基本概念及定義

基本概念及定義第一頁，共九十頁，2022年，8月28日目錄1.1熱力系統(tǒng)1.2狀態(tài)和狀態(tài)數(shù)1.3強度參數(shù)和廣延參數(shù)1.4平衡態(tài)1.5狀態(tài)方程和坐標圖1.6準靜態(tài)過程、可逆過程1.7功1.8熱量與熵1.9循環(huán)第二頁，共九十頁，2022年，8月28日定義：由某種邊界包圍，被取作研究對象的特定的物質(zhì)或空間（人為的）分類：閉口系統(tǒng)（與外界無物質(zhì)交換）

開口系統(tǒng)（與外界有物質(zhì)交換）

絕熱系統(tǒng)（與外界無熱量交換）

簡單可壓縮系統(tǒng)（與外界交換只有體積變化功）1.1熱力系統(tǒng)第三頁，共九十頁，2022年，8月28日1234mQW1

開口系非孤立系＋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孤立系第四頁，共九十頁，2022年，8月28日熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋爐汽輪機發(fā)電機給水泵凝汽器過熱器只交換功只交換熱既交換功也交換熱第五頁，共九十頁，2022年，8月28日

定義：外界：系統(tǒng)以外所有的物（surroundings

）

邊界：系統(tǒng)與外界的分界面（boundary

）外界與邊界系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界第六頁，共九十頁，2022年，8月28日邊界特性真實、虛構(gòu)固定、活動第七頁，共九十頁，2022年，8月28日1.2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量狀態(tài)參數(shù)的特征：1、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然2、狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分第八頁，共九十頁，2022年，8月28日狀態(tài)參數(shù)的積分特征

狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。數(shù)學(xué)上：點函數(shù)1

2ab例：溫度變化山高度變化第九頁，共九十頁，2022年，8月28日狀態(tài)參數(shù)的微分特征設(shè)z=z(x,y)dz是全微分充要條件：可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)第十頁，共九十頁，2022年，8月28日1.3強度參數(shù)與廣延參數(shù)強度參數(shù)：

與物質(zhì)的量無關(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具有強度參數(shù)的性質(zhì)第十一頁，共九十頁，2022年，8月28日速度動能高度位能內(nèi)能溫度應(yīng)力摩爾數(shù)（強）（強）（強）（強）（廣）（廣）（廣）（廣）VelocityKineticEnergyHeightPotentialEnergyTemperatureInternalEnergyStressMol第十二頁，共九十頁，2022年，8月28日基本狀態(tài)參數(shù)壓力

p、溫度T、比容v

（容易測量）1、壓力

p

(pressure)

物理中壓強，單位:Pa，N/m2常用單位Units：

1kPa=103Pa1bar=105Pa

1MPa=106Pa

1atm=760mmHg=1.013105

Pa

1mmHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665104

Pa第十三頁，共九十頁，2022年，8月28日壓力p測量絕對壓力與環(huán)境壓力的相對值

——相對壓力注意：只有絕對壓力

p

才是狀態(tài)參數(shù)第十四頁，共九十頁，2022年，8月28日絕對壓力與相對壓力當p>pb表壓力pe當p<pb真空度pvpbpeppvp第十五頁，共九十頁，2022年，8月28日2、溫度

T傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。微觀：衡量分子平均動能的量度

T0.5mw21)同T,0.5mw2不同，如碳固體和碳蒸氣2)0.5mw2總0,T0,1951年核磁共振法對氟化鋰晶體的實驗發(fā)現(xiàn)負的開爾文溫度3)T=00.5mw

2=0分子一切運動停止，零點能第十六頁，共九十頁，2022年，8月28日溫度的熱力學(xué)定義熱力學(xué)第零定律（R.W.Fowlerin1931）

如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。溫度測量的理論基礎(chǔ)B溫度計

溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量第十七頁，共九十頁，2022年，8月28日

處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，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。

溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量。第十八頁，共九十頁，2022年，8月28日熱力學(xué)溫標（絕對溫標）Kelvinscale

（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）攝氏溫標Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）華氏溫標Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)朗肯溫標Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)第十九頁，共九十頁，2022年，8月28日常用溫標之間的關(guān)系絕對K攝氏℃

華氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點水三相點鹽水熔點發(fā)燒水沸點559.67第二十頁，共九十頁，2022年，8月28日溫標的換算第二十一頁，共九十頁，2022年，8月28日3、比容

v工質(zhì)聚集的疏密程度物理上常用密度density[kg/m3]第二十二頁，共九十頁，2022年，8月28日1.4平衡態(tài)定義：在不受外界影響下（重力場除外），熱力系統(tǒng)客觀性質(zhì)不隨時間改變的狀態(tài)實現(xiàn)條件：力平衡（無壓差△P→0）熱平衡（無溫差△T→0）第二十三頁，共九十頁，2022年，8月28日平衡Equilibrium與穩(wěn)定Steady穩(wěn)定：參數(shù)不隨時間變化穩(wěn)定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態(tài)變化若以（熱源+銅棒+冷源）為系統(tǒng)，又如何？穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定第二十四頁，共九十頁，2022年，8月28日平衡Equilibrium與均勻Even平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的第二十五頁，共九十頁，2022年，8月28日為什么引入平衡概念？

如果系統(tǒng)平衡，可用一組確切的參數(shù)（壓力、溫度）描述但平衡狀態(tài)是死態(tài)，沒有能量交換能量交換狀態(tài)變化破壞平衡如何描述？第二十六頁，共九十頁，2022年，8月28日1.5狀態(tài)方程、坐標圖平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài)狀態(tài)公理：對組元一定的閉口系，獨立狀態(tài)參數(shù)個數(shù)

N=n+1想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？第二十七頁，共九十頁，2022年，8月28日狀態(tài)公理閉口系：而不平衡勢差彼此獨立獨立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢差數(shù)=能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目

=各種功的方式+熱量=n+1n

容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等不平衡勢差

狀態(tài)變化

能量傳遞消除一種

達到某一

消除一種能量不平衡勢差方面平衡傳遞方式第二十八頁，共九十頁，2022年，8月28日簡單可壓縮系統(tǒng)的獨立變量數(shù)簡單可壓縮系統(tǒng)：N=n+1=2只交換熱量和一種準靜態(tài)的容積變化功壓縮功、膨脹功第二十九頁，共九十頁，2022年，8月28日狀態(tài)方程簡單可壓縮系統(tǒng)：N=2

狀態(tài)方程

基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關(guān)系第三十頁，共九十頁，2022年，8月28日例：R134a的維里型狀態(tài)方程第三十一頁，共九十頁，2022年，8月28日座標圖簡單可壓縮系統(tǒng)N=2，平面坐標圖pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標圖上說明：2）過程線中任意一點為平衡態(tài)3）不平衡態(tài)無法在圖上用實線表示21第三十二頁，共九十頁，2022年，8月28日回顧1.1熱力系統(tǒng)1.2狀態(tài)和狀態(tài)數(shù)1.3強度參數(shù)和廣延參數(shù)1.4平衡態(tài)1.5狀態(tài)方程和坐標圖第三十三頁，共九十頁，2022年，8月28日1.6準靜態(tài)過程、可逆過程平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)無法簡單描述熱力學(xué)引入準靜態(tài)（準平衡）過程第三十四頁，共九十頁，2022年，8月28日一般過程Processp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0pv12..第三十五頁，共九十頁，2022年，8月28日準靜態(tài)過程Quasi-staticprocessp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0假如重物有無限多層每次只去掉無限薄一層pv12...系統(tǒng)隨時接近于平衡態(tài)第三十六頁，共九十頁，2022年，8月28日準靜態(tài)過程有實際意義嗎？既是平衡，又是變化既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進行熱功轉(zhuǎn)換疑問：理論上準靜態(tài)應(yīng)無限緩慢，工程上怎樣處理？第三十七頁，共九十頁，2022年，8月28日準靜態(tài)過程的工程條件破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）>>有足夠時間恢復(fù)新平衡準靜態(tài)過程第三十八頁，共九十頁，2022年，8月28日準靜態(tài)過程的工程應(yīng)用例：活塞式內(nèi)燃機2000轉(zhuǎn)/分，曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運動速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350m/s破壞平衡所需時間（外部作用時間）>>恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）一般的工程過程都可認為是準靜態(tài)過程具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛钡谌彭摚簿攀?，2022年，8月28日準靜態(tài)過程的容積變化功pp外f初始：pA

=p外A

+fA如果p外微小，可視為準靜態(tài)過程dl以汽缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變化對外界作的功W=pAdl=pdV1kg工質(zhì)w=pdvdl很小，近似認為p不變第四十頁，共九十頁，2022年，8月28日準靜態(tài)過程的容積變化功pp外2mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdv1注意：上式僅適用于準靜態(tài)過程第四十一頁，共九十頁，2022年，8月28日示功圖(p-V圖)pV.12.pp外21mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdvW第四十二頁，共九十頁，2022年，8月28日pV.12.2）p-V圖上用面積表示3）功的大小與路徑有關(guān)，

