第一章基本概念

(BasicConcepts)本章重點熱力系統工質狀態與狀態參數基本狀態參數p,v,T平衡狀態準靜態過程，可逆過程狀態方程與坐標圖功和熱量熱力循環：正循環和逆循環。§1-1

熱力系統

(ThermodynamicSystem)熱力系統(熱力系、系統)：將所要研究的對象與周圍環境分隔出來，這種人為分隔出來的研究對象，稱為~。這種研究對象指特定物質或空間。外界（

Surroundings

）：熱力系以外的所有物質。1、熱力系統、外界、邊界邊界(界面)（

Boundary）：熱力系統與外界分開的界面。系統與外界的作用都通過邊界ClosedsystemOpensystem熱力系統選取的人為性鍋爐boiler汽輪機(turbine)發電機(generator)給水泵(pump)凝汽器(condenser)過熱器(reheater)只交換功只交換熱既交換功也交換熱熱力系的選取完全是按照人為的目的進行的。2、邊界特性真實、虛構固定、活動（CharacteristicsofBoundary）3、熱力系統分類⑴以系統與外界關系劃分：

有

無是否傳質

開口系閉口系是否傳熱非絕熱系絕熱系是否傳功非絕功系絕功系是否傳熱、功、質非孤立系孤立系（Typesofsystems）1234mQW1

開口系

熱力系統非孤立系＋相關外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4孤立系⑵熱力系統其它分類方式

其它分類方式

物理化學性質

均勻系

非均勻系工質種類多元系單元系相態多相單相§1-2工質狀態和狀態參數1、狀態定義：某一瞬間熱力系所呈現的宏觀狀況2、狀態參數定義：描述熱力系狀態的物理量，如p，v，T，u，

h，

s等。3、狀態參數的特征：⑴狀態確定，則狀態參數也確定，反之亦然⑵狀態參數的積分特征：狀態參數的變化量與路徑無關，只與初終態有關⑶狀態參數的微分特征：全微分StateandStatePropertiesofworkingmedium狀態參數的積分特征

狀態參數變化量與路徑無關，只與初終態有關。數學上：1

2ab例：溫度變化狀態參數的微分特征設z=z(x,y)dz是全微分充要條件：可判斷是否是狀態參數4、強度參數與廣延參數強度參數：與物質的量無關的參數如壓力

p、溫度T、比體積v，密度廣延參數：與物質的量有關的參數可加性如

質量m、容積

V、內能

U、焓

H、熵S比參數：比容比熱力學能比焓比熵單位：/kg

具有強度參數的性質§1-3基本狀態參數壓力

p、溫度

T、比容v

（容易測量）1、壓力p(Pressure)⑴

物理中壓強，單位:Pa,N/m2⑵常用單位：

1bar=105Pa

1MPa=106Pa

1atm=760mmHg=1.013105

Pa

1mmHg=133.3Pa1at=735.6mmHg=9.80665104

Pa(BasicStateProperties)⑷壓力p測量示意圖一般是工質絕對壓力與環境壓力的相對值

——相對壓力注意：只有絕對壓力p才是狀態參數⑶絕對壓力與相對壓力

Absolutepressureandrelativepressure

示意圖當

p>pb表壓力

pe當

p<pb真空度

pvpbpeppvpVacuumpressureGagepressure⑷環境壓力與大氣壓力

EnvironmentalpressureandAtmospheric(barometric

)pressure環境壓力指壓力表所處環境注意：環境壓力一般為大氣壓，但不一定。見例題1－1大氣壓隨時間、地點變化。物理大氣壓

1atm=760mmHg當h變化不大，ρ常數1mmHg=ρgh=133.322Pa當h變化大，ρρ(h)

