng) 熱力系與外界之間沒有能量交換可以有質(zhì)量交換，也可以有其他形式的能 量交換。 4孤立系統(tǒng) 熱力系與外界之間既無能量交換也無質(zhì)量交換。由于自然界中物體和物體之間是相互聯(lián)系、 相互作用的， 而且也不存在絕對(duì)的絕熱物質(zhì)， 因 此， 絕對(duì)的孤立系統(tǒng)和絕熱系統(tǒng)是不存在的。 只有系統(tǒng)與外界之間的熱量和質(zhì)量交換無限微弱 或影響可 忽略不計(jì)時(shí)，可簡化處理，將熱力系視為孤立系統(tǒng)或絕熱系統(tǒng)。三、熱力學(xué)狀態(tài)1. 熱力學(xué)狀態(tài)的概念 工質(zhì)在熱力設(shè)備中，必須通過吸熱、膨脹、排熱等過程才能完成將熱 能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的工作， 在這一轉(zhuǎn)化過程中，工質(zhì)的 P、T、V 等物理特性隨時(shí)都在發(fā)生

9、變化。 我們把工質(zhì)在熱力變化過程中 的某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況成為工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)，簡稱 狀態(tài)。下面我們介紹一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中比擬特殊的一個(gè)狀態(tài)。2. 平衡狀態(tài) 一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，如果在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的狀態(tài)能夠始終保持不 變，那么我們就 說該系統(tǒng)處于熱力平衡狀態(tài)，簡稱平衡狀態(tài)。熱力平衡包含兩方面：熱的平衡和力的平衡。 熱的平衡當(dāng)熱力系內(nèi)部各點(diǎn)溫度均勻一致且等于外界溫度時(shí)， 組成熱力系統(tǒng)的各局部之間以及熱力 系統(tǒng) 與環(huán)境之間沒有熱量的傳遞，那么系統(tǒng)就處于熱平衡狀態(tài)。 力的平衡 當(dāng)熱力系各局部之間沒有相對(duì)位移即內(nèi)部無不平衡力，且作用在邊界上的力和外 力到達(dá)平 衡，那么該熱力系處于力的平

10、衡狀態(tài)。同時(shí)具備了熱的平衡和力的平衡的系統(tǒng)就處于熱力平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)的特點(diǎn)：處于熱力平衡狀態(tài)的系統(tǒng)， 只要不受外界影響， 他的狀態(tài)就不會(huì)隨時(shí)間而改變， 即平 衡狀態(tài) 不會(huì)自發(fā)被破壞。處于不平衡狀態(tài)的系統(tǒng)， 由于各局部之間的傳熱和位移， 其狀態(tài)將隨時(shí)間而改變， 隨 著狀態(tài) 的不斷變化，傳熱和位移也會(huì)逐漸減弱， 直到完全停止， 此時(shí)會(huì)到達(dá)另一個(gè)新的平衡 狀態(tài)，所以我 們說，處于不平衡狀態(tài)的系統(tǒng)在沒有外界影響的情況下總會(huì)自發(fā)地趨于平衡狀態(tài)。我們一般只對(duì)平衡狀態(tài)進(jìn)行分析研究，不涉及時(shí)間因素。3. 狀態(tài)參數(shù)即用來描述狀態(tài)的參數(shù)。工質(zhì)所處的狀態(tài)常用一些宏觀物理量來描述， 這種用來描述工質(zhì)所處狀態(tài)的宏觀物

11、理量稱 為狀 態(tài)參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)和熱力學(xué)狀態(tài)是一一對(duì)應(yīng)的， 熱力學(xué)狀態(tài)一定， 那么狀態(tài)參數(shù)就確定了， 工質(zhì)的 熱力學(xué) 狀態(tài)發(fā)生變化，那么狀態(tài)參數(shù)也會(huì)隨之發(fā)生變化。狀態(tài)參數(shù)的屬性：狀態(tài)參數(shù)只取決于狀態(tài)，而與如何到達(dá)這一狀態(tài)的途徑無關(guān)。如圖：經(jīng)過路徑到達(dá)狀態(tài) 2，與經(jīng)過路徑到達(dá)狀態(tài) 2，我們表示熱力學(xué)狀態(tài) 2所用的狀 態(tài)參 數(shù)的數(shù)值是一樣的。都是 P2， v2 壓力是一定的，比容也是一定的 e。 這類似于我們高 中時(shí)學(xué)過的重力做功，只取決于前后的高度差，而與途徑無關(guān)。舉個(gè)例子：第 一天早上吃牛 肉面，心情很好，第二天早上吃的包子，和昨天心情一樣好，那么這兩天早上的 心情狀態(tài)時(shí) 一樣的，那么用來表示這

