工程熱力學(xué)第一章課件

工程熱力學(xué)第一章課件通過閱讀報(bào)刊，我們能增長見識，擴(kuò)大自己的知識面。工程熱力學(xué)第一章課件通過閱讀報(bào)刊，我們能增長見識，擴(kuò)大自己的1現(xiàn)階段自然界可為人類利用的能源種類有哪些？

煤、石油、天然氣等礦物燃料的化學(xué)能、風(fēng)能、水力能、太陽能、地?zé)崮?、原子能、海洋能（潮汐能、波浪能）等?/p>

氫是一種能源嗎？

氫能不是一次能源，故不能與上述能源并列。氫只是能量的載體，是否是綠色能源，視制取方式而定。

空氣能是一種能源嗎？空氣能實(shí)際上是空氣所含的熱能。類似的有空氣能熱水器、地源熱泵…現(xiàn)階段自然界可為人類利用的能源種類有哪些？2上述能源是如何利用的？除了風(fēng)能和水力能等少數(shù)幾種是以機(jī)械能的形式提供能量外，其它則主要以熱能的形式或轉(zhuǎn)換為熱能（如煤、油燃燒及原子核反應(yīng)）的形式供人們利用，可見能量的利用過程實(shí)質(zhì)上是能量的傳遞和轉(zhuǎn)換過程。世界上經(jīng)過熱能形式而被利用的能量平均超過85％，我國則占90％以上，因此，能量利用中熱能起核心作用，熱能的開發(fā)利用對人類社會的發(fā)展有著重要意義。上述能源是如何利用的？3為什么要學(xué)工程熱力學(xué)？工程熱力學(xué)的“熱”指的是熱能，“力”指的是機(jī)械能，顧名思義，其是研究熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化規(guī)律的。熱能的有效利用，包括直接的熱利用（如冶金、化工、食品等工業(yè)和生活中所需的各種加熱）和間接的動力利用（將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或電能以提供動力）以及節(jié)能都離不開工程熱力學(xué)的指導(dǎo)。此外，它在制冷與熱泵、空氣分離、空氣調(diào)節(jié)、太陽能利用、化學(xué)反應(yīng)過程、生物工程、高能激光、超導(dǎo)傳輸、航空航天等許多方面都有廣泛應(yīng)用。為什么要學(xué)工程熱力學(xué)？4能量守恒為什么還會有能源危機(jī)？提供能量來源的物質(zhì)危機(jī)，實(shí)質(zhì)上是能量危機(jī)。能量守恒為什么還會有危機(jī)？要講清這問題，必須引入能量品位或品級的概念。雖然能量有化學(xué)能、核能、熱能等多種形式，但它們的品位是不同的，即它們的作功能力不同。如其中熱能的品位最低，如電能、機(jī)械能等可百分之百用于作功，而熱能只能部分作功。能量的轉(zhuǎn)化過程中，雖然數(shù)量保持不變，但品位在不斷下降，即在不斷貶值?，F(xiàn)有能量中可用于作功的部分越來越少，故有能源危機(jī)。火用+火無=常數(shù)能量守恒為什么還會有能源危機(jī)？5能量利用為什么基本都通過熱能中轉(zhuǎn)？目前還有其它較先進(jìn)的能量利用方式嗎？

正因?yàn)闊崮艿钠肺坏?，別的高品位能量很容易轉(zhuǎn)變成熱能，故能量利用基本都通過熱能中轉(zhuǎn)，故世界上經(jīng)過熱能形式而被利用的能量平均超過85％，我國則占90％以上。實(shí)際上，不管什么能量，最終都耗散成熱。（這一點(diǎn)，只要看看電腦機(jī)箱中有那么多的風(fēng)扇和散熱片就明白了。）現(xiàn)能源利用基本上遵循的是：化學(xué)能——熱能——機(jī)械能——電能路線，但其中熱能——機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率受熱力學(xué)定律的限制，故有化學(xué)能——電能直接轉(zhuǎn)化的燃料電池，也有熱能——電能的磁流體發(fā)電等新型較先進(jìn)的能量轉(zhuǎn)化方式正在研究，但目前還不夠成熟，還有許多技術(shù)問題沒有完全解決。此外，還有光能——電能直接轉(zhuǎn)化的光伏電池。能量利用為什么基本都通過熱能中轉(zhuǎn)？目前還有其它較先進(jìn)的能量利6人類熱能動力利用及熱力學(xué)發(fā)展史

