第一章基本概念

BasicConcepts1第一節熱能在熱機中轉變成機械能的過程幾個概念：1工質

(workingsubstance/medium)

定義：實現熱能和機械能相互轉化的媒介物（工作介質）要求：

1)膨脹性好；2)流動性好；3)熱容量大；4)穩定性，安全性高；

5)對環境友善；6)價廉，易大量獲取。綜合比較，在物質的三態中，以氣態最適宜。2熱源

(heatsource;heatreservoir)

定義：工質從中吸取或向之排出熱能的物質系統。

高溫熱源（熱源--heatsource）

低溫熱源（冷源—heatsink）恒溫熱源(constantheatreservoir)

變溫熱源

23熱能動力裝置(Thermalpowerplant)定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力的整套設備。分類：（1）氣體動力裝置（combustiongaspowerplant）

內燃機（internalcombustiongasengine）

燃氣輪機動力裝置（gasturbinepowerplant）

噴氣動力裝置（jetpowerplant）（2）蒸汽動力裝置（steampowerplant）蒸汽動力裝置燃氣輪機裝置內燃機裝置3第二節熱力系統一、回顧系統控制體

二、熱力系統（熱力系、系統System）

熱力系統：人為分割出來作為熱力學分析對象的有限物質系統。或：由某種邊界包圍，被取作研究對象的特定物質或空間。

Aquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy外界(surroundings)：系統以外的所有物質邊界/界面(Boundary)：系統與外界之間的分界面系統與外界的作用都通過邊界人為的研究對象4邊界的選取：可以是實際存在的；也可以是假想的。實際存在的邊界、閉口系統假想的邊界、開口系統5熱力系統分類TypesofSystem以系統與外界關系（能量和物質交換）劃分：閉口系統(Closedsystem），又稱為控制質量（ControlMass）

定義：系統和外界只有能量交換而沒有物質（質量）交換。

特點：沒有質量穿越邊界，所以系統內的質量保持恒定不變。孤立系統（Isolatedsystem）：與外界無任何形式的質能交換。開口系統（Opensystem），又稱為控制體（ControlVolume）

定義：系統和外界既有能量交換又有物質（質量）交換。

特點：通過邊界與外界有質量交換，系統內的能量和質量都可以變化，但這種變化通常是在某一劃定的范圍內進行的，所以又稱為控制容積，或控制體。絕熱系統（Adiabaticsystem）：與外界無熱量交換。6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、質非孤立系孤立系熱力系統分類小結開口系絕熱系孤立系ClosedsystemControlmassIsolatedsystemOpensystemControlvolume閉口系Adiabaticsystem71）閉口系與系統內質量不變的區別；2）開口系與絕熱系的關系；3）孤立系與絕熱系的關系。注意：8簡單可壓縮系統最重要的熱力系統

只交換熱量以及可逆的功中的體積變化功Simplecompressiblesystem體積變化功MovingBoundaryWork壓縮功膨脹功CompressionWorkExpansionWork9第三節狀態和狀態參數Stateandstateproperties一、狀態和狀態參數熱力學狀態（簡稱狀態）：某一瞬間熱力系所呈現的宏觀物理狀況狀態參數：描述熱力系所處狀態的宏觀物理量狀態參數的特征：1、狀態確定，則狀態參數也確定，反之亦然2、狀態參數的積分特征：狀態參數的變化量與路徑無關，是狀態的單值函數，且只與初終態有關，物理上與過程無關3、狀態參數的微分特征：數學上其微量是全微分10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：12ab例：溫度變化山高度變化11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12二、強度參數與廣延參數強度參數（強度量）：與物質的量無關的參數如壓力

p、溫度T廣延參數（廣延量）：與物質的量有關的參數可加性如質量m、容積V、熱力學能（內能）U、焓H、熵S比參數：比容比內能比焓比熵比參數具有強度量的性質Intensiveproperties

Extensiveproperties

廣延參數的比參數具有強度量的性質注意符號區別13速度動能高度位能熱力學能溫度應力摩爾數（強）（強）（強）（強）（廣）（廣）（廣）（廣）Velocity

KineticEnergyHeightPotentialEnergyTemperatureInternalEnergyStressMol舉例說明14三、基本狀態參數基本狀態參數：溫度T、壓力

p和體積V

可直接用儀器測量，使用最多。其余三個常用的狀態參數內能U、焓H和熵S可以通過這三個基本參數計算得到。Basicstateproperties151溫度Temperature傳統定義：物體冷熱程度的度量。微觀：標志物質分子熱運動的激烈程度，衡量分子平均動能的量度。，為分子運動的均方根速度1)與不一定相同；2)總0,T0,1951年核磁共振法對氟化鋰晶體的實驗發現負的開爾文溫度；3)T=0=0分子一切運動停止，零點能。16溫度的熱力學定義1）熱力學第零定律（TheZerothLawofThermodynamics