過程量4）統(tǒng)一規(guī)定：dV>0，膨脹對外作功（正）

dV<0，壓縮外內(nèi)作功（負）5）適于準靜態(tài)下的任何工質(zhì)（一般為流體）6）外力無限制，功的表達式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)7）有無f，只影響外界得到功的大小1）單位為[kJ]或[kJ/kg]說明第四十三頁，共九十頁，2022年，8月28日摩擦損失的影響若有f存在，就存在損失pp外21系統(tǒng)對外作功W，外界得到的功W’<W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功W’’<W’則外界、活塞、系統(tǒng)不能同時恢復(fù)原態(tài)。第四十四頁，共九十頁，2022年，8月28日摩擦損失的影響若f＝0pp外21系統(tǒng)對外作功W，外界得到的功W’＝W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)則外界、活塞、系統(tǒng)同時恢復(fù)原態(tài)。第四十五頁，共九十頁，2022年，8月28日可逆過程可逆過程定義：當系統(tǒng)完成某一過程后，如能使過程逆行，而使系統(tǒng)和外界回復(fù)原始狀態(tài)，不遺留任何變化。實現(xiàn)可逆過程的條件：無耗散效應(yīng)的準靜態(tài)過程是可逆過程實現(xiàn)的充要條件。注意可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過程。第四十六頁，共九十頁，2022年，8月28日可逆過程的膨脹功：W=∫pdV

可逆過程的熱量傳遞：Q=∫TdS

第四十七頁，共九十頁，2022年，8月28日可逆過程的實現(xiàn)準靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)=可逆過程不平衡勢差無限小通過摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢差

不可逆根源

耗散效應(yīng)

耗散效應(yīng)第四十八頁，共九十頁，2022年，8月28日Heattransfer常見的不可逆過程1.不等溫傳熱T1T2T1>T2Q第四十九頁，共九十頁，2022年，8月28日2.節(jié)流過程

(閥門）p1p2p1>p2Throttler第五十頁，共九十頁，2022年，8月28日4.混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★3.自由膨脹真空????????????UnrestrainedexpansionMixingprocess第五十一頁，共九十頁，2022年，8月28日完全可逆、內(nèi)可逆與外可逆

完全可逆

可逆內(nèi)部可逆，外部不可逆常見90℃0℃例：內(nèi)可逆外不可逆外部可逆，內(nèi)部不可逆第五十二頁，共九十頁，2022年，8月28日引入可逆過程的意義準靜態(tài)過程是實際過程的理想化過程，但并非最優(yōu)過程，可逆過程是最優(yōu)過程?？赡孢^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，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。實際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過程）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。第五十三頁，共九十頁，2022年，8月28日判斷下列過程是否是可逆過程？1.對剛性容器內(nèi)的水加熱，使其在恒溫下蒸發(fā)2.對剛性容器內(nèi)的水做功，使其在恒溫下蒸發(fā)3.對剛性容器內(nèi)的空氣緩慢加熱，使其從50度升高至150度第五十四頁，共九十頁，2022年，8月28日1.7功量Work1、力學(xué)定義:力×在力方向上的位移2、熱力學(xué)定義Ⅰ熱力學(xué)定義II第五十五頁，共九十頁，2022年，8月28日功的力學(xué)定義鍋爐汽輪機發(fā)電機給水泵凝汽器過熱器力在力方向上的位移第五十六頁，共九十頁，2022年，8月28日功的熱力學(xué)定義I

當熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時，如果對外界的唯一效果可歸結(jié)為取起重物，此即為熱力系對外作功。第五十七頁，共九十頁，2022年，8月28日功的熱力學(xué)定義II

功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，(在力的推動下，通過有序運動方式傳遞的能量)是熱力學(xué)系統(tǒng)通過邊界與外界傳遞的能量。

Workisanenergyinteractionbetweenasystemanditssurroundings,iftheenergycrossingtheboundaryofaclosedsystemisnotheat,itmustbework.第五十八頁，共九十頁，2022年，8月28日功的表達式功的一般表達式熱力學(xué)最常見的功容積變化功

其他準靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等第五十九頁，共九十頁，2022年，8月28日靈活處理功的計算充氣球若準靜態(tài)過程若取進入氣球的氣體為系統(tǒng)但pV的關(guān)系不知？若看外部效果，pb不變外界得到功pbV=氣體作功第六十頁，共九十頁，2022年，8月28日1.8熱量與熵

熱量定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度差的推動下，以微觀無序運動方式傳遞的能量。熱量是否可以用類似于功的式子表示？？引入“熵”第六十一頁，共九十頁，2022年，8月28日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)過程量過程量推動力壓力p

