流體力學建筑與環境工程系第五章熱力學基本概念

1、理解工質、熱力系的定義，掌握熱力系的分類。2、理解熱力狀態和狀態參數的定義；掌握狀態參數的特征、分類，基本狀態參數的物理意義和單位；3、掌握平衡狀態的物理意義及實現條件。4、了解狀態方程式及參數坐標圖的物理意義及作用。5、理解熱力過程、熱力循環的概念。6、了解理想氣體的概念，比熱容的計算。7、理解理想氣體混合物的基本定律。學習要求第五章熱力學基本概念§5.1工質和熱力系§5.2平衡狀態和熱力過程§5.3理想氣體§5.1工質和熱力系一、工質1、概念——實現熱能與機械能相互傳遞與轉換的媒介物質。2.工質特性:可壓縮、易膨脹、易流動3、工質的選擇——熱力學中熱能與機械能之間的相互轉換是通過物質的體積變化來實現的，常選氣態物質作為工質。4、常用工質——熱機循環中:水蒸氣、空氣、燃氣；制冷循環、熱泵循環中:氨、氟里昂給水泵

鍋爐汽機輪凝汽器過熱器

二、熱力系（一）熱力系的概念1、熱力系——在工程熱力學中，通常選取一定的工質或空間作為研究的對象，并將之人為劃分出來,稱為熱力系統，簡稱熱力系或系統。可為真實的物質、設備或假想的熱力學模型2、外界——與熱力系相互作用的周圍物體。3、邊界——熱力系與外界之間的分界面。可實際存在,亦可假想;可固定不動,亦可移動或變形熱力系高溫熱源吸熱Q1熱機作功W機械能放熱Q2低溫熱源給水泵

鍋爐汽機輪凝汽器過熱器

外界與邊界活塞氣缸汽輪機（二）熱力系的分類

1、根據熱力系與外界進行物質交換的情況閉口熱力系——熱力系與外界無物質交換與外界有能量傳遞,無物質交換的系統。系統的質量恒定不變。

邊界活塞氣缸（二）熱力系的分類1、根據熱力系與外界進行物質交換的情況開口熱力系——熱力系與外界有物質交換。與外界有能量、物質交換的系統。系統的容積始終保持變。變質量熱力系，控制體積熱力系汽輪機邊界葉輪11進口22出口（二）熱力系的分類2、根據熱力系與外界的能量和物質交換絕熱系——熱力系與外界無熱量交換孤立熱力系——與外界既無能量（功、熱量）交換又無物質交換的系統，簡稱為“孤立系”。邊界活塞氣缸1234mQW1

開口系

熱力系統分類非孤立系＋相關外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4孤立系特殊熱力系如:熱源

本身熱容量很大，且在放出或吸收有限量熱量時自身溫度及其它熱力學參數沒有明顯變化的物體。提供熱量的熱源稱為高溫熱源；吸收熱量的熱源稱為低溫熱源。高溫熱源吸熱Q1熱機作功W機械能放熱Q2低溫熱源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簡單可壓縮系統最重要的系統

簡單可壓縮系統只交換熱量和一種準靜態的容積變化功容積變化功壓縮功膨脹功

（三）熱力系的描述

工質在進行熱量傳遞和能量轉換的過程中,其狀態不斷發生變化．低溫液態過熱蒸汽

鍋爐汽機輪凝汽器（三）熱力系的描述1、熱力狀態——工質在某一瞬間所呈現的宏觀物理狀況稱為工質的熱力狀態，簡稱狀態。2、狀態參數——描述工質熱力狀態的宏觀的物理量。狀態確定，則狀態參數也確定，反之亦然狀態參數的積分特征：狀態參數的變化量與路徑無關，只與初終態有關狀態參數分類—

廣延量；強度量系統兩個狀態相同的充要條件：所有狀參一一對應相等簡單可壓縮系：兩個獨立的狀態參數對應相等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。12ab例：溫度變化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：比容比內能比焓比熵單位：/kg/kmol

具有強度量的性質強度量與廣延量速度動能高度

位能

內能溫度應力摩爾數（強）（強）（強）（強）（廣）（廣）（廣）（廣）3、常用狀態參數（1）基本狀態參數溫度（T）壓力（p）比體積（v）（2）導出狀態參數熱力學能（U）焓（H）熵（S）熱力學第零定律熱力學第零定律（R.W.Fowler）

