工程熱力學(xué)-基本概念-1

第一章基本概念

BasicConceptsandDefinition主要內(nèi)容1-1熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換過(guò)程1-2熱力系統(tǒng)1-3工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)1-4平衡狀態(tài)1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過(guò)程1-6功和熱量1-7熱力循環(huán)1-1熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程一、熱能動(dòng)力裝置(Thermalpowerplant)

定義：從燃料燃燒中得到熱能以及利用熱能得到動(dòng)力的整套設(shè)備(包括輔助設(shè)備)。分類(lèi)共同本質(zhì)：由媒介物通過(guò)吸熱—膨脹作功—排熱

燃?xì)鈩?dòng)力裝置(combustiongaspowerplant)

內(nèi)燃機(jī)(internalcombustiongasengine)

燃?xì)廨啓C(jī)裝置(gasturbinepowerplant)

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(jetengine)……

蒸汽動(dòng)力裝置(steampowerplant)內(nèi)燃機(jī)返回返回1-1熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程返回1-1熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程二、工質(zhì)(workingsubstance;workingmedium)對(duì)工質(zhì)的要求:物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜。

1）膨脹性

2）流動(dòng)性

3）熱容量

4）穩(wěn)定性，安全性

5）對(duì)環(huán)境友善

6）價(jià)廉，易大量獲取

定義：實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。1-1熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程三、熱源(heatsource;heatreservoir)

定義：工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。?高溫?zé)嵩础獰嵩?/p>

(

heatsource)低溫?zé)嵩础湓?heatsink)?恒溫?zé)嵩?constantheatreservoir)

變溫?zé)嵩?-2熱力系統(tǒng)?系統(tǒng)(thermodynamicsystem,system)

人為分割出來(lái)，作為熱力學(xué)研究對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。?

外界(surrounding)：與系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)、能交換的物體統(tǒng)稱(chēng)。?邊界(boundary)：系統(tǒng)與外界的分界面（線(xiàn)），可以實(shí)際存在，也可以是假想的。一、定義1-2熱力系統(tǒng)

二、系統(tǒng)及邊界示例?汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)邊界特性真實(shí)、虛構(gòu)固定、活動(dòng)熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)水泵凝汽器過(guò)熱器只交換功只交換熱既交換功也交換熱功二、閉口系統(tǒng)和開(kāi)口系統(tǒng)(按系統(tǒng)與外界有無(wú)物質(zhì)交換)1.閉口系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)外無(wú)物質(zhì)交換,

也稱(chēng)控制質(zhì)量。（M一定研究一定質(zhì)量的物質(zhì)）2.開(kāi)口系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)外有物質(zhì)交換,

也稱(chēng)控制體積。（V一定研究一定空間范圍的物質(zhì)）

閉口系（closedsystem）

（控制質(zhì)量CM）

—沒(méi)有質(zhì)量越過(guò)邊界

開(kāi)口系（opensystem）

（控制體積CV）

—通過(guò)邊界與外界有質(zhì)量交換2.按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換1-2熱力系統(tǒng)

?汽缸-活塞裝置（閉口系例）

1）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別；

2）開(kāi)口系與絕熱系的關(guān)系；

3）孤立系與絕熱系的關(guān)系。注意：絕熱系（adiabaticsystem）—

與外界無(wú)熱量交換;孤立系（isolatedsystem）—

與外界無(wú)任何形式的質(zhì)能交換。3.按能量交換容積變化功壓縮功膨脹功4.簡(jiǎn)單可壓縮系（simplecompressiblesystem）（單相、單元、均勻）

—由可壓縮物質(zhì)組成，無(wú)化學(xué)反應(yīng)、與外界有交換容積變化功的有限物質(zhì)系統(tǒng)。熱力系統(tǒng)分類(lèi)1234mQW1

開(kāi)口系

熱力系統(tǒng)選擇原則

系統(tǒng)的選取方法僅影響解決問(wèn)題的繁復(fù)程度，與研究問(wèn)題的結(jié)果無(wú)關(guān)。

思考題：孤立系統(tǒng)一定是閉口系統(tǒng)嗎。反之怎樣。

孤立系統(tǒng)是否一定絕熱。非孤立系＋相關(guān)外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4孤立系閉口系統(tǒng)孤立系統(tǒng)開(kāi)口系統(tǒng)熱力系統(tǒng)其它分類(lèi)方式

其它分類(lèi)方式

物理化學(xué)性質(zhì)

均勻系非均勻系工質(zhì)種類(lèi)多元系單元系相態(tài)多相單相?移動(dòng)和虛構(gòu)邊界

1）系統(tǒng)與外界的人為性

2）外界與環(huán)境介質(zhì)

3）邊界可以是：

a）剛性的或可變形的或有彈性的

b）固定的或可移動(dòng)的

c）實(shí)際的或虛擬的注意：三、熱力系分類(lèi)