熱（能動）力機(jī)械簡介十八世紀(jì)以前：人力、畜力、風(fēng)力、水力十八世紀(jì)：蒸汽機(jī)發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，為工業(yè)革命的發(fā)端?？梢哉f，熱能動力利用是現(xiàn)代工業(yè)和科技文明的基礎(chǔ)；十九世紀(jì)：蒸汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)；二十世紀(jì)：燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣發(fā)動機(jī)、現(xiàn)代核動力裝置、燃料電池。

一些典型的熱能動力轉(zhuǎn)換裝置：內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣發(fā)動機(jī)、核動力裝置及制冷（熱泵）裝置原理介紹見參考書。

人類熱能動力利用及熱力學(xué)發(fā)展史

熱（能動）力機(jī)械簡介十八世7熱力學(xué)發(fā)展史對熱能動力裝置熱效率提高的追求促進(jìn)了熱力學(xué)的發(fā)展熱力學(xué)第零定律1930熱力學(xué)第一定律1850熱力學(xué)第二定律1824熱力學(xué)第三定律1912可用能的概念1942熱力學(xué)發(fā)展史對熱能動力裝置熱效率提高的追求促進(jìn)了熱力學(xué)的發(fā)展8工程熱力學(xué)的研究內(nèi)容和研究方法主要內(nèi)容：熱能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換規(guī)律——熱力學(xué)基本定律，這是分析問題的基礎(chǔ)和依據(jù)。工質(zhì)的熱力性質(zhì)。工質(zhì)是能量的載體。對借助于工質(zhì)實(shí)施的能量轉(zhuǎn)換過程的具體分析研究需要了解工質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)。基本熱力過程與各種裝置的熱力循環(huán)分析。研究方法：以“宏”為主，以“微”為輔；大量采用抽象、概括、理想化和簡化的方法。工程熱力學(xué)的研究內(nèi)容和研究方法主要內(nèi)容：9熱力學(xué)的方法及語言力學(xué)研究由少量粒子組成的微觀系統(tǒng)；使用位置、速度等反映每個(gè)粒子運(yùn)動的“微觀變量”；采用運(yùn)動方程，求變化的細(xì)節(jié)。量子力學(xué)采用的是包含微觀粒子量子態(tài)全部信息的“波函數(shù)”。熱力學(xué)研究由大量粒子組成的宏觀系統(tǒng)；使用溫度、體積、壓力、能量、熵等反映系統(tǒng)整體性質(zhì)的“宏觀變量”；采用能量方程和熵方程，不究變化過程的細(xì)節(jié)，只求系統(tǒng)整體變化的結(jié)果。由一系列特殊詞匯——概念構(gòu)成其語言，須準(zhǔn)確掌握。熱力學(xué)的方法及語言力學(xué)10宏觀研究方法與微觀研究方法

宏觀研究方法是以一些基本的唯象定律為基礎(chǔ)，針對具體問題采用抽象、概括、理想化和簡化的方法（如將燃?xì)?、水蒸氣等抽象成理想氣體，將實(shí)際過程簡化為可逆過程進(jìn)行分析，然后再修正），抽出共性，突出本質(zhì)，建立分析模型，推導(dǎo)出一系列有用的公式，得到若干重要結(jié)論。由于這些基本定律為大量的經(jīng)驗(yàn)觀察所證實(shí)，是可靠和普適的，故采用宏觀研究方法所得到的結(jié)果也是可靠的。缺憾是其不能對熱現(xiàn)象的本質(zhì)及內(nèi)在原因給予解釋。微觀研究方法是從物質(zhì)是由大量分子和原子等粒子所組成的事實(shí)出發(fā)，將宏觀性質(zhì)作為在一定宏觀條件下大量分子和原子的相應(yīng)微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值，利用牛頓力學(xué)或量子力學(xué)以及統(tǒng)計(jì)方法，將大量粒子在一定宏觀條件下一切可能的微觀運(yùn)動狀態(tài)予以統(tǒng)計(jì)平均，得到物質(zhì)的宏觀特性和有關(guān)熱的基本定律。因而其可闡明熱現(xiàn)象的本質(zhì)，解釋其發(fā)生原因。但其對微觀粒子（分子或原子）的結(jié)構(gòu)及相互作用做出的模型假設(shè)只能是近似的，這就導(dǎo)致所求得的理論結(jié)果往往不夠精確。

工程熱力學(xué)主要應(yīng)用宏觀的研究方法以確保結(jié)果的可靠實(shí)用，輔之以統(tǒng)計(jì)物理的微觀解釋以加深理解。

宏觀研究方法與微觀研究方法宏觀研究方法是以一些基本的唯象11第一章概念與定義1.熱力系統(tǒng)

與力學(xué)中的隔離體概念類似，為便于分析，熱力學(xué)中常將一定量的物質(zhì)或空間人為分割出來作為研究對象，此即為熱力系統(tǒng)（簡稱熱力系或系統(tǒng)）。環(huán)繞系統(tǒng)的外部物體統(tǒng)稱為外界或環(huán)境。系統(tǒng)與外界的交界面稱為邊界。

