工程熱力學(xué)概念

1、緒論工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)分兩部分， 熱力學(xué)與傳熱學(xué)， 這兩部分都是與熱有關(guān)的 學(xué)科。我們先講熱力學(xué)，第二部分再講傳熱學(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(jiǎn)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：比如汽車的發(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)

2、，進(jìn)而帶動(dòng)汽車運(yùn)動(dòng)，這就是一個(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?jī)?nèi)容： 研究熱力學(xué)中的一些基本概念和基本定律。 基本概念像熱力學(xué)系統(tǒng)、 熱力 學(xué)狀態(tài)、平衡過程、可逆過程等?；径捎袩崃W(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)的理論基礎(chǔ)， 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

3、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 基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

4、，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)榈蜏氐蛪骸?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

5、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， 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(jiǎn)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(jiǎn)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

6、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)谶M(jìn)行熱力分析時(shí)， 為方便起見， 把研究對(duì)象從周圍物體 中分離出來的。 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。比如：若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)口和出口則是一個(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?/p>

7、的工質(zhì)為熱 力系時(shí)，則邊界的一部分汽缸壁面是固定的， 邊界的另一部分活塞頂就 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)

8、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， 則該熱力系稱為開 口系統(tǒng)。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(jiǎn)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

9、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 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(jiǎn)稱狀態(tài)。下面我們介紹一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中比較特殊的一個(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(jiǎn)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)的各部分 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)熱力系各部分之間沒有相對(duì)位移

10、（即內(nèi)部無不平衡力， 且作用在邊界上的 力和外力達(dá)到平衡），則該熱力系處于力的平衡狀態(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)， 由于各部分之間的傳熱和位移， 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)達(dá)到另一個(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)。

11、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， 則狀態(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

12、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，那么用來表示這兩 天心情的狀態(tài)參數(shù)，比如心情指數(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. 基本狀態(tài)參數(shù)研究熱力過程時(shí)，常用到的狀態(tài)參數(shù)有六個(gè)，壓力 P，溫度 T，體積 V， 熱力學(xué)能（內(nèi)能） 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 強(qiáng)度量：凡是與質(zhì)量無關(guān)的量稱為強(qiáng)度量，如 P，T，1kg 物體和 2kg 物 體的溫度是一樣的，不隨質(zhì)量的不同而變化。強(qiáng)度量不具有加和性。廣延量：凡是與質(zhì)量成比例的量成為廣延量，如 V， U，H，S，1kg 氣體

13、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。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 Vv，Uu，H h，Ss第二種分類方法，把六個(gè)狀態(tài)參數(shù)分為基本狀態(tài)參數(shù)和導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù) 基本狀態(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， 稱為基本狀態(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)基本狀

14、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)基本狀態(tài)參數(shù) P、T、V，其他三個(gè)狀態(tài)參數(shù)以后再 介紹。四、基本狀態(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)部分子熱運(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)量溫度的最基本溫標(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

15、、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。熱力學(xué)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)。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=t+即 0， 100 水的冰點(diǎn)為 0，水的三相點(diǎn)為，即，即水的三相點(diǎn)比冰點(diǎn)高。 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 的差別，僅僅是所選取的零點(diǎn)不同而已。像我們測(cè)量高度一樣，所選起點(diǎn)不 一樣

16、，測(cè)量的數(shù)值也不一樣。知識(shí) 環(huán)境中所存在的物體，能夠達(dá)到的最低溫度只能是無限接近0K，即，即任何物體的溫度都不會(huì)低于，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

17、力 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)下比較 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?Pb，用氣壓計(jì)來測(cè)量。 若絕對(duì)壓力特別大，則我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)，

18、 用到的是真實(shí)壓力 P，P=Pb+Pg或 P=Pb-Pv3. 比容與密度比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量工質(zhì)所占的空間v=V/m（ m 3/kg）密度：?jiǎn)挝惑w積工質(zhì)的質(zhì)量= m / V（ kg / m3）v=1重度：?jiǎn)挝惑w積工質(zhì)的重量= G / V（N / m3）一、狀態(tài)方程 經(jīng)驗(yàn)表明，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)

19、，溫度與壓力成正 比關(guān)系。而如果體積和壓力都保持不變，則溫度也就只能有一個(gè)確定的數(shù)值，若 想對(duì)其加熱，讓溫度升高，則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=f(v,T)v=f(p,T)T=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(jiǎn)單可壓縮的平衡系統(tǒng)，由兩個(gè) 參數(shù)就可以確定系統(tǒng)的狀態(tài)，比如， P,v一定，則 T 就可知， P,T一定

20、，則 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(zhǎng)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態(tài)參數(shù)，若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

21、發(fā)生一系列變化，直 至達(dá)到一個(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到y(tǒng)由一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(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

22、力過程。若系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，沒有不平衡的存在，則系統(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)：1 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2 過程進(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。3 在分析問題時(shí)，我們可以

23、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

24、恢復(fù)到原來狀態(tài)，而不留 下任何改變，則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)：1 能沿原路返回2 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)，則過程在進(jìn)行時(shí)需滿足兩個(gè)條件：1 過程是（準(zhǔn)）平衡過程2 過程中無摩擦，即無任何耗散效應(yīng) 可逆過程的基本特征是：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)靜態(tài)過程和可逆過程：共同點(diǎn)：1 都滿足平衡條件，過程中無推動(dòng)力（即無壓差和溫差）2 都可以在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上表

25、示不同點(diǎn)：1 準(zhǔn)平衡過程只要求熱力系內(nèi)部維持平衡，無內(nèi)摩擦2 可逆過程還必須無外部摩擦， 否則熱力系將產(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)際過程的基礎(chǔ)。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)槟軌虮晃覀兝?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)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

26、、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)：1 分子是些彈性的，不具體積的質(zhì)點(diǎn)2 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(jiǎn)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， 若組成系統(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

27、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)?、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(jiǎn)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)差別較大， 分子本身的體積以及分子與分子之間的作用力都不可忽略， 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

28、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。P1v1 P2v 2PvconstT1 T2T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)?；虮硎境蒔v RT其中 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?dú)怏w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， 最基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)的量與我們比較熟悉的“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)中所包含的的基本單元數(shù)與碳 12 的原子數(shù)相同時(shí)， 這些物 質(zhì)的量就是 1mol 。碳 12 所包含的的原子數(shù)為× 1023 個(gè)。 基本單元可以是原子、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)基本單元是分子。也就是說，在熱力學(xué)中，任何物質(zhì)× 1