12、兩天心情的狀態(tài)參數(shù)，比方心情指數(shù)等，也都是一樣的，與吃的包子還是吃的牛肉面無關(guān)，即與如何到達(dá)這一狀態(tài)的路徑無關(guān)。4. 根本狀態(tài)參數(shù)P，溫度T，體積V，熱力學(xué)能內(nèi)能強(qiáng)度量：但凡與質(zhì)量無關(guān)的量稱為強(qiáng)度不隨質(zhì)量的不同而變化。強(qiáng)度量不具有加研究熱力過程時(shí)，常用到的狀態(tài)參數(shù)有六個(gè)，壓力 U，焓H,熵S。這六個(gè)狀態(tài)參數(shù)可以有兩種分類方法： 根據(jù)狀態(tài)參數(shù)與質(zhì)量的關(guān)系分為強(qiáng)度量和廣延量量，如 P， T， 1kg 物體和 2kg 物體的溫度是一樣的，和性。廣延量：但凡與質(zhì)量成比例的量成為廣延量，如V，U，H，S，1kg 氣體的體積和 2kg 氣體的體積是不一樣的，體積是隨質(zhì)量是成比例關(guān)系增加的。廣延量具有加和性

13、。我們還有一種參數(shù)， 叫做比參數(shù)，比參數(shù)是由廣延量除以質(zhì)量得到的， 如 V/m 得到比體 積， U/m 得到比內(nèi)能，另外還有比焓、比熵等。即單位工質(zhì)的體積、內(nèi)能、焓、熵。比參數(shù)就 屬于強(qiáng)度量了，不具有加和性。通常我們將熱力系的廣延參數(shù)用大寫字母表示，其比參數(shù)用小寫字母表示。如VTv, UTu, H t h, S t s第二種分類方法，把六個(gè)狀態(tài)參數(shù)分為根本狀態(tài)參數(shù)和導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)根本狀態(tài)參數(shù)：六個(gè)狀態(tài)參數(shù)中， P、T、V 三個(gè)量可直接用儀器測(cè)量，稱為根本狀態(tài)參數(shù)。 導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)：其余 三個(gè)， U、H、S 需利用前面三個(gè)根本狀態(tài)參數(shù)間接推導(dǎo)得出，稱為導(dǎo) 出狀態(tài)參數(shù)。下面我們先介紹三個(gè)根本狀態(tài)參數(shù)P

14、、T、V，其他三個(gè)狀態(tài)參數(shù)以后再介紹。四、根本狀態(tài)參數(shù)1. 溫度溫度我們都很熟悉，是描述物體冷熱狀況的物理量，這是我們從宏觀上的說法，從 微觀上看，溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)局部子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。兩個(gè)物體接觸時(shí)，通過接觸面上分子的碰撞，進(jìn)行動(dòng)能交換，這種微觀的動(dòng)能交換就是宏 觀 的熱量交換。為了給溫度確定數(shù)值，需要建立溫標(biāo)，也就是說要確定這么熱的程度用多大數(shù)值表示， 即建 立溫度標(biāo)準(zhǔn)。國際上規(guī)定，將熱力學(xué)溫標(biāo)作為測(cè)量溫度的最根本溫標(biāo)， 熱力學(xué)溫標(biāo)的溫度單位是開爾文， 符號(hào)K 開。熱力學(xué)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：把純水的三相點(diǎn)溫度，即水的氣、液、固三相平衡共存時(shí)的溫度作為基準(zhǔn)點(diǎn)，并規(guī)定為 273.16K 。熱力學(xué)