外界或環(huán)境可以是自然存在的，如大氣環(huán)境，也可以是人為設(shè)置的，如恒溫設(shè)備一類，總之應(yīng)是真正對系統(tǒng)狀態(tài)產(chǎn)生直接影響的部分。系統(tǒng)的邊界既可以是固定的又可以是活動的，既可以是真實(shí)的，又可以是虛構(gòu)的（見圖1-1）。

第一章概念與定義1.熱力系統(tǒng)12系統(tǒng)分類

根據(jù)系統(tǒng)與外界相互作用中質(zhì)量和能量交換情況，熱力系又可分為

閉口系、開口系和孤立系。閉口系：與外界之間只有能量交換而無質(zhì)量交換的系統(tǒng)。物質(zhì)不能透過其邊界，系統(tǒng)質(zhì)量保持恒定不變，故閉口系統(tǒng)又叫做控制質(zhì)量。開口系：與外界之間既有能量交換又有質(zhì)量交換的系統(tǒng)。物質(zhì)可透過邊界在其與外界間流動。系統(tǒng)內(nèi)的能量和質(zhì)量均可變化，但這種變化的空間范圍不變，故開口系統(tǒng)又叫做控制容積，或控制體，控制邊界。孤立系：與外界之間既無能量交換又無質(zhì)量交換的系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)的一切相互作用都發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)部。

以上是最常用的熱力系分法。當(dāng)然根據(jù)系統(tǒng)的其它特點(diǎn)還可有一些別的分法，如根據(jù)物質(zhì)種類劃分的單元系與多元系；根據(jù)物質(zhì)聚集狀態(tài)劃分的單相系與多相系等。另外還有與外界無熱交換的絕熱系；具有無限大熱容量以致吸入或放出有限的熱量其溫度不變的特殊系統(tǒng)——熱源或冷源；以及由可壓縮物質(zhì)構(gòu)成的可壓縮系統(tǒng)。熱力工程中最常用的工作物質(zhì)（簡稱工質(zhì)）即是可壓縮流體。系統(tǒng)分類根據(jù)系統(tǒng)與外界相互作用中質(zhì)量和能量交換情況，13

系統(tǒng)既可以是某一個(gè)或幾個(gè)物體，也可以是物體的某一部分，甚至只是由某些邊界圍成的空間，故熱力學(xué)中系統(tǒng)的概念較物體的概念要寬泛得多。正確選擇熱力系是進(jìn)行熱力學(xué)分析的前提。熱力系選得好，可使分析過程簡單、明了。

（a）閉口系出口進(jìn)口（b）開口系圖1-1系統(tǒng)與邊界系統(tǒng)既可以是某一個(gè)或幾個(gè)物體，也可以是物體的某一部142.平衡狀態(tài)

熱力系在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為熱力系的狀態(tài)。

在沒有外界影響的條件下，若系統(tǒng)的各部分在長時(shí)間內(nèi)不再發(fā)生任何宏觀上可觀測的變化，即稱其進(jìn)入了平衡狀態(tài)。注意：平衡狀態(tài)≠穩(wěn)定狀態(tài)

成因分析：平衡狀態(tài)本質(zhì)上是一些過程的結(jié)果。設(shè)想系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)與外界間有不同溫度的物體熱接觸，則經(jīng)驗(yàn)告訴我們，必然有熱自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，系統(tǒng)的狀態(tài)不斷變化，最終達(dá)到一個(gè)溫度均勻的狀態(tài)。可見溫差驅(qū)動了熱流，直至溫差消失，系統(tǒng)建立起了熱平衡。同樣，如果系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)與外界間有壓力差存在，必將引起宏觀物體的位形變化，系統(tǒng)狀態(tài)不斷變化直至力差消失而建立起力平衡。諸如溫度、壓力等可統(tǒng)稱為勢。不平衡勢（勢差）是使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的驅(qū)動力。對于有相變或化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)，是化學(xué)勢差引起相轉(zhuǎn)變或化學(xué)組成的變化。

對于一個(gè)狀態(tài)可以自由變化的熱力系，如果系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)與外界之間的一切不平衡勢都不存在，則熱力系的一切可見的宏觀變化均將停止，此時(shí)熱力系所處的狀態(tài)即是平衡狀態(tài)。