按組元數(shù):

單元系(onecomponentsystem;puresubstancesystem)

多元系(multicomponentsystem)按相數(shù):

單相系(homogeneoussystem)

復(fù)相系(heterogeneoussystem)注意：1）不計(jì)恒外力場(chǎng)影響；

2）復(fù)相系未必不均勻—濕蒸汽；單元系也未必均勻—?dú)庖浩胶夥蛛x狀態(tài)。

1.按組元和相四、熱力系示例1．剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側(cè)設(shè)有電熱絲

紅線(xiàn)內(nèi)——閉口絕熱系黃線(xiàn)內(nèi)不包含電熱絲——閉口系黃線(xiàn)內(nèi)包含電熱絲——閉口絕熱系藍(lán)線(xiàn)內(nèi)——孤立系閉口系2．剛性絕熱噴管取紅線(xiàn)為系統(tǒng)—取噴管為系統(tǒng)—開(kāi)口系絕熱系?3.A、B兩部落“雞、犬之聲相聞，民至老死不相往來(lái)”ABA部落為系統(tǒng)A+B部落為系統(tǒng)—孤立系—閉口系§1-3工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)∵能量的轉(zhuǎn)化（移）是通過(guò)物質(zhì)狀態(tài)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的∴要研究物質(zhì)的熱力性質(zhì)。這里先提出工質(zhì)的概念工質(zhì)定義：參與能量轉(zhuǎn)換的物質(zhì)。用來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的工作媒介物質(zhì)。工質(zhì)可以理解為能量的載體。例：水，水蒸氣，空氣、液氨等，工程上一般采用氣態(tài)物質(zhì)作為工質(zhì)。∵體積變化靈活，對(duì)外膨脹做工，流動(dòng)性好。狀態(tài)：某一瞬間熱力系中所呈現(xiàn)的工質(zhì)熱力性質(zhì)的總狀況（宏觀狀況）狀態(tài)參數(shù)：描述工質(zhì)狀態(tài)特性的各種物理量稱(chēng)為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。如溫度（T）、壓力（P）、比容（υ）或密度（ρ）、內(nèi)能（u）、焓（h）、熵（s）、基本狀態(tài)參數(shù)：可直接或間接地用儀表測(cè)量出來(lái)的狀態(tài)參數(shù)。如：溫度T、壓力P、比容υ或密度ρ狀態(tài)參數(shù)的特征：1、狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的函數(shù)，對(duì)應(yīng)一定的狀態(tài)，狀態(tài)參數(shù)都有唯一確定的數(shù)值，狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然。一一對(duì)應(yīng)（狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)單值函數(shù)）2、狀態(tài)參數(shù)的積分特征：

3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分，環(huán)積分＝０工質(zhì)在熱力過(guò)程中發(fā)生狀態(tài)變化時(shí)，由初狀態(tài)經(jīng)過(guò)不同路徑，最后到達(dá)終點(diǎn)，其參數(shù)的變化值，僅與初、終狀態(tài)有關(guān)，而與狀態(tài)變化的途徑無(wú)關(guān)。狀態(tài)參數(shù)的積分特征

狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。數(shù)學(xué)上：點(diǎn)函數(shù)12ab爬山時(shí)高度變化強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無(wú)關(guān)的參數(shù)

如壓力

p、溫度T廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性

如

質(zhì)量m、容積

V、內(nèi)能

U、焓

H、熵S比參數(shù)：比容比內(nèi)能比焓比熵單位：/kg/kmol具有強(qiáng)度量的性質(zhì)廣延性參數(shù)：系統(tǒng)的V.u.H.S等特點(diǎn)：與強(qiáng)度性參數(shù)相反。整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)=∑各單位參數(shù)。參數(shù)與m有關(guān)、有可加性在熱力學(xué)過(guò)程中，廣延性參數(shù)的變化起著類(lèi)似力學(xué)中的位移作用，稱(chēng)廣義位移。例：ΔQ→ΔS，ΔP→ΔV

比參數(shù)=廣延性參數(shù)/總質(zhì)量。

v.u.H.S.等除比容v外常將“比”省略，稱(chēng)內(nèi)能，焓，熵等。比參數(shù)無(wú)可加性。1溫度：宏觀上，是描述系統(tǒng)熱力平衡狀況時(shí)冷熱程度的物理量。微觀上,是大量分子熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈程度的量度溫度的概念起源于人們對(duì)冷熱的感覺(jué)。但感覺(jué)不準(zhǔn)確。同溫的棉、金屬感覺(jué)不同，這就要需用量表示溫度。而溫度的測(cè)量是以熱力學(xué)第零定律為基礎(chǔ)的。m是一個(gè)分子的質(zhì)量，W2是分子平移運(yùn)動(dòng)的均方根速度；B—比例常數(shù)；T—?dú)怏w的熱力學(xué)溫度。熱力學(xué)第零定律