）溫度測量的理論基礎

B—溫度計測量溫度的儀器稱做溫度計

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。

Iftwobodiesareinthermalequilibriumwithathirdbody,theyarealsointhermalequilibriumwitheachother.A=B,B=CA=C17

定義：處在同一熱平衡狀態的所有的熱力學系統都具有一個共同的宏觀特征，這一特征是由這些互為熱平衡系統的狀態所決定的一個數值相等的狀態函數，這個狀態函數被定義為溫度。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，或溫度相等是熱平衡的必要條件。2）溫度的熱力學定義18溫度測量Temperaturemeasurement溫度計物質（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準點刻度

ScaleReferencestate溫標

Temperaturescale要求：感應元件應隨物體的冷熱程度不同有顯著的變化。19溫標Temperaturescale定義：溫度的數值表示法。用某個隨溫度變化的物理量來間接測量。1）攝氏溫標Celsiusscale以符號t表示，單位℃以純水在1atm下的冰點記為0℃，汽點為100℃。

并假定汞（Hg）的體積與溫度成線性關系。測溫物質不同，測溫結果有差異。經驗溫標：依賴物質性質建立的溫標。汞的體積與溫度成線性關系？其他物質（如酒精）也與溫度成線性關系？202）華氏溫標Fahrenheitscale符號tF，單位℉（經驗溫標）以純水在1atm下的冰點記為32℉，汽點為212

℉

。攝氏溫標與華氏溫標的換算關系：213）熱力學溫標符號TThermodynamicsscale;Kelvinscale避免經驗溫標的缺點——測溫物質的影響以熱力學第二定律為基礎。以水的三相點時的溫度規定為273.16K，水的三相點時的攝氏溫度規定0.01℃即0.01℃→273.16K0℃→273.15Kt=T-273.15K224）國際實用溫標實施方便，使得所測溫度盡可能接近熱力學溫度ITS-90的定義：第一溫區為0.65K到5.00K之間,T90由3He和4He的蒸氣壓與溫度的關系式來定義。第二溫區為3.0K到氖三相點(24.5661K)之間T90是用氦氣體溫度計來定義。第三溫區為平衡氫三相點(13.8033K)到銀的凝固點(961.78℃)之間，T90是由鉑電阻溫度計來定義。它使用一組規定的定義固定點及利用規定的內插法來分度。銀凝固點(961.78℃)以上的溫區，T90是按普朗克輻射定律來定義的，復現儀器為光學溫溫計。熱力學溫標不能直接測定23常用溫標之間的關系絕對K攝氏℃

華氏℉100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.67冰熔點水三相點鹽水熔點發燒水沸點242壓力Pressure符號p，單位Pa壓力定義：單位面積上所受到的垂直作用力稱為壓力（即壓強）。常用單位Units：

帕

1Pa=

1N/m2

1

kPa

=

103

Pa

巴

1bar=

105

Pa

兆帕

1MPa

=

106

Pa標準大氣壓

1atm

=760mmHg

=

101325

Pa

毫米汞柱

1

mmHg=

133.3224

Pa工程大氣壓

1

at=

1

kgf/cm2

=

9.80665104

Pa

（千克力）25其它幾個常用概念

1）絕對壓力p（absolutepressure）

2）當地大氣壓pb（localatmosphericpressure）

3）表壓力pe（gaugepressure）

4）真空度pv（vacuum;vacuumpressure）當

p>pb當

p<pbpbpeppvp26注意：只有絕對壓力p

才是狀態參數不同環境大氣壓力發生變化，即使絕對壓力不變，表壓力和真空度仍有可能變化。

p>pb

p<pb273比體積及密度

SpecificvolumeDensity比體積：單位質量所占的體積。[m3/kg]密度：單位體積物質的質量。[kg/m3]通常用v作為獨立參數。28第四節平衡狀態、狀態方程式、坐標圖一、平衡狀態

Thermodynamicequilibriumstate

1.定義熱力系統在沒有外界作用的情況下，宏觀性質不隨時間變化的狀態。處于不平衡狀態時1）工質各部分的狀態參數不盡相同；2）狀態隨時間而變化，常發生熱量傳遞、相對位移等，無法用共同的參數來簡單描述工質所處的狀態；工程熱力學只對平衡狀態進行分析研究292.平衡的分類

ManytypesofEquilibrium

1）熱平衡（Thermalequilibrium）

組成熱力系統的各部分之間沒有熱量的傳遞，系統就處于熱平衡；表現為溫度處處相等。Ifthetemperatureisthesamethroughouttheentire.溫差

Temperaturedifferential熱不平衡勢Unbalancedpotentials30

2）力平衡（Mechanicalequilibrium）

組成熱力系統的各部分之間沒有相對位移，系統就處于力平衡；表現為壓力處處相等。

通常忽略重力的影響如高度較小IfthereisnochangeinpressureatanypointofthesystemwithtimeThevariationofpressureasaresultof

gravityinmostthermodynamicsystemisrelativelysmallandusuallydisregarded壓差

Pressuredifferential力不平衡勢

Unbalancedpotentials31

3）化學平衡（Chemicalequilibrium)

組成熱力系統的各部分之間沒有化學反應、擴散、分離等，系統就處于化學平衡；表現為組分恒定。

Ifitschemicalcompositiondoesnotchangewithtime.Thatis,nochemicalreactionsoccur.