2.平衡狀態(tài)15熱力學(xué)處理問題的方法

熱力學(xué)以平衡態(tài)這樣一種最簡單的熱力學(xué)狀態(tài)作為自己的主要研究對象。這是它不問細(xì)節(jié)只求結(jié)果的簡捷研究方法所決定的。拋開使用“運(yùn)動”方程計(jì)算實(shí)際復(fù)雜的不平衡過程進(jìn)行的細(xì)節(jié)，只計(jì)算過程的結(jié)果，即系統(tǒng)狀態(tài)的最終變化。這樣只要抓住系統(tǒng)變化的初始和終了兩個(gè)平衡態(tài)即可。熱力學(xué)處理問題的方法熱力學(xué)以平衡態(tài)這樣一種16狀態(tài)參數(shù)處于平衡狀態(tài)的單相熱力系，若重力場造成的差別可忽略，應(yīng)具有均勻一致的溫度T、壓力p等，故可以用確定的T、p等物理量來描述。用來描述熱力系平衡狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。常用的狀態(tài)參數(shù)有6個(gè)：壓力p、體積V、溫度T、

內(nèi)能U、焓H、熵S。其中，前三個(gè)是可測物理量，稱為基本狀態(tài)參量。后面將要指出，僅從幾個(gè)熱力學(xué)基本定律出發(fā)，后三個(gè)不可測量就可用前三個(gè)可測量來表示。

狀態(tài)參數(shù)處于平衡狀態(tài)的單相熱力系，若重力場造成的差別可忽略，17基本狀態(tài)參數(shù)壓力熱力學(xué)中的壓力指的是氣體壓強(qiáng)，法定單位：帕（Pa）1Pa=1N/m2

其它單位：巴（bar）、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）、工程大氣壓（at）、毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）。1atm=760mmHg=10332.3mmH2O（相當(dāng)于我國黃海海面大氣壓，可將水銀柱支持760毫米高，水10.3米），1atm=1.033at（kg/cm2），1bar=105

Pa=0.9869atm=1.0197at，可見巴（bar）與兩個(gè)大氣壓接近.

Pa的單位太小，故常用MPa（106Pa）或bar

關(guān)于壓力的測量，關(guān)鍵是抓住當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b的概念。當(dāng)?shù)刂傅氖撬幬恢玫拇髿鈮?。壓力?jì)測得是表壓力pe或真空度pv，它是一個(gè)相對壓力，它與絕對壓力的關(guān)系

基本狀態(tài)參數(shù)壓力18比體積關(guān)于體積，沒有太多好講的，這里重點(diǎn)講一下比體積，即單位物質(zhì)所占的體積它與密度互為倒數(shù)。溫度溫度這一概念在熱科學(xué)中占據(jù)中心地位，放到后面詳細(xì)講。比體積19廣延量與強(qiáng)度量——?jiǎng)菖c位狀態(tài)參數(shù)除壓力p、體積V、溫度T、內(nèi)能U、焓H、熵S

還有許多，如自由能F、自由焓G等，它們是上述常用狀態(tài)參數(shù)的某種組合。另外，若是電介質(zhì)處于電場中或磁性物質(zhì)處于磁場中，還應(yīng)有電場強(qiáng)度E、總極化強(qiáng)度P、磁場強(qiáng)度H、總磁化強(qiáng)度M。以上這些物理量可分為兩大類。一類與系統(tǒng)的質(zhì)量有關(guān)，稱為廣延量。如上述的V、U、H、S、F、G、P、M等。這些量可以“分割”，系統(tǒng)總量等于各部分之和。因而，可以問譬如系統(tǒng)某一部分（甚至某一微元）的體積、能量是多少，但不能問某一“點(diǎn)”的體積、能量是多少。另一類與系統(tǒng)的質(zhì)量無關(guān)，稱為強(qiáng)度量。如上述的p、T、E、H等。強(qiáng)度量不具有加和性，但可以逐點(diǎn)地測量和改變，可以造成空間均勻或不均勻的分布。

廣延量除以總質(zhì)量即可轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度量，但在其相應(yīng)的名稱前須冠以“比”字，并用小寫字母表示，如比體積v、比內(nèi)能u、比焓h、比熵s等。

廣延量與強(qiáng)度量——?jiǎng)菖c位狀態(tài)參數(shù)除壓力p、體積V20

廣延量和強(qiáng)度量基本上是成對出現(xiàn)的：體積V和壓力p，熵S和溫度T，總極化強(qiáng)度P和電場強(qiáng)度E，總磁化強(qiáng)度M和磁場強(qiáng)度H，等等。每一對變量的乘積，例如pV，TS，E·P，H·M都具有能量的量綱，故它們又稱為“共軛”變量。其中的強(qiáng)度量，我們前面說了，稱為“勢”，那么相應(yīng)的廣延量，我們也給它一個(gè)名稱，叫作“位”。位的變化是由其相應(yīng)勢的不平衡所導(dǎo)致的，譬如，壓力差導(dǎo)致系統(tǒng)體積變化，溫度差導(dǎo)致系統(tǒng)熵的變化，等等。故勢決定著其相應(yīng)位發(fā)生變化的趨勢，強(qiáng)度量控制著系統(tǒng)的狀態(tài)變化。后面將要講到，各種勢與其相應(yīng)位的變化的乘積（如pdV，TdS，E·dP，H·dM等）均為可逆熱力過程中系統(tǒng)與外界交換的能量。