如果兩個(gè)系統(tǒng)(物體）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。熱平衡：兩系統(tǒng)無(wú)溫差T1=T2，無(wú)傳熱。溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)B

相當(dāng)溫度計(jì)（標(biāo)定過(guò)，帶數(shù)字標(biāo)尺）據(jù)上述理論，人們就可選擇一個(gè)參考系統(tǒng)——溫度計(jì)，當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)與溫度計(jì)達(dá)到熱平衡時(shí)，溫度計(jì)指示的溫度就等于被測(cè)系統(tǒng)的溫度。溫度的數(shù)值標(biāo)尺，簡(jiǎn)稱(chēng)溫標(biāo)。目前法定計(jì)算溫度的溫標(biāo)有兩種：理論溫標(biāo)（熱力學(xué)溫標(biāo)）T表示，單位K實(shí)用溫標(biāo)（攝氏溫標(biāo)）t表示，單位℃工程上兩種溫標(biāo)換算(絕對(duì)零度為-273℃）

T＝273＋t兩種溫標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)不同，但溫度間隔同（分度值同）對(duì)于同一工質(zhì)，用K表示的溫差也可用℃表示：ΔT＝Δt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。溫度是描述熱力平衡系冷熱狀況的物理量.

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1-3工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo)華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)附：{T}R={t}℉

+459.67{t}℃=5/9[{t}℉-32]{t}℉

=9/5{t}℃

+322、壓力p垂直作用于器壁單位面積上的力，稱(chēng)為壓力，也稱(chēng)壓強(qiáng)。單位:Pa,N/m2常用單位：1

MPa

=106

Pa（標(biāo)準(zhǔn)的）

1

atm

=760

mmHg

=1.01325105Pa

1

mmHg

=133.322Pa

1

at=9.80665104Pa壓力p測(cè)量

相對(duì)壓力：相對(duì)于大氣環(huán)境所測(cè)得的壓力。如工程上常用測(cè)壓儀表測(cè)定系統(tǒng)中工質(zhì)的壓力即為相對(duì)壓力。絕對(duì)壓力：用定義計(jì)算的壓力相對(duì)壓力是工質(zhì)絕對(duì)壓力與環(huán)境壓力的相對(duì)值注意：只有絕對(duì)壓力

p

才是狀態(tài)參數(shù)精密壓力表0~4pa壓力真空表-0.1~0.9Mpa精密壓力表（真空表）

-0.1~0Mpa壓力p測(cè)量注意：只有絕對(duì)壓力

p

才是狀態(tài)參數(shù)U形壓力計(jì)測(cè)壓絕對(duì)壓力P與相對(duì)(表）壓力Pg當(dāng)

p>B出口表壓力pg當(dāng)

p<B進(jìn)口真空度HP=B+Pg

P=B-H

圖1-6各壓力間的關(guān)系

P與pg參照點(diǎn)不同例:表壓力或真空度為什么不能當(dāng)作工質(zhì)的壓力？工質(zhì)的壓力不變化，測(cè)量它的壓力表或真空表的讀數(shù)是否會(huì)變化？解：作為工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的壓力是絕對(duì)壓力，測(cè)得的表壓力或真空度都是工質(zhì)的絕對(duì)壓力與大氣壓力的相對(duì)值，因此不能作為工質(zhì)的壓力；因?yàn)闇y(cè)得的是工質(zhì)絕對(duì)壓力與大氣壓力的相對(duì)值，即使工質(zhì)的壓力不變，當(dāng)大氣壓力改變時(shí)也會(huì)引起壓力表或真空表讀數(shù)的變化。環(huán)境壓力與大氣壓力環(huán)境壓力指壓力表所處環(huán)境注意：環(huán)境壓力一般為大氣壓，但不一定。大氣壓隨時(shí)間、地點(diǎn)變化。2.壓力(pressure)絕對(duì)壓力p(absolutepressure)表壓力pe（pg）(gaugepressure;manometerpressure)真空度pv(vacuum;vacuumpressure)當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b(localatmosphericpressure)1-3工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)六、比體積和密度比體積(specificvolume)單位質(zhì)量工質(zhì)的體積密度(density)單位體積工質(zhì)的質(zhì)量?jī)烧哧P(guān)系:§1-4平衡狀態(tài)1、定義：

只有在平衡狀態(tài)下才有可能用狀態(tài)參數(shù)系統(tǒng)狀態(tài)特性.