15、溫標(biāo)所表示的溫度稱為絕對(duì)溫度， 我們用符號(hào) T 表示，除熱力學(xué)溫標(biāo)外，在日常生活 中我們常用的是攝氏溫標(biāo)，攝氏溫標(biāo)的溫度單位是攝氏度，符號(hào)C。攝氏溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的冰點(diǎn)為零點(diǎn)，水的沸點(diǎn)為 100，中間平均劃分為 100 等份而得出。攝氏溫標(biāo)表示的溫度我們用 t 表示。攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)的關(guān)系為：t=T-273.15 ， T=t+273.15即 0 °Ct 273.15K，100 C 373.15K水的冰點(diǎn)為0C，水的三相點(diǎn)為273.16K，即0.01 C，即水的三相點(diǎn)比冰點(diǎn)高 0.01 Co從上面熱力學(xué)溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)的關(guān)系我們可以看出，兩者并沒有本質(zhì)上的差異，僅僅是

16、所 選取的 零點(diǎn)不同而已。像我們測(cè)量高度一樣，所選起點(diǎn)不一樣，測(cè)量的數(shù)值也不一樣。知識(shí)環(huán)境中所存在的物體，能夠到達(dá)的最低溫度只能是無限接近0K，即-273.15 C,即任何物體的溫度都不會(huì)低于 -273.15 C,也就是說自然界的物體都是絕對(duì)溫度高于0K的物體。2. 壓力 P 熱力學(xué)中我們所講的壓力等同于高中物理中所學(xué)的壓強(qiáng)，即垂直作用于單位面積 上的力， 用符號(hào) P 表示。對(duì)氣體來說，壓力是大量分子向容器壁撞擊的平均結(jié)果。壓力的測(cè)量原理 : 壓力的測(cè)量采用壓力計(jì)，利用 力的平衡 原理測(cè)取 壓差值 由于壓力計(jì)本 身處在大氣壓力作用下， 所以我們用壓力計(jì)所測(cè)得的壓力是工質(zhì)真實(shí)壓力與 環(huán)境介質(zhì)壓力

17、之差， 叫做表壓或真空度。都是一個(gè)相對(duì)壓力。當(dāng)氣體的真實(shí)壓力 大氣壓力時(shí)，我們稱為表壓，當(dāng)真實(shí)壓力v大氣壓力時(shí)，我們稱為真空 度。表壓：Pg ;真空度：Pv;絕對(duì)壓力：P;大氣壓力：Pb 表壓時(shí)： Pg=P-pb真空度時(shí)： Pv=Pb-P由于大氣壓力 Pb 是由地面上空氣柱的重量造成的， 它會(huì)隨著各地的維度、 高度和氣候條 件 而不同，因此，即使工質(zhì)的絕對(duì)壓力不變，由于地點(diǎn)不同，所測(cè)得的表壓力和真空度仍然會(huì) 有 所不同，所以為了在同一標(biāo)準(zhǔn)下比擬兩工質(zhì)的壓力，我們要用絕對(duì)壓力來表示基準(zhǔn)都是絕 對(duì) 真空。所以用壓力表測(cè)量時(shí)，必須同時(shí)測(cè)定當(dāng)?shù)氐拇髿鈮篜b，用氣壓計(jì)來測(cè)量。假設(shè)絕對(duì)壓力特別大, 那么我

18、們可以把大氣壓力視為常數(shù)。通常情況下，我們能測(cè)量得到的是Pg或Pv，而我們?cè)谟?jì)算及應(yīng)用時(shí)，用到的是真實(shí)壓力P，P=Pb+Pg或 P=Pb-Pv3. 比容與密度 比容：單位質(zhì)量工質(zhì)所占的空間3v=V/m m3/kg 密度：單位體積工質(zhì)的質(zhì)量3=m/V kg/m3 重度：單位體積工質(zhì)的重量3=G/V N/m3、狀態(tài)方程 經(jīng)驗(yàn)說明，表示系統(tǒng)所處狀態(tài)的這些狀態(tài)參數(shù)之間是相互聯(lián)系的，并不是各自獨(dú)立的。 當(dāng) 一定量的氣體在固定容積的容器內(nèi)加熱時(shí)，體積會(huì)保持不變，而溫度會(huì)升高，壓力也會(huì) 隨溫度 的升高而增大，即氣體的體積保持不變時(shí)，溫度與壓力成正比關(guān)系。反之，如果保持壓力不變，容器是體積可變的容器，對(duì)氣體加