勢參量不僅是系統(tǒng)的屬性，當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)被確定以后，若沒有外部約束（如剛性壁、絕熱壁等），系統(tǒng)與環(huán)境之間還要維持熱平衡、力平衡等勢平衡。也就是說，外界可以通過溫度、壓力等勢的變化來影響和規(guī)定系統(tǒng)的性質(zhì)和狀態(tài)，因此，T、p等勢參數(shù)有時(shí)也叫外參數(shù)。

廣延量和強(qiáng)度量基本上是成對出現(xiàn)的：體積V和壓力p，熵S和21狀態(tài)方程熱力系的狀態(tài)由狀態(tài)參數(shù)來描述。這些狀態(tài)參數(shù)分別從不同的角度描述系統(tǒng)某一方面的宏觀特性。狀態(tài)參數(shù)有許多，但它們之間并非彼此獨(dú)立而是存在一定的相互依賴關(guān)系。事實(shí)上，經(jīng)驗(yàn)告訴我們：常常僅需選擇少數(shù)幾個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參量就可確定一個(gè)熱力系的平衡狀態(tài)。其余的狀態(tài)參數(shù)也因之確定，故可作為這些獨(dú)立變量的函數(shù)。熱力系獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)的個(gè)數(shù)如何確定？系統(tǒng)的狀態(tài)變化由勢控制，而不同的勢相互獨(dú)立，故自然想到系統(tǒng)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)的個(gè)數(shù)等于系統(tǒng)中勢的個(gè)數(shù)。但在給定的條件下，有些勢對系統(tǒng)的狀態(tài)變化不起作用，譬如，在無外部電場（或磁場）的情況下的電場強(qiáng)度（或磁場強(qiáng)度），用剛性壁（或絕熱壁）將系統(tǒng)與外界完全隔開情況下的壓力（或溫度）等勢。故準(zhǔn)確地說，系統(tǒng)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)的個(gè)數(shù)應(yīng)是系統(tǒng)與外界有相互作用的勢的個(gè)數(shù)，即等于起作用的外參數(shù)的個(gè)數(shù)。在一定的外界條件下，若熱力系與環(huán)境之間存在不平衡勢，將會驅(qū)動系統(tǒng)的狀態(tài)變化。每達(dá)到一種平衡對應(yīng)一種不平衡勢的消失，從而可得到一個(gè)確定的描述系統(tǒng)平衡特性的狀態(tài)參數(shù)。所有不平衡勢消失，系統(tǒng)的平衡狀態(tài)也告確定。

狀態(tài)方程熱力系的狀態(tài)由狀態(tài)參數(shù)來描述。這些狀態(tài)參數(shù)分別從不同22狀態(tài)公理對于組成一定的閉口系統(tǒng)，其與外界的相互作用只表現(xiàn)為能量交換，與每對共軛的勢與位相應(yīng)的能量交換獨(dú)立進(jìn)行，因而，決定其平衡狀態(tài)的獨(dú)立變量的個(gè)數(shù)也等于系統(tǒng)與外界交換能量的方式的總數(shù)。在這些方式中，除了一種為微觀的傳熱外其余均為宏觀的作功，故確定其平衡態(tài)的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的個(gè)數(shù)為n+1。n為可能的功的形式數(shù)。這稱為狀態(tài)公理。簡單可壓縮系即只有體積變化功（膨脹功或壓縮功）而不存在電功、磁功等其它形式的功，則根據(jù)狀態(tài)公理，決定其平衡狀態(tài)的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)只有2個(gè)。原則上，可以任意選取一對獨(dú)立參數(shù)作為自變量，其余參數(shù)則為因變量。但通常在基本狀態(tài)參數(shù)p、V、T中任選一對自變量。對于基本狀態(tài)參數(shù)，可有p=p（V，T），V=V（p，T），T=T（p，V）或綜合寫成F（p，V，T）=0

此反映基本狀態(tài)參數(shù)p、V、T間函數(shù)關(guān)系的方程式稱為物質(zhì)的狀態(tài)方程式，它是一種描述物質(zhì)自身性質(zhì)的本征方程。如：理想氣體狀態(tài)方程式