平衡狀態(tài)：系統(tǒng)在不受外界影響的條件下，如果宏觀熱力性質(zhì)不隨時(shí)間而變化，系統(tǒng)內(nèi)外同時(shí)建立了熱的和力的平衡，這時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)稱(chēng)為熱力平衡狀態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)為平衡狀態(tài)。即在不受外界影響的條件下（重力場(chǎng)除外），系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

（熱平衡+力平衡+化學(xué)平衡）

溫差

—

熱不平衡勢(shì)

壓差

—

力不平衡勢(shì)

化學(xué)反應(yīng)

—

化學(xué)不平衡勢(shì) X

為什么引入平衡概念？只有系統(tǒng)平衡，才可用一組確切的參數(shù)（壓力、溫度）描述．平衡狀態(tài)是定態(tài)，沒(méi)有能量交換原平衡態(tài)狀態(tài)變化破壞原平衡新平衡態(tài)與外界能量交換有勢(shì)差△T、△

p消除不平衡勢(shì)差

與外界能量交換討論：平衡與穩(wěn)定穩(wěn)定：參數(shù)不隨時(shí)間變化銅棒為系統(tǒng)：銅棒穩(wěn)定，但存在不平衡勢(shì)差－溫差，去掉外界影響，則狀態(tài)變化若以（熱源+銅棒+冷源）為系統(tǒng)，又如何？（孤立系統(tǒng)，最終平衡達(dá)到相同溫度）穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定平衡與均勻平衡：時(shí)間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的§1-4狀態(tài)方程、坐標(biāo)平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述，描述系統(tǒng)狀態(tài)特性的參數(shù)有很多，當(dāng)某些參數(shù)確定后，平衡狀態(tài)系統(tǒng)便完全確定，所有其他狀態(tài)參數(shù)也隨之確定。狀態(tài)公理：對(duì)組元一定的閉口系，獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)個(gè)數(shù)N=n+1想確切描述某個(gè)熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？1-4平衡狀態(tài)

狀態(tài)方程1．理想氣體狀態(tài)方程（ideal-gasequation;Clapeyron’sequation）Rg—?dú)怏w常數(shù)(gasconstant)R—通用氣體常數(shù)

(universalmolargasconstant)摩爾質(zhì)量三、純物質(zhì)的狀態(tài)方程（puresubstancestateequation）1-4平衡狀態(tài)

2．實(shí)際氣體(realgas;imperfectgas)的狀態(tài)方程范德瓦爾方程（a,b為物性常數(shù)）R-K方程1-4平衡狀態(tài)

BWR方程維里型方程1-4平衡狀態(tài)

四、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖(parametriccoordinates)

一簡(jiǎn)單可壓縮系只有兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，所以可用平面坐標(biāo)上一點(diǎn)確定其狀態(tài)，反之任一狀態(tài)可在平面坐標(biāo)上找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)，如：pv1p1v1Ts2T2p3p3T3OOOT1-4平衡狀態(tài)

附：純物質(zhì)的p-v-T圖水p-v-T圖1-4平衡狀態(tài)

§1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過(guò)程

當(dāng)系統(tǒng)與外界進(jìn)行能量交換或能量的轉(zhuǎn)移時(shí)，必須通過(guò)狀態(tài)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，即系統(tǒng)與外界傳遞能量的同時(shí)，系統(tǒng)工質(zhì)的熱力狀態(tài)必將發(fā)生變化。例：鍋爐中的水溫的變化（換熱Q），氣輪機(jī)中的水蒸汽的溫度、壓力變化（Q+W)。把工質(zhì)從一種狀態(tài)過(guò)渡到另一種狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)變化稱(chēng)為熱力過(guò)程。平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)無(wú)法簡(jiǎn)單描述1準(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)平衡）過(guò)程為何引入準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程？過(guò)程是在勢(shì)差的作用下進(jìn)行的，在整個(gè)過(guò)程中，狀態(tài)的變化是偏離平衡狀態(tài)的，直到最后系統(tǒng)達(dá)到新的平衡，狀態(tài)不在變化，這時(shí)過(guò)程也就停止了。引起系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變化的原因，是系統(tǒng)內(nèi)、外有某種勢(shì)差存在（壓差、溫差），（如系統(tǒng)加熱時(shí)近熱源與遠(yuǎn)熱源的Ｔ不同）。所以，系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變化難免偏離平衡狀態(tài)。內(nèi)、外勢(shì)差越大，過(guò)程進(jìn)行得越快，則系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)也越大。一般實(shí)際過(guò)程都是非常復(fù)雜的。為研究方便簡(jiǎn)化計(jì)算，人們將熱力過(guò)程理想化為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程。一般過(guò)程p1

=p0+重物wP0（大氣壓力）T1

=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0pv12..P0P２，T２P１，T１１2虛線(xiàn)w準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程p1