溫度T標志

dV,dvdS,ds公式條件準靜態(tài)或可逆可逆第六十二頁，共九十頁，2022年，8月28日熵（Entropy）的定義：比參數(shù)[kJ/kg.K]ds:

可逆過程

qrev除以傳熱時的T所得的商

廣延量[kJ/K]reversible第六十三頁，共九十頁，2022年，8月28日熵的說明1、熵是狀態(tài)參數(shù)

3、熵的物理意義：熵體現(xiàn)了可逆過程傳熱的大小與方向2、符號規(guī)定系統(tǒng)吸熱時為正

δQ>0dS>0系統(tǒng)放熱時為負

δQ<0dS<04、用途：判斷熱量方向計算可逆過程的傳熱量第六十四頁，共九十頁，2022年，8月28日P-V圖與T-S圖pVWTSQ

P-V圖T-S圖第六十五頁，共九十頁，2022年，8月28日4.9循環(huán)定義：工質(zhì)經(jīng)若干過程后又回到原來的狀態(tài)，此一系列過程稱為熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。分類：正循環(huán)狀態(tài)圖上沿順時針方向進行，消耗熱，獲得功；

逆循環(huán)狀態(tài)圖上沿逆時針方向進行，消耗功，獲得熱；

可逆循環(huán)由一系列可逆過程組成的循環(huán)；

不可逆循環(huán)含有不可逆過程的循環(huán)。第六十六頁，共九十頁，2022年，8月28日正循環(huán)p21V循環(huán)的經(jīng)濟性指標：熱效率ηt=W/Q1凈效應(yīng)：對外作功凈效應(yīng)：吸熱第六十七頁，共九十頁，2022年，8月28日循環(huán)的經(jīng)濟性指標：制冷裝置制冷系數(shù)

ε=Q2/W

熱泵裝置供熱系數(shù)ε'=Q1/W

21Vp逆循環(huán)凈效應(yīng)：對內(nèi)作功凈效應(yīng)：放熱第六十八頁，共九十頁，2022年，8月28日第一章小結(jié)Summary基本概念：熱力系平衡態(tài)準靜態(tài)、可逆過程量、狀態(tài)量、狀態(tài)參數(shù)功量、熱量、熵

p-V圖、T-S圖循環(huán)、評價指標第六十九頁，共九十頁，2022年，8月28日

熱力系種類：閉口系、開口系、絕熱系、孤立系熱力系的選取取決于研究目的和方法，具有隨意性，選取不當將不便于分析。一旦取定系統(tǒng)，沿邊界尋找相互作用。第七十頁，共九十頁，2022年，8月28日狀態(tài)參數(shù)的特征：1、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然2、狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分

狀態(tài)、狀態(tài)參數(shù)、過程量過程量的特征：1.過程量與路徑有關(guān)第七十一頁，共九十頁，2022年，8月28日可逆過程=準靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)

平衡狀態(tài)、準靜態(tài)過程、可逆過程平衡狀態(tài)=無不平衡勢差（可用一組參數(shù)描述）準靜態(tài)過程=不平衡勢差無限小第七十二頁，共九十頁，2022年，8月28日1.統(tǒng)一規(guī)定：dV>0，膨脹對外作功為正

dV<0，壓縮外內(nèi)作功為負

δQ>0，系統(tǒng)吸熱為正

δQ<0，系統(tǒng)放熱為負2.計算公式：

功與熱量（過程量）

適用條件準靜態(tài)或可逆可逆第七十三頁，共九十頁，2022年，8月28日P-V圖與T-S圖pVWTSQ

P-V圖T-S圖第七十四頁，共九十頁，2022年，8月28日

循環(huán)及其評價指標p21V循環(huán)的經(jīng)濟性指標：熱效率ηt=W/Q1凈效應(yīng)：對外作功、吸熱正循環(huán)第七十五頁，共九十頁，2022年，8月28日循環(huán)的經(jīng)濟性指標：制冷裝置制冷系數(shù)

ε=Q2/W

熱泵裝置供熱系數(shù)ε'=Q1/W

21Vp凈效應(yīng)：對內(nèi)作功、放熱逆循環(huán)第七十六頁，共九十頁，2022年，8月28日例題第七十七頁，共九十頁，2022年，8月28日例1：絕熱剛性容器向氣缸充氣試分別選取閉口系和開口系，畫出充氣前后邊界，標明功和熱的方向。第七十八頁，共九十頁，2022年，8月28日(1)以容器內(nèi)原有氣體為系統(tǒng)閉口系功量：氣體對活塞作功WWQ熱