狀態(tài)公理對于組成一定的閉口系統(tǒng)，其與外界的相互作用只表現(xiàn)為能23雖然熱力學(xué)告訴我們：一般化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成均勻一致的純物質(zhì)均存在關(guān)系式F（p，V，T）=0，但它卻不能給出任何物質(zhì)這一關(guān)系式的具體形式，這還有賴于實(shí)驗(yàn)及對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。熱力學(xué)理論可指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，卻不能代替實(shí)驗(yàn)。對簡單可壓縮平衡熱力系，由于獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)只有兩個(gè)，因而可用任意兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)組成二維平面坐標(biāo)系。坐標(biāo)圖上的任意一點(diǎn)代表某一確定的平衡狀態(tài)，如圖1-2所示。這種由熱力狀態(tài)參數(shù)組成的坐標(biāo)系稱為熱力狀態(tài)坐標(biāo)系。它使系統(tǒng)的熱力狀態(tài)及其變化過程可視，給熱力學(xué)研究帶來了很大方便，已成為研究實(shí)際熱力學(xué)過程的有效的建模工具。雖然熱力學(xué)告訴我們：一般化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成均勻一致的純物質(zhì)均存在24必須指出：只有平衡狀態(tài)才能用狀態(tài)坐標(biāo)圖上的點(diǎn)表示。不平衡狀態(tài)由于沒有確定的熱力狀態(tài)參數(shù)，無法在圖上表示。

（a）p-V圖（b）T-S圖圖1-2常用的熱力狀態(tài)圖pvTs必須指出：只有平衡狀態(tài)才能用狀態(tài)坐標(biāo)圖上的點(diǎn)表示。不平253.準(zhǔn)平衡過程熱力系若總是處于某個(gè)平衡態(tài)將毫無作為，因一切的變化都停止。而能量的傳遞、轉(zhuǎn)換等都需通過某個(gè)熱力過程即熱力系狀態(tài)連續(xù)變化的過程來完成，這只有當(dāng)系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)下才有可能。那么，研究平衡態(tài)的熱力學(xué)能否對非平衡過程進(jìn)行表述和計(jì)算呢？分析：在外界條件給定的情況下，系統(tǒng)終將進(jìn)入平衡態(tài)。此時(shí)一切的內(nèi)、外不平衡勢都消失，若外界條件不變，則系統(tǒng)的狀態(tài)也不發(fā)生變化?？梢姶蚱七@種平衡的必是外界的變化。

外界可通過溫度、壓力等勢的變化使其與系統(tǒng)間產(chǎn)生勢差，從而影響系統(tǒng)，使系統(tǒng)的狀態(tài)和性質(zhì)發(fā)生變化，直至與外界達(dá)成新的平衡。注意，這里出現(xiàn)兩個(gè)有因果關(guān)系的變化。一是外界的首先變化，另一是系統(tǒng)的隨之變化。與之相應(yīng)的有兩個(gè)時(shí)間，一是外界勢參數(shù)的變化時(shí)間，它取決于其變化量與變化速度；另一是系統(tǒng)狀態(tài)的自我調(diào)整時(shí)間，即系統(tǒng)由非平衡態(tài)趨向新的平衡態(tài)所需的時(shí)間，通常稱為弛豫時(shí)間。

3.準(zhǔn)平衡過程26若外界變化的速度很快以致系統(tǒng)的調(diào)整跟不上，則在其變化過程中，系統(tǒng)內(nèi)部始終處于非平衡狀態(tài)，其與外界間有有限的勢差存在。這時(shí)無法用一個(gè)確定的參數(shù)去描述非均勻的系統(tǒng)狀態(tài)，更談不上對與過程有關(guān)的量進(jìn)行計(jì)算。但反之，若外界變化的速度很慢，則系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間相對來講可忽略，可近似認(rèn)為整個(gè)系統(tǒng)在變化過程中幾乎時(shí)時(shí)緊跟外界的變化。理想的極限情形為：任何時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)都無限接近于外參數(shù)在那一時(shí)刻停止變化后可能達(dá)到的平衡態(tài)，與外界的各種勢差為無限小。這種無限緩慢的熱力過程稱為準(zhǔn)平衡過程，或準(zhǔn)靜態(tài)過程。這一概念的根本特點(diǎn)是：過程發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)既連續(xù)不斷地改變但又時(shí)時(shí)不偏離平衡。動中有靜，靜中寓動。它很好地化解了“平衡”與“變化”這一對矛盾。若外界變化的速度很快以致系統(tǒng)的調(diào)整跟不上，則在其變化過程27