=p0+重物wp0T1

=T0假如重物有無(wú)限多層每次只去掉無(wú)限薄一片pv12P２，T２...系統(tǒng)隨時(shí)接近于平衡態(tài)P１，T１p0最終p2

=p0T2

=T0１2T0T0w過(guò)程進(jìn)行得非常緩慢，使過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)部被破壞了的平衡有足夠的時(shí)間恢復(fù)到新的平衡態(tài)，從而使過(guò)程的每一瞬間系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)都非常接近平衡狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程可看作是由一系列非常接近平衡態(tài)的狀態(tài)所組成，并稱(chēng)之為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。即造成系統(tǒng)狀態(tài)改變的不平衡勢(shì)差無(wú)限小，以致該系統(tǒng)在任意時(shí)刻均無(wú)限接近于某個(gè)平衡態(tài)，這樣的過(guò)程稱(chēng)為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是矛盾的統(tǒng)一體，不斷破壞，不斷恢復(fù)。這樣可將準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程近似看成由一系列平衡狀態(tài)組成，系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)T、P等隨時(shí)均勻一致，并可在狀態(tài)坐標(biāo)圖中用一條連續(xù)的曲線(xiàn)表示（狀態(tài)點(diǎn)的軌跡）。非準(zhǔn)態(tài)過(guò)程用虛線(xiàn)表示。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：1—b—2非準(zhǔn)靜態(tài)：1—a—2注意:準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是一種理想化的過(guò)程，實(shí)際過(guò)程只能接近準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的工程條件破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）恢復(fù)平衡所需時(shí)間(分子速度幾百m/s活塞速度不足10m/s)>>有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程疑問(wèn)：理論上準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)無(wú)限緩慢，工程上怎樣處理？準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程有實(shí)際意義嗎？工程上相對(duì)熱力學(xué)時(shí)間標(biāo)尺,過(guò)程都很慢總結(jié)

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程(quasi-staticprocess;quasi-equilibriumprocess)

定義：偏離平衡態(tài)無(wú)窮小，隨時(shí)恢復(fù)平衡的狀態(tài)變化過(guò)程。進(jìn)行條件：

破壞平衡的勢(shì)—過(guò)程進(jìn)行無(wú)限緩慢工質(zhì)有恢復(fù)平衡的能力準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實(shí)線(xiàn)表示無(wú)窮小2、可逆過(guò)程

在分析系統(tǒng)與外界傳遞能量(Q\W)的實(shí)際效果時(shí),只考慮系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變化過(guò)程是不夠的,因?yàn)橛心ψ璐嬖谑构ψ儫岬男?yīng),部分功變?yōu)闊?能量總量沒(méi)變,但可用功減少了,品位降低了.(耗散效應(yīng))為便于計(jì)算理論分析時(shí)設(shè)想無(wú)耗散效的理想過(guò)程-可逆過(guò)程

系統(tǒng)經(jīng)歷某一過(guò)程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過(guò)程為可逆過(guò)程。注意：可逆過(guò)程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過(guò)程。例：下圖

所示裝置，取汽缸中的工質(zhì)作為系統(tǒng)。設(shè)飛輪、活塞及工質(zhì)沒(méi)有任何耗散損失（熱損失）。設(shè)工質(zhì)進(jìn)行絕熱膨脹，對(duì)外做功，工質(zhì)經(jīng)歷A—1—2—3—4—B的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。B

壓縮過(guò)程終了將使工質(zhì)及機(jī)器都回到各自的初始狀態(tài)，對(duì)外界環(huán)境沒(méi)有留下任何影響，既沒(méi)得到功，也沒(méi)有消耗功。這種沒(méi)有熱力損失的過(guò)程，其正向效果與逆向效果恰好相互抵消，為可逆過(guò)程?？赡孢^(guò)程的實(shí)現(xiàn)條件準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程+無(wú)耗散效應(yīng)=可逆過(guò)程無(wú)不平衡勢(shì)差通過(guò)摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢(shì)差

不可逆根源耗散效應(yīng)

耗散效應(yīng)1．

過(guò)程無(wú)勢(shì)差(傳熱無(wú)溫差，作功無(wú)力差)2．

過(guò)程無(wú)耗散效應(yīng)。

可逆過(guò)程概念的要領(lǐng)在于，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)與外界可以無(wú)條件的逆復(fù)，同時(shí)過(guò)程進(jìn)行時(shí)不存在任何能量的損耗。

無(wú)能量的損耗是可逆過(guò)程區(qū)別于其他過(guò)程的核心。如準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和其他過(guò)程都能按逆向返回原態(tài)，當(dāng)過(guò)程中有能量損耗時(shí)，工質(zhì)逆回到原態(tài)時(shí)就需要外界補(bǔ)充相應(yīng)的能量，只有可逆過(guò)程的逆回是無(wú)條件的。