19、熱，那么隨溫度的升高，體 積 也會(huì)變大，即氣體的壓力保持不變時(shí)，溫度與壓力成正比關(guān)系。而如果體積和壓力都保持不變， 那么溫度也就只能有一個(gè)確定的數(shù)值， 假設(shè)想對(duì)其加熱， 讓溫 度 升高，那么體積和壓力也一定會(huì)變化，不會(huì)繼續(xù)保持不變的。即 PVT 三個(gè)參數(shù)之間是相互聯(lián)系的， 并且他們之間的相互聯(lián)系還服從一定的關(guān)系式， 狀態(tài) 參 數(shù)之間的這個(gè)關(guān)系式叫做狀態(tài)方程。即： f P,v,T =0或 P=fv,T v=fp,TT=f P,v 綜上，狀態(tài)方程就是用來描述處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，狀態(tài)參數(shù)之間相互關(guān)系的方 程式。二、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖 根據(jù)狀態(tài)方程的講解，我們知道，對(duì)于簡單可壓縮的平衡系統(tǒng)，由兩 個(gè)參數(shù)就

20、可以確定系 統(tǒng)的狀態(tài)，比方， P,v 一定，那么 T 就可知， P,T 一定，那么 v 也可以確定， 并且系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài) 就一定。那么我們知道， 用兩個(gè)參數(shù)就可以確定系統(tǒng)的狀態(tài)， 所以我們將兩個(gè)參數(shù)表在平面直角坐 標(biāo) 系中，用來描述系統(tǒng)所處的熱力學(xué)狀態(tài)，并用來分析狀態(tài)到狀態(tài)之間的變化過程。這種由熱力系狀態(tài)參數(shù)所組成的坐標(biāo)圖就是狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖。在我們熱力學(xué)中， 長采用的 狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖有壓容圖P-V、溫熵圖T-s 和焓熵圖h-s 。注：只有平衡狀態(tài)才能用狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上的一點(diǎn)來表示。三、熱力過程 一個(gè)處于平衡狀態(tài)的熱力系， 如果沒有外界影響， 必將永遠(yuǎn)保持其平衡狀態(tài)， 這時(shí)熱力系 具有確定的狀

21、態(tài)參數(shù)，假設(shè)熱力系受到外界影響，與外界發(fā)生了能量傳遞，如吸熱， 就會(huì)使熱力 系偏離平衡狀態(tài)而發(fā)生一系列變化，直至到達(dá)一個(gè)新的平衡狀態(tài)，變化停止。這種由于熱力系與外界相互作用而引起的熱力系由一個(gè)平衡狀態(tài)經(jīng)過連續(xù)的中間狀態(tài)變化 到一個(gè)新的平衡狀態(tài)的全過程，稱為熱力過程。下面我們主要講幾個(gè)熱力過程中的特殊過程。1. 平衡過程 平衡過程指的是，在變化過程中，熱力系在任何時(shí)刻都處于力的平衡和熱的平衡，任何時(shí) 刻系統(tǒng)內(nèi)部都處處均勻一致。 即由無數(shù)個(gè)平衡狀態(tài)連在一起組成的變化過程， 因此， 可連成實(shí) 線。但平衡過程實(shí)際上是一個(gè)理想過程， 現(xiàn)實(shí)當(dāng)中是不存在這樣的過程的。 因?yàn)槲覀冎溃?系 統(tǒng) 由一個(gè)狀態(tài)變化

22、到另一個(gè)狀態(tài)，這個(gè)過程得以實(shí)現(xiàn)的推動(dòng)力是“不平衡，即只有系統(tǒng)內(nèi)部或系統(tǒng)與外界之間存在不平衡才會(huì)進(jìn)行熱力過程。假設(shè)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，沒有不平衡的存在，那么系統(tǒng)的狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化，會(huì)一直待在原地不動(dòng)。也就是說平衡過程是個(gè)理想過程， 是認(rèn)為想象出來的， 現(xiàn)實(shí)中不存在， 所以我們又提出了 一 個(gè)“準(zhǔn)靜態(tài)過程。2. 準(zhǔn)靜態(tài)過程 我們把熱力過程中一系列無限接近平衡狀態(tài)的狀態(tài)組合成的過程稱為準(zhǔn)靜態(tài) 過程。 準(zhǔn)靜態(tài)過程中，每一個(gè)微小過程與原平衡狀態(tài)都只偏離無限小，并且在每次微小變化后 及 時(shí)地建立了新的平衡。準(zhǔn)靜態(tài)過程的特點(diǎn)： 在過程中，熱力系內(nèi)部不斷存在力的平衡和熱的平衡，或平衡被破壞 的程度無限小。 過程