準(zhǔn)平衡過程把熱力系變化所經(jīng)歷的一連串中間狀態(tài)抽象為一個(gè)平衡態(tài)的系列，因而其可用狀態(tài)參數(shù)描述和分析，并可用狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上的一條連續(xù)曲線表示。圖1-3準(zhǔn)平衡變化過程示意圖ytd?dtdy準(zhǔn)平衡過程把熱力系變化所經(jīng)歷的一連串中間狀態(tài)抽象為一28工程熱力學(xué)第一章課件294.可逆過程系統(tǒng)與外界間存在有限勢差的熱力過程，是一迅速發(fā)生的非平衡過程，其向著使勢差消除的方向進(jìn)行。因而是單向的即不可逆的過程。

無限小勢差的推動下緩慢進(jìn)行的準(zhǔn)平衡過程，系統(tǒng)在變化過程中時(shí)刻保持著內(nèi)外的各種平衡。因而有理由設(shè)想：這一變化或許可隨時(shí)隨地反向進(jìn)行，即過程是可逆的。前提：無摩擦、磁滯、電阻等耗散效應(yīng)因素存在。分析：準(zhǔn)平衡過程著重于系統(tǒng)的平衡，可將摩擦力等耗散因素計(jì)入外界的勢中一并考慮。涉及到過程的可逆性問題，情況就大不一樣，須將其從外界勢中分離出來單獨(dú)考慮。若無耗散效應(yīng)存在，準(zhǔn)平衡過程中，系統(tǒng)與外界勢相等（相差無限?。?，正反向運(yùn)動都可。但若有耗散效應(yīng)存在，則系統(tǒng)與外界相差微量的勢差不足以使系統(tǒng)正行或逆行。

譬如，若系統(tǒng)體積變化邊界運(yùn)動時(shí)需克服摩擦力，則要使系統(tǒng)體積膨脹，外界的壓力勢須比系統(tǒng)的低出一有限量；若要使系統(tǒng)體積收縮，外界的壓力勢又須比系統(tǒng)的高出一有限量。可見即使過程進(jìn)行得很慢，使系統(tǒng)每一步的狀態(tài)都接近于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)與外界的勢也不相同，且在任何位置變更系統(tǒng)的運(yùn)行方向須變更外界的作用勢。故有摩擦等耗散效應(yīng)存在的熱力過程也是不可逆的。4.可逆過程30準(zhǔn)平衡過程，著眼點(diǎn)在熱力過程中系統(tǒng)所經(jīng)歷的各狀態(tài)的特征?？赡孢^程，考慮的是過程所產(chǎn)生的效果。不僅要求系統(tǒng)內(nèi)是平衡的，且系統(tǒng)與外界的作用能無條件地逆復(fù)，過程進(jìn)行時(shí)不存在任何能量的耗散。因而，可逆過程一定是準(zhǔn)平衡過程，但反之未必，準(zhǔn)平衡過程只是可逆過程的必要條件?？赡孢^程是無摩擦等耗散的準(zhǔn)平衡過程?？赡孢^程是熱力學(xué)的一個(gè)極為重要的概念。后面將要講到，1.可逆過程中，因無耗散效應(yīng)，真正實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與外界各種勢的相等。故系統(tǒng)與外界間的能量交換（作功與傳熱）可用系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)表示。這給熱力計(jì)算帶來極大方便。另外，2.對于一個(gè)已經(jīng)達(dá)到平衡的熱力系，它所實(shí)現(xiàn)的是一動態(tài)平衡。即平衡時(shí)系統(tǒng)內(nèi)因微觀粒子的漲落，隨時(shí)都有圍繞平衡態(tài)的微小變化。這一變化必是可逆的。因而，可逆過程的結(jié)果可作為系統(tǒng)的平衡判據(jù)。3.熵這一狀態(tài)函數(shù)就是在研究可逆循環(huán)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。凡是包含熵因子的狀態(tài)函數(shù)的改變量均必須嚴(yán)格地遵循可逆變化的途徑去計(jì)算。4.熱力學(xué)基本關(guān)系式的建立正是基于可逆過程的特性。總之，熱力學(xué)的研究對象是平衡態(tài)系統(tǒng)，離開了可逆過程這一概念就無法處理各種實(shí)際問題。理論意義：無任何損失，實(shí)際過程的理想極限。雖不能完全達(dá)到，卻可無限趨近。可逆過程修正也為實(shí)際熱力過程提供了一個(gè)簡便易行的分析計(jì)算方法。

準(zhǔn)平衡過程，著眼點(diǎn)在熱力過程中系統(tǒng)所經(jīng)歷的各狀態(tài)的特征。315.熱與功系統(tǒng)與外界因不平衡勢存在而發(fā)生的相互作用將導(dǎo)致能量的傳遞。其中，因溫度差而傳遞的能量稱為熱，其它勢差傳遞的能量皆可謂之功。