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程與可逆過(guò)程的異同：同：（1）都是由一系列平衡狀態(tài)組成，都要求保持力平衡和熱平衡。（2）狀態(tài)坐標(biāo)圖上都能用連續(xù)的曲線(xiàn)表示異：（1）可逆過(guò)程沒(méi)有勢(shì)差，隨時(shí)與外界保持熱平衡與力平衡，沒(méi)有任何能量的不可逆損失；準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程可以有勢(shì)差的存在，但能及時(shí)恢復(fù)，保持接近平衡的狀態(tài)（2）準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)變化而言的；可逆過(guò)程是針對(duì)過(guò)程中系統(tǒng)所引起的外部效果而言的。聯(lián)系：準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是可逆過(guò)程的必要條件（不是充分條件）以后說(shuō)的過(guò)程多指可逆過(guò)程可逆過(guò)程中，閉口系統(tǒng)與外界的能量交換方式（途徑）有兩種：

A．功量（△V變化功）

B．熱量引入可逆過(guò)程的意義

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的理想化過(guò)程，但并非最優(yōu)過(guò)程，可逆過(guò)程是最優(yōu)過(guò)程?？赡孢^(guò)程的功與熱完全可用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)表達(dá)，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。實(shí)際過(guò)程不是可逆過(guò)程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過(guò)程）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正。1-6功和熱量

一、功(work)的定義和可逆過(guò)程的功

1．功的力學(xué)定義：力和力方向上位移的乘積

2．功的熱力學(xué)定義：通過(guò)邊界傳遞的能量其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。3．可逆過(guò)程功的計(jì)算▲功是過(guò)程量▲功可以用p-v圖上過(guò)程線(xiàn)與v軸包圍的面積表示1-6功和熱量

系統(tǒng)對(duì)外作功為“+”

外界對(duì)系統(tǒng)作功為“-”5．功和功率的單位：附：4．功的符號(hào)約定：§1-6工程功和熱量1、力學(xué)定義:力在力方向上的位移2、熱力學(xué)定義

功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推動(dòng)下，通過(guò)有序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。（在熱力學(xué)過(guò)程中，功量是系統(tǒng)與外界相互作用所傳遞能量的一種形式）功量、熱量的轉(zhuǎn)換是在熱力過(guò)程中進(jìn)行的，是過(guò)程量，與過(guò)程性質(zhì)有關(guān)。在數(shù)學(xué)上不具有全微分性質(zhì)，只能表示成δw,δQ(與狀態(tài)參數(shù)不同)系統(tǒng)與外界的能量交換方式有兩種：功量、熱量例：火力發(fā)電裝置鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過(guò)熱器

3.可逆過(guò)程的膨脹功(容積功)系統(tǒng)容積發(fā)生變化而通過(guò)界面向外傳遞的機(jī)械功。容積功用W表示，單位：焦耳。1Kg工質(zhì)傳遞的容積功w表示，W=mw

J/kg

規(guī)定:系統(tǒng)對(duì)外做功(膨脹)為正，外界對(duì)系統(tǒng)作功(壓縮)為負(fù)。問(wèn)題：初終態(tài)相同的情況下，比較不可逆過(guò)程的膨脹功與可逆過(guò)程膨脹功大??？J/kg

示功圖(P-V圖)pV2.12.pp外mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdvW12dVV1V

示功圖(P-V圖)pV2.12.pp外W12dVV1V以汽缸、活塞所包圍的閉口系統(tǒng)為例：設(shè)汽缸中有1Kg質(zhì)量的氣體，取其為系統(tǒng)。系統(tǒng)經(jīng)一個(gè)可逆膨脹過(guò)程，活塞由1移動(dòng)到2。該過(guò)程表示在P—V圖上，如圖所示：當(dāng)工質(zhì)克服外力F推動(dòng)活塞移動(dòng)微小距離ds時(shí)，工質(zhì)將對(duì)外作出微小的膨脹功：

δw=F·ds因?yàn)椋僭O(shè)過(guò)程可逆，內(nèi)外無(wú)勢(shì)差，存在力平衡，作用在活塞上的外力與工質(zhì)作用在活塞上的力相等，外力F可用系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)表示：F=PfP—絕壓，f—活塞截面積ds

示功圖(P-V圖)pV2.12.pp外1kg工質(zhì)：w=pdvW12dVV1V所以，單位質(zhì)量工質(zhì)在微元熱力過(guò)程中克服外力所作微元功為：δw=Pf·ds=PdvJ/Kg在P-V圖中δw以微元面積表示dsδw

示功圖(P-V圖)pV2.12.WV1V在P—V圖中過(guò)程曲線(xiàn)1—2下側(cè)的面積，即為過(guò)程作的功，w=面積12v1v21。所以，P—V圖也叫示功圖。在初終態(tài)相同的情況下，如果過(guò)程經(jīng)歷的途徑不同，過(guò)程曲線(xiàn)的形狀就不同，其下側(cè)面積就不同，即功量就不同。所以，功是過(guò)程量，不僅和初終態(tài)有關(guān)，還和過(guò)程有關(guān)。（而狀態(tài)參數(shù)的變化量與過(guò)程無(wú)關(guān)）用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)微元功δw是微小功量，而不是微小增量dw(全微分)δw≠W2-W1δw功的表達(dá)式功的一般表達(dá)式熱力學(xué)最常見(jiàn)的功容積變化功

功及熱的單位:1j=1w.s1J=1N.m四過(guò)程熱量1、熱量定義：熱力系通過(guò)邊界與外界的交換的能量中，除了功的部分.