如果兩個系統分別與第三個系統處于熱平衡，則兩個系統彼此必然處于熱平衡。溫度測量的理論基礎B溫度計溫度的熱力學定義

處于同一熱平衡狀態的各個熱力系，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是否與其它系統處于熱平衡的物理量溫度的測量溫度計物質（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準點刻度溫標常用溫標絕對K攝氏℃

華氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.67冰熔點水三相點鹽水熔點發燒水沸點溫標的換算§5.2平衡狀態和熱力過程一、平衡狀態（一）平衡狀態——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

—

化學不平衡勢平衡的本質：不存在不平衡勢平衡與穩定穩定：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）為系統，又如何？穩定不一定平衡，但平衡一定穩定平衡與均勻平衡：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（二）狀態方程1、概念——表示狀態參數之間關系的方程式稱為狀態方程式。描述熱力狀態的各狀態參數往往互有聯系，可用狀態方程式來表示。對于氣態工質組成的簡單熱力系，只需兩個獨立的狀態參數就可確定其平衡狀態。Pf1（v，T）Vf2（p，T）Tf3（p，v）

2、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？狀態公理閉口系：而不平衡勢差彼此獨立獨立參數數目N=不平衡勢差數

=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、表面張力功等不平衡勢差狀態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3、狀態方程的具體形式理想氣體的狀態方程狀態方程的具體形式取決于工質的性質

（三）狀態參數坐標圖簡單可壓縮系N=2，平面坐標圖pv1）系統任何平衡態可表示在坐標圖上說明：2）過程線中任意一點為平衡態3）不平衡態無法在圖上用實線表示常見p-v圖和T-s圖21二、熱力過程1、概念——熱力系從一個狀態向另一個狀態變化時經歷的全部狀態的總和稱為熱力過程，簡稱過程。過程與狀態一切實際熱力過程都是熱力系與外界之間不平衡勢差作用的結果。

2.準平衡過程

概念——過程中熱力系所經歷的每一個狀態都無限地接近平衡狀態的熱力過程稱為準平衡過程，或準靜態過程。準平衡過程是一種理想過程。在系統內外的不平衡勢（如壓力差、溫度差等）較小、過程進行得足夠緩慢的情況下，可以將實際過程近似地看作準平衡過程。準平衡過程可在參數坐標圖上近似地用連續的實線表示。熱力學中所研究的熱力過程，一般都指準平衡過程。

pv123、可逆過程如果熱力系完成某一熱力過程后,再沿原來路徑逆向進行時,能使熱力系和外界都返回原來狀態而不留下任何變化，則這一過程稱為可逆過程。反之,則稱為不可逆過程。

實際過程都是不可逆過程，如傳熱、混合、擴散、滲透、溶解、燃燒、電加熱等。

可逆過程是一個理想過程。可逆過程的條件：準平衡過程＋無“耗散效應”不可逆過程中，使功變為熱的效應。準平衡過程與可逆過程的異同相同——系統的中間過程是一致的平衡狀態，具有確定的狀態參數，可用參數坐標圖表示。不同——準靜過程主要著眼于系統內部狀態的平衡，而可逆過程不僅要求內部狀態的平衡，而且主要著眼于系統與外界相互作用時能量交換過程中內、外部是否存在不平衡勢差及耗散效應。典型的不可逆過程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節流過程

(閥門）p1p2p1>p2典型的不可逆過程混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★自由膨脹真空????????????三、熱力循環1、概念——工質由某一初態出發，經歷一系列熱力狀態變化后，又回到原來初態的封閉熱力過程稱為熱力循環，簡稱循環。系統實施循環的目的是為了實現預期連續的能量轉換。2、分類——可逆循環和不可逆循環；正向循環和逆向循環3、經濟指標——動力循環，制冷循環，熱泵循環§5.3理想氣體一、理想氣體的概念二、理想氣體狀態方程三、理想氣體的比熱容四、理想氣體混合物一、理想氣體的概念理想氣體是指狀態變化完全遵循波義耳-查理定律的氣體。分子可視為是一些彈性的，不占體積的質點分子之間不存在相互作用力。當氣體的壓力不太高，溫度不太低時，氣體分子間的作用力及分子本身的體積可以忽略。工程熱力學提到的氣體均指理想氣體。當壓力較高或溫度較低或接近于液態時，氣體分子間距離小，不能作為理想氣體。二、理想氣體狀態方程當理想氣體處于任一平衡狀態時，三個基本狀態參數之間滿足:三、理想氣體的比熱容——基本概念1、概念——物體溫度變化1K（或1℃）所需要吸收或放出的熱量稱為該物體的熱容。2、1kg根據不同的物量,存在三種比熱容質量熱容