(Pa)例1:已知當地大氣壓力pb,及壓力表1、2的讀數分別為pg1，pg2。求pg3？

解：⑴壓力表1測得的是A室的相對壓力，故

⑵壓力表2測得的也是A室的相對壓力，但它處在B室環境中，故⑶壓力表3測得的是B室的相對壓力，故⑸其它壓力測量方法高精度測量：活塞式壓力計工業或一般科研測量：壓力傳感器活塞式壓力計壓力傳感器2、溫度Temperature

⑴定義：是描述熱力平衡系統冷熱狀況的物理量。從微觀上，溫度是標志物質內部大量分子熱運動的強烈程度的物理量。

溫度是確定一個系統是否與其它系統處于熱平衡的物理量。⑵溫度的測量溫度計物質（水銀，鉑電阻，熱電偶，光纖）特性（體積膨脹，阻值，溫差效應，光導纖維）基準點刻度溫標：溫度的數值表示法(利用部分物質吸收的光譜隨溫度變化而變化的原理)

熱力學溫標和國際攝氏溫標

KelvinscaleandCelsiusscale華氏溫標Fahrenheitscale

和攝氏溫標3、比容v

(Specificvolume

)［m3/kg]工質聚集的疏密程度物理上常用密度

［kg/m3]§1-4平衡狀態1、定義：

在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統的狀態參數不隨時間變化，則該系統處于平衡狀態。

溫差

—

熱不平衡勢

壓差

—力不平衡勢

化學反應

—化學不平衡勢2、平衡的充要條件：系統內部及系統與外界之間不存在不平衡勢EquilibriumState穩定：參數不隨時間變化，但可能有外界作用。穩定不一定平衡，但平衡一定穩定例如，教室內與教室外3、平衡Equilibrium與穩定Steady平衡Equilibrium與穩定Steady穩定：參數不隨時間變化穩定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態變化若以（熱源+銅棒+冷源+環境）為系統，又如何？穩定不一定平衡，但平衡一定穩定4、平衡與均勻Even的比較平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態則一定是均勻的5、為什么引入平衡概念？

如果系統平衡，可用一組確定的參數（壓力、溫度）描述§1-5狀態方程、坐標圖平衡狀態可用一組狀態參數描述其狀態狀態公理：對組元一定的閉口系，獨立狀態參數個數

N=n+1想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態參數？1、狀態公理

（TheStatePostulate）

獨立參數數目N

=能量轉換方式的數目

=各種功的方式+熱量=n+1n容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等簡單可壓縮系統：N=n+1=2絕熱簡單可壓縮系統

N=?對不可壓縮系統

N=?基本狀態參數（p,v,T)之間的關系2、狀態方程（EquationofState）

⑴狀態方程的一般形式理想氣體的狀態方程實際工質的狀態方程？？？⑵狀態方程的具體形式

取決于工質的性質范德瓦爾方程、伯特洛方程等。3、坐標圖（CoordinateDiagram）簡單可壓縮系N=2，平面坐標圖pv⑴系統任何平衡態可表示在坐標圖上說明：⑵過程線中任意一點為平衡態⑶不平衡態無法在圖上用實線表示常見:p-v圖和T-s圖21§1-6準靜態過程、可逆過程平衡狀態狀態不變化能量不能轉換非平衡狀態無法簡單描述⑴熱力學引入準靜態（準平衡）過程？1、準靜態過程（Quasi-staticorQuasi-equilibriumprocess）p1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0pv12..⑵定義p1

=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...系統隨時接近于平衡態⑶準靜態過程有實際意義嗎？既是平衡，又是變化既可以用狀態參數描述，又可進行熱功轉換疑問：理論上準靜態應無限緩慢，工程上怎樣處理？定義：由一系列無限接近平衡態的狀態所組成的熱力過程稱為準靜態過程或準平衡過程。準靜態過程的工程條件破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復平衡所需時間（馳豫時間）>>有足夠時間恢復新平衡