另一定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度的推動(dòng)下，以微觀無(wú)序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。Q和W雖是能量交換的不同形式，但有許多共同點(diǎn)：都是過(guò)程量，都不是狀態(tài)參數(shù)，都是系統(tǒng)與外界通過(guò)交換的能量。通過(guò)類(lèi)比，Q計(jì)算有類(lèi)似于W的計(jì)算公式?？赡孢^(guò)程傳熱量：

熱量是系統(tǒng)與外界相互作用所傳遞能量的另一種形式。當(dāng)系統(tǒng)與外界存在溫差時(shí)，熱量就從高溫側(cè)傳向低溫側(cè)。當(dāng)ΔT=0達(dá)到熱平衡過(guò)程就停止了，熱量傳遞也就隨之停止了。所以，Q與W一樣都是過(guò)程量，不是狀態(tài)參數(shù)。所以，不能講某系統(tǒng)有多少熱量（功）只能講某系統(tǒng)在某一過(guò)程中和外界交換了多少熱量（功）功和熱量的區(qū)別：功是系統(tǒng)和外界間通過(guò)宏觀運(yùn)動(dòng)傳遞的能量。熱量是系統(tǒng)和外界間通過(guò)微觀運(yùn)動(dòng)傳遞的能量熱能是指物體分子運(yùn)動(dòng)所具有的能量。它可儲(chǔ)存于物體的內(nèi)部。熱量是在傳熱過(guò)程中，物體內(nèi)部熱能改變的結(jié)果。熱量一旦傳入系統(tǒng)就會(huì)變成系統(tǒng)所具有的一部分能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。所以，不能講某系統(tǒng)具有多少熱量，可以講某系統(tǒng)具有多少熱能。熱量如何表達(dá)？熱量是否可以用類(lèi)似于功的式子表示？？引入“熵”熱量與容積變化功能量傳遞方式容積變化功傳熱量性質(zhì)過(guò)程量過(guò)程量推動(dòng)力壓力p

溫度T標(biāo)志

dV,dv

dS

,ds公式公式條件

準(zhǔn)靜態(tài)或可逆可逆規(guī)定:系統(tǒng)吸熱時(shí)為正

Q>0

系統(tǒng)放熱時(shí)為負(fù)

Q<0在可逆過(guò)程中功量：δw=pdvp是推動(dòng)力（強(qiáng)度參數(shù)）熱量：δq=TdsT是推動(dòng)力這里，S也是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，叫熵。由此得出熵的定義：ds=δq/T熵變=可逆過(guò)程傳遞的熱量與熱源溫度之比熵的定義比參數(shù)[kJ/kg.K]可逆過(guò)程qrev除以傳熱時(shí)的T所得的商

清華大學(xué)劉仙洲教授命名為“熵”廣延量[kJ/K]可加熵的說(shuō)明1、熵是狀態(tài)參數(shù)

3、熵的物理意義：熵體現(xiàn)了可逆過(guò)程傳熱的大小與方向2、符號(hào)規(guī)定（QdS同號(hào)）

系統(tǒng)吸熱時(shí)為正Q>0dS>0系統(tǒng)放熱時(shí)為負(fù)Q<0dS<04、用途：判斷熱量方向計(jì)算可逆過(guò)程的傳熱量同樣，由兩狀態(tài)參數(shù)T，S可組成T—S圖（溫熵圖）可逆過(guò)程1-2中傳遞的熱量：

q的數(shù)值=過(guò)程線(xiàn)1-2下側(cè)面積，所以，T—S圖也叫示熱圖規(guī)定：系統(tǒng)吸熱ds>0

系統(tǒng)放熱ds<0S與q同號(hào)絕熱過(guò)程ds=0熵的單位：對(duì)單位質(zhì)量工質(zhì)，也稱(chēng)比熵J/（kg.k）符號(hào)s