,符號為c

，單位為J/（kg·K）或kJ/（kg·K）；摩爾熱容:lmol物質的熱容,符號為Cm，單位為J/(mol·K)或kJ/(mol·K)；體積熱容:標準狀態下1m3物質的熱容，符號為c，單位為J/（m3·K）或kJ/（m3·K）。

3、三種比熱容的關系:

CmMc0.0224c三、理想氣體的比熱容——影響因素1.熱力過程特性對比熱容的影響氣體的比熱容與熱力過程的特性有關。在熱力過程中，最常見的情況是定容加熱過程或定壓加熱過程。因此，比熱容相應的分為比定容熱容和比定壓熱容。比定容熱容比定壓熱容比定容熱容單位質量氣體在定容過程中（即容積不變）溫度變化1K（或1℃）所需要吸收或放出的熱量稱為比定容熱容，也稱為質量定容熱容，用符號cV表示。比定壓熱容單位質量氣體在定壓過程中溫度變化1K（或1℃）所需要吸收或放出的熱量稱為比定壓熱容，也稱為質量定壓熱容，用符號cp表示。比定壓熱容與比定容熱容的關系在一定的溫度下，同一種氣體的cp值總比cV值大。理想氣體cp與cV之間的關系為：在定容過程中，氣體不能膨脹作功，加入的熱量完全用來增加氣體分子的熱力學能，使氣體溫度升高；在定壓過程中，氣體可以膨脹作功，加入的熱量除用來增加氣體分子的內動能外，還應克服外力而作功。顯然對同樣質量的氣體升高同樣的溫度，在定壓過程中所需加入的熱量要比定容過程多。邁耶公式三、理想氣體的比熱容——影響因素2.溫度對比熱容的影響比熱容與溫度之間的關系可表示相應于每一確定溫度下的比熱容稱為氣體的真實比熱容。

對于1kg氣體，從t1加熱至t2所需要的熱量為：平均比熱容

平均比熱容指在t1～t2溫度范圍內真實比熱容的平均值，用符號

對于mkg氣體，從t1加熱至t2所需要的熱量為：查附表1獲得或插值計算表示,用于熱量的精確計算。四、理想氣體混合物

指由兩種或兩種以上不發生化學反應的氣體組成的混合物。

什么是混合氣體?如:煙氣、空氣

當混合氣體中的每一種組成氣體都是理想氣體時，由它們組成的混合氣體也可以看作是理想氣體,具有理想氣體的一切特性。

（一）混合氣體的分壓力和分體積1、分壓力

分壓力:每一種組成氣體在混合氣體的溫度下，單獨占有整個體積V時，所產生的壓力稱為該組成氣體的分壓力，用符號pi表示。道爾頓分壓定律:混合氣體的壓力等于各組成氣體分壓力之和，即

道爾頓分壓定律僅適用于理想氣體。

混合氣體分壓力2.混合氣體分體積

分體積:每一種組成氣體處于混合氣體的溫度、壓力條件下時，單獨占據的體積，稱為該組成氣體的分體積，用符號Vi表示。

亞美格分體積定律：混合氣體的總體積V，等于各組成氣體分體積Vi之和,即

上式僅適用于理想混合氣體。（二）混合氣體的成分表示方法與換算

成分:混合氣體中各組成氣體的含量與混合氣體總量的比值。

混合氣體的性質不僅取決于熱力學參數如壓力、溫度等，還取決于混合氣體的組成成分。

質量分數三種常用成分:體積分數摩爾分數

混合氣體的成分質量分數