準靜態過程例如：氣缸活塞系統，氣體分子運動的速度極大。在0℃時，H2的均方根平移運動速度達1828m/s,N2分子達493m/s，O2分子達461m/s.氣體內部的壓力傳播速度也很大，通常達每秒幾百米。而活塞移動的速度通常不足10m/s。因此氣體在氣缸內部的體積變化過程中有足夠的時間來恢復平衡，所以氣缸內的氣體的狀態變化過程是一個準靜態過程。工程中的許多熱力過程，雖然憑人們的主觀標準看似乎很迅速，但從熱力學的時間標尺來衡量，過程的變化還是比較慢的，并不會出現明顯的偏離平衡態，可以當作實現準靜態過程來處理。2、可逆過程（Reversibleprocess）

系統經歷某一過程后，如果能使系統與外界同時恢復到初始狀態，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。注意：可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態的過程。⑴定義

若假想機器內部沒有摩擦，工質內部也沒有摩阻。工質膨脹對外所作的功全部用來推動飛輪，以動能的形式全部儲存在飛輪中。當活塞逆行時，飛輪中儲存的能量逐漸釋放出來用于推動活塞沿工質原過程線逆向進行一個壓縮過程。由于機器及工質沒有任何耗散損失，過程終了將使工質及機器都回復到各自的初始狀態。故是可逆過程。（2）可逆過程的實現準靜態過程+無耗散效應=可逆過程無不平衡勢差或勢差無限小通過摩擦使功變熱的效應(摩阻，電阻，非彈性變形，磁阻等）

不平衡勢差

不可逆根源

耗散效應

耗散效應⑶引入可逆過程的意義準靜態過程是實際過程的理想化過程，但并非最優過程，可逆過程是最優過程。可逆過程的功與熱完全可用系統內工質的狀態參數表達，可不考慮系統與外界的復雜關系，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，用系統參數加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正。Heattransfer常見的不可逆過程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節流過程

(閥門）p1p2p1>p2FrequentlyencounteredirreversibilitiesThrottler常見的不可逆過程混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★自由膨脹真空????????????FrequentlyencounteredirreversibilitiesUnrestrainedexpansionMixingprocesselectricresistance（電阻）

inelasticdeformationofsolid（固體的塑性變形）chemicalreactions（化學反應）§1-7功量

(Work)⑴力學定義:

力在力方向上的位移⑵熱力學定義

1、定義指熱力系通過邊界和外界進行的機械能的交換量。J，J/kg例：火力發電裝置鍋爐汽輪機發電機給水泵凝汽器過熱器2、功的表達式⑴功的一般表達式⑵熱力學最常見的功容積變化功：膨脹功或壓縮功。其他形式的功：拉伸功，表面張力功，電功等3、示功圖(indicatorp-Vdiagram)pV.12.pp外21mkg工質：W=pdV1kg工質：w=pdvWWdVp微元可逆過程:有限可逆過程:W=pdV§1-8熱量與熵1、熱量定義：

熱力系通過邊界與外界的交換的能量中，除了功的部分（不確切）。

另一定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫差的推動下，以微觀無序運動方式傳遞的能量。

HeatandEntropy熱量如何表達？熱量是否可以用類似于功的式子表示？？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

過程量過程量推動力

壓力

p

溫度T標志

dV,dv

dS

,ds公式條件

準靜態或可逆

可逆2、熵（Entropy）的定義reversible熵的簡單引入比參數

[kJ/kg.K]ds:可逆過程qrev除以傳熱時的T所得的商

清華大學劉仙洲教授命名為“熵”廣延參數

[kJ/K]⑴定義⑵熵的說明①熵是狀態參數③熵的物理意義：熵體現了可逆過程傳熱的大小與方向②符號規定系統吸熱時為正

Q>0dS

>0系統放熱時為負

Q<0dS

<0④用途：判斷熱量方向計算可逆過程的傳熱量⑶示功圖與溫熵圖(示熱圖)pVWTSQ

示功圖溫熵(示熱)圖§1-9熱力循環

（ThermodynamicCyc