對(duì)系統(tǒng)總質(zhì)量工質(zhì)，也稱(chēng)熵J/k符號(hào)S熵是一個(gè)很重要的狀態(tài)參數(shù)，微觀上代表系統(tǒng)內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的混亂程度，是分子無(wú)序度的度量。其意義在第五章講。通過(guò)ds可判別系統(tǒng)與外界有無(wú)熱量交換，及其交換方向示功圖與示熱圖pVWTSQ

p-v示功圖T-S示熱圖點(diǎn)：表示狀態(tài)，平衡狀態(tài)線(xiàn)：過(guò)程線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)表示準(zhǔn)靜態(tài)、可逆過(guò)程面積：曲線(xiàn)與s坐標(biāo)所圍面積表示過(guò)程交換的熱量Q方向：過(guò)程熵增大dS﹥0表示吸熱，熵減小dS﹤0表示吸熱T-S示熱圖pVWTSQ

p-v示功圖點(diǎn)：表示狀態(tài)，平衡狀態(tài)線(xiàn)：過(guò)程線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)表示準(zhǔn)靜態(tài)、可逆過(guò)程面積：曲線(xiàn)與v坐標(biāo)所圍面積表示體積功w（過(guò)程不同，功不同）方向：dv﹥0功為正dv﹤0功為做功的標(biāo)志是體積變化。

§1-7熱力循環(huán)

要實(shí)現(xiàn)連續(xù)作功，必須構(gòu)成循環(huán)循環(huán)定義：工質(zhì)從某一初態(tài)開(kāi)始，經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化，最后又回復(fù)到初始狀態(tài)的全部過(guò)程稱(chēng)為熱力循環(huán)，簡(jiǎn)稱(chēng)循環(huán)。不可逆循環(huán)分類(lèi)：循環(huán)工作目的分循環(huán)性質(zhì)分可逆循環(huán)正循環(huán)逆循環(huán)圖1-14任意循環(huán)在任意循環(huán)在圖上的表示正循環(huán)（順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行）：

將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的循環(huán)。循環(huán)中膨脹功大于壓縮功（總效果對(duì)外作功）。逆循環(huán)（逆時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行）：消耗機(jī)械能將熱能從低溫物體取出傳至高溫物體的循環(huán)。循環(huán)中壓縮功大于膨脹功（對(duì)內(nèi)作功）。逆循環(huán)正循環(huán)圖1-14任意循環(huán)在圖上的表示(a)正循環(huán)；(b)逆循環(huán)

(a)正循環(huán)

設(shè)1kg工質(zhì)在氣缸中進(jìn)行一個(gè)正循環(huán)1-2-3-4-1。過(guò)程1-2-3表示膨脹過(guò)程，所以膨脹功在p-v圖上為面積123561。為使工質(zhì)回復(fù)到處態(tài)，必須對(duì)工質(zhì)進(jìn)行壓縮，此時(shí)所消耗的壓縮功為面積341653。正循環(huán)所做凈功w0為膨脹功與壓縮功之差，即循環(huán)所包含的面積12341

對(duì)正循環(huán)1-2-3-4-1，在膨脹功1-2-3中工質(zhì)從熱源吸熱q1，在壓縮過(guò)程3-4-1中工質(zhì)向冷源放熱q2。由于在循環(huán)過(guò)程中，工質(zhì)回復(fù)到初態(tài)，工質(zhì)的狀態(tài)沒(méi)有變化，因此，工質(zhì)內(nèi)部所具有的能量也沒(méi)有變化。循環(huán)過(guò)程中工質(zhì)從熱源吸收的熱量q1與向冷源放出的熱量q2的差值，必然等于循環(huán)1-2-3-4-1所做的凈功w0,即w0=q1-q2。正循環(huán)熱力循環(huán)的評(píng)價(jià)指標(biāo)正循環(huán)：凈效應(yīng)（對(duì)外作功，吸熱）W機(jī)械能T1熱源Q1吸Q2放T2冷源動(dòng)力循環(huán)：熱效率

正循環(huán)中的熱轉(zhuǎn)換功的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)用循環(huán)熱效率：循環(huán)熱效率=循環(huán)中轉(zhuǎn)換為功的熱量/工質(zhì)從熱源吸收的總熱量

式中q1—工質(zhì)從熱源吸熱q2—工質(zhì)向冷源放熱；

w0—循環(huán)所作的凈功。逆循環(huán)pVTS凈效應(yīng)：對(duì)內(nèi)作功凈效應(yīng)：放熱逆循環(huán)：逆時(shí)針?lè)较?112(b)逆循環(huán)

如圖所示，熱力循環(huán)按逆時(shí)針進(jìn)行（即循環(huán)1-4-3-2-1）時(shí)，就成了逆循環(huán)。由p-v圖可知，逆循環(huán)的凈功為負(fù)值，即逆循環(huán)需要消耗功。工程上逆循環(huán)有兩種用途：如以獲得制冷量為目的，稱(chēng)為致冷循環(huán)，這時(shí)致冷工質(zhì)從冷源吸收熱量q2（或稱(chēng)冷量）。

如以