23、進(jìn)行的無限慢，有足夠的時(shí)間及時(shí)恢復(fù)平衡。我們把這個(gè)時(shí)間成為弛豫時(shí) 間。即弛豫 時(shí)間短。在分析問題時(shí)， 我們可以忽略其對(duì)平衡狀態(tài)的偏離， 中間狀態(tài)仍以平衡態(tài)確定， 因此，準(zhǔn) 靜 態(tài)過程在坐標(biāo)圖上可以用連續(xù)的實(shí)線描述。3. 實(shí)際熱力過程 - 非平衡過程通常情況下， 熱力系的吸熱或放熱是在溫差下進(jìn)行的， 做機(jī)械功是在壓差下進(jìn)行的， 顯 然， 一切實(shí)際的熱力過程都是熱力系與外界之間的不平衡勢(shì)差溫差、壓差作用的結(jié)果。不平衡過程的中間狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)并不確定， 不是平衡狀態(tài)， 不能在坐標(biāo)圖上用實(shí)點(diǎn)表示， 因此，不平衡的過程也無法用一連續(xù)實(shí)線來表示。 但為了方便說明問題， 我們可以用一虛線來 表 示。4. 可

24、逆過程與不可逆過程可逆過程指當(dāng)完成了某一過程后， 如果能使工質(zhì)沿相同的路徑逆行而恢復(fù)到原來的狀態(tài)， 并使相互作用中所涉及的外界也恢復(fù)到原來狀態(tài)，而不留下任何改變，那么這一過程就叫做可 逆 過程，不滿足這些條件的過程為不可逆過程。即可逆過程主要有兩個(gè)特點(diǎn)：能沿原路返回系統(tǒng)和外界都恢復(fù)初態(tài)，不留下任何變化要使過程滿足這兩個(gè)特點(diǎn)，那么過程在進(jìn)行時(shí)需滿足兩個(gè)條件：過程是準(zhǔn)平衡過程過程中無摩擦，即無任何耗散效應(yīng) 可逆過程的根本特征是：過程進(jìn)行的結(jié)果不給熱力系 及外界留下任何影響。5. 可逆過程、平衡過程、準(zhǔn)靜態(tài)過程的聯(lián)系與區(qū)別平衡過程和可逆過程兩個(gè)概念并無實(shí)質(zhì)上的區(qū)別，在熱力學(xué)范圍內(nèi)兩者是等效的。而準(zhǔn)靜

25、態(tài)過程和可逆過程：共同點(diǎn)：都滿足平衡條件，過程中無推動(dòng)力即無壓差和溫差都可以在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上表示不同點(diǎn)：準(zhǔn)平衡過程只要求熱力系內(nèi)部維持平衡，無內(nèi)摩擦 可逆過程還必須無外部摩擦，否那么熱力 系將產(chǎn)生能量耗散，致使過程不能無條件地逆向復(fù)原。 所以，可逆過程必然是一個(gè)無能量耗散 的準(zhǔn)平衡過程， 顯然，可逆過程是一個(gè)完美的理想過程， 現(xiàn)實(shí)中是不可能進(jìn)行的，但可逆過程 仍然具有十分重要的實(shí)際意義，作為研究實(shí)際過程的根底。理想氣體與實(shí)際氣體 我們工程熱力徐研究的主要內(nèi)容是如何把工質(zhì)的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌虮晃?們利用的機(jī)械能。 熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化需要通過工質(zhì)的膨脹或壓縮過程實(shí)現(xiàn)， 因此我們所 采用的工作物質(zhì)