熱：當(dāng)系統(tǒng)與外界存在溫度差別時(shí)，就會在兩者之間通過分子相互碰撞等方式發(fā)生熱（運(yùn)動）能的傳遞，簡稱傳熱。它是在各粒子的微觀自由度之間直接進(jìn)行的能量傳遞。故傳熱是系統(tǒng)與外界間熱能的遷移，所傳遞熱能的量稱為熱量。

熱力學(xué)中約定：系統(tǒng)吸熱，熱量為正，放熱則為負(fù)。熱量的單位是J（焦耳）。系統(tǒng)與外界交換的熱量用字母Q表示。

后面將要講到，對于某一從狀態(tài)1變到狀態(tài)2的可逆過程（見圖1-4），有

其微分過程分別為系統(tǒng)的溫度與熵。可逆過程的熱量可用圖上過程線下方的面積表示，故圖又叫示熱圖。5.熱與功32功：當(dāng)系統(tǒng)與外界存在其它勢差時(shí)，也會通過邊界傳遞能量，與傳熱不同，其全部效果均可等價(jià)于舉起重物，故傳遞的是規(guī)則的宏觀運(yùn)動能量，統(tǒng)稱為做功。因而，做功是通過系統(tǒng)的宏觀可觀測自由度進(jìn)行的能量傳遞。力學(xué)上，機(jī)械功的定義為：功＝力×位移熱力學(xué)中，功可定義為：功＝廣義力×廣義位移

約定：系統(tǒng)對外界做功，功為正，外界對系統(tǒng)做功，則為負(fù)。功的單位是J（焦耳）。宏觀量的有限變化過程

微變過程上式積分時(shí)，必須考慮做功過程中廣義力隨廣義位移的變化關(guān)系。這里應(yīng)是系統(tǒng)對外界實(shí)際施加的作用，它與外界對系統(tǒng)的反作用相等。若過程可逆，系統(tǒng)與外界的勢差無限小，其可用系統(tǒng)的勢參數(shù)表示。所以，與熱量一樣，可逆過程的功也可全部用系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算。功：當(dāng)系統(tǒng)與外界存在其它勢差時(shí)，也會通過邊界傳遞能量，與傳熱33下面介紹幾種不同形式的功：（1）氣體體積變化功以氣體工質(zhì)在氣缸中可逆膨脹為例推導(dǎo)氣體體積功計(jì)算式。工質(zhì)施加在活塞上的力與外界作用在活塞上的反力隨時(shí)相差一無限小量。因而，工質(zhì)推動活塞移動距離時(shí)，反抗斥力所作的膨脹功為式中A為活塞面積，是工質(zhì)體積微元變化量。工質(zhì)從狀態(tài)1到狀態(tài)2的膨脹過程中，所作的膨脹功為02121圖1-4示熱圖圖1-5示功圖pVTS002121圖1-4示熱圖圖1-5示功圖pVTS034分析：

W的數(shù)值取決于可逆膨脹過程的方程式，也即與圖上1－2點(diǎn)的過程線（或稱路徑）有關(guān)。過程線下方的面積可直觀表示體積功，因此圖也叫示功圖。體積變化功只與壓力和體積變化有關(guān)，故它們對任意形狀可壓縮流體體積的可逆變化過程均成立。原則上，只要是準(zhǔn)平衡過程，因系統(tǒng)有均勻一致的狀態(tài)參數(shù)，就可寫出上述的做功表達(dá)式，但此時(shí)所計(jì)算的功為總功。它可能一部分因摩擦而耗散，一部分用以反抗大氣壓力作功，余下的才是可被利用的功，稱作有用功。（2）液體表面張力功

（3）固體彈性力功

分析：35（4）電極化功（5）磁化功如果一個(gè)閉口系統(tǒng)與外界的作用除了力的作用外，還有電的、磁的等多種形式的作用，則系統(tǒng)在可逆變化過程中對外所作的總功應(yīng)是各種形式功之和，即

熱與功的異同：熱與功均只是在系統(tǒng)與外界間傳遞的能量，它們都是過程量，與過程的性質(zhì)、初終態(tài)及路徑有關(guān)。初終態(tài)相同而過程不同，它們的值也不同。亦即它們不是狀態(tài)參數(shù)。傳熱是外界與系統(tǒng)間的熱能－熱能的交換，不發(fā)生能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化，而做功往往是將傳入的外界熱能和／或系統(tǒng)本身的熱能變成規(guī)則運(yùn)動的能量向外輸出，即熱能－機(jī)械能的交換，故常伴有能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化。非平衡過程中的傳熱與做功