26、 工質(zhì)，應(yīng)具有顯著的漲縮能力，即其體積隨溫度、壓力能有較大的變化。物 質(zhì)的三態(tài)：氣、液、固 中只有氣態(tài)具有這一特性。因而實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能轉(zhuǎn)化的這些工質(zhì)一般 都采用氣態(tài)物質(zhì)。一、理想氣體的概念 理想氣體是一種實(shí)際上并不存在的假想氣體， 理想氣體有兩點(diǎn)假設(shè)： 分 子是些彈性的，不具體積的質(zhì)點(diǎn)分子間沒有相互作用力在這兩點(diǎn)假設(shè)條件下， 氣體分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律極大地簡化了， 分子之間的碰撞為直線運(yùn)動(dòng)， 且為 彈性碰撞，無動(dòng)能損失。我們都知道，假設(shè)組成系統(tǒng)的氣體的壓力和密度較小， 那么系統(tǒng)內(nèi)分子間的平均距離就會(huì)增大， 當(dāng)氣體的壓力和密度降低到一定程度時(shí)， 即平均距離大到一定程度時(shí)， 氣體分子本身所占的體 積就

27、 會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分子所活動(dòng)的空間， 分子間平均距離遠(yuǎn)到分子間作用力極其微弱的狀態(tài)時(shí)， 就很接近理 想氣體因此理想氣體是氣體壓力趨近于零，比容趨近于無窮大時(shí)的極限狀態(tài)。 自然界中完全符合 理想氣體假設(shè)條件的氣體是不存在的。 但在我們工程中常用到的氧氣、 氮?dú)狻?氫氣、 CO 等， 以及混合氣體、燃?xì)鉄煔獾裙べ|(zhì)，在通常使用的溫度、壓力下都可以作為理想氣體 進(jìn)行處理， 簡化計(jì)算，誤差一般都在工程計(jì)算允許的精度范圍之內(nèi)。但對(duì)于那些離液態(tài)不遠(yuǎn)的氣態(tài)物質(zhì)， 如蒸汽動(dòng)力裝置中采用的工質(zhì)水蒸汽， 制冷裝置的氟 利昂 蒸汽，氨蒸汽等， 它們更接近液態(tài)，與理想氣體性質(zhì)差異較大， 分子本身的體積以及分 子與分子之 間的

28、作用力都不可忽略，因此它們不能當(dāng)做理想氣體處理，這些工質(zhì)我們稱為實(shí)際 氣體。我們這門課主要研究理想氣體。二、理想氣體狀態(tài)方程 理想氣體狀態(tài)方程是用來揭示平衡狀態(tài)下氣體的壓力、 溫度、比容 之間相互關(guān)系的方程式， 它 有幾種表達(dá)方式，幾種表達(dá)方式之間是等價(jià)的。即對(duì)于一定的系統(tǒng)，只要沒有物質(zhì)交換，不管工質(zhì)的狀態(tài)怎么變，他的 Pv 乘積與 T 的比 值始 終是一個(gè)常數(shù)?；虮硎境善渲?R 稱為氣體常數(shù)， 它是一個(gè)只與氣體種類有關(guān)， 而與氣體所處狀態(tài)無關(guān)的物理量， 即 只要 氣體一定了，不管狀態(tài)怎么變， PVT 取何值， R 都是一定的，是常數(shù)。狀態(tài)方程有很多不同的表達(dá)形式， 最根本的就是我們前面講的兩種， 在后面我們還會(huì)詳細(xì) 介紹 其他形式的狀態(tài)方程。下面我們先講一下幾個(gè)概念。三、物質(zhì)的量、摩爾質(zhì)量、摩爾容積1. 物質(zhì)的量 物質(zhì)的量與我們比擬熟悉的“質(zhì)量是一樣的，都表示物質(zhì)的多少，物質(zhì)的量 的單位是 mol 。 1mol 指的是物質(zhì)中所包含的的根本單元數(shù)與 0.012kg 碳 12 的原子數(shù)相同時(shí)， 這些物質(zhì)的 量就 是 1mol 。0.012kg碳12所包含的的原子數(shù)為 6.0225 X 1023個(gè)。根本單元可以是原子、分子、離子、 電子以及其他微粒。在我們熱力學(xué)中的工質(zhì)是氣體，那這 個(gè)根本單元是分子。也就是說，在熱力學(xué)中