4）相平衡（Phaseequilibrium）組成熱力系統的各部分之間沒有發生相變。

Whenthemassofeachphasereachesanequilibriumlevelandstaysthere.323.平衡狀態說明

1）不平衡狀態的系統，在沒有外界的影響下總會自發趨于平衡狀態；

2）系統受到外界影響則不能保持平衡狀態。系統和外界間相互作用的最終結果是系統和外界共同達到一個新的平衡狀態；

3）同時具備了熱和力的平衡的系統就處于熱力平衡狀態，是最常遇到的狀態；工程熱力學通常只研究平衡狀態；

33思考題

1）平衡與穩定

Equilibrium&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，則狀態變化穩定不一定平衡，但平衡一定穩定34平衡不一定均勻，單相平衡態則一定是均勻的2）平衡與均勻

Equilibrium&Even平衡：時間上均勻：空間上汽水T、P平衡但不均勻35為什么引入平衡概念？如果系統平衡，可用一組確切的參數（壓力、溫度）描述但平衡狀態是死態，沒有能量交換能量交換狀態變化破壞平衡如何描述36二、狀態方程式

Equationofstate定義對于簡單可壓縮系統，當它處于平衡狀態時，各部分具有相同的壓力、溫度和比體積等參數，且這些參數服從一定的關系式，這樣的關系式叫做狀態方程式。

平衡狀態可用一組狀態參數描述其狀態想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態參數？37處于平衡狀態時，各部分具有相同的壓力、溫度和比體積等參數，且服從一定關系式：或：熱力系統的各種參數并不都是獨立的。如：剛性密閉容器中的氣體被加熱時溫度升高，壓力也隨著升高。38三坐標圖Diagram簡單可壓縮系統

，平面坐標圖1）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pv2139第五節工質的狀態變化過程非平衡狀態無法簡單描述平衡狀態狀態不變化能量不能轉換一切過程都是平衡被破壞，故實際過程都是不平衡的。熱力學引入準靜態（準平衡）過程quasi-static,orquasi-equilibrium若過程進行得相對緩慢，工質在平衡被破壞后自動回復平衡所需的時間，即所謂弛豫時間很短，工質有足夠的時間來恢復平衡，隨時都不致顯著偏離平衡狀態，這樣的過程就叫做準平衡過程，又稱準靜態過程。一、準靜態過程401.一般過程p1

=

p0+重物p，Tp0T1

=

T0突然去掉重物p2

=

p0T2

=

T0pv12..中間點無法確定，故以虛線表示412.準靜態過程p，Tp0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p1

=

p0+重物T1

=

T0可推廣到傳熱、相變和化學反應在坐標圖中用連續曲線表示42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，又可進行熱功轉換理論上準靜態應無限緩慢，工程上怎樣處理？43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

準靜態過程熱力系統恢復時間較快，以準靜態過程分析，然后再考慮實際情況加以修正。44二、可逆（reversible）過程Aprocessthatcanreversedwithoutleavinganytraceonthesurroundings.Thatis,boththesystemandthesurroundingsarereturnedtotheirinitialstatesattheendofthereverseprocess.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。

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。1.定義45實現可逆過程條件：無耗散效應的準靜態過程是可逆過程實現的充要條件。準靜態過程+無耗散效應=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）不平衡勢差耗散效應

耗散效應irreversibilityDissipativeeffect不可逆根源462.常見的不可逆過程Frequentlyencounteredirreversibilities不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節流過程(閥門）p1p2p1>p2自由膨脹真空????????????混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★473.可逆過程與準平衡過程的關系1）可逆=準平衡過程+沒有耗散效應

2）準靜態著眼于系統內部平衡，可逆著眼于系統內部及系統與外界作用的總效果3）可逆過程必然是準平衡過程，而準平衡過程只是可逆過程的必要條件。4）可逆過程可用狀態參數圖上實線表示5）可逆過程完全理想，以后均用可逆過程的概念。準靜態過程很少用。484.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。要盡量設法減少不可逆因素，使其盡可能地接近可逆過程。49第六節過程功和熱量一、功Work2)功的熱力學定義：通過邊界傳遞的能量，其全部效果可表現為舉起重物。

Workisdonebyasystemifthesoleeffectonthesurroundingscouldbetheraisingofaweight.1)功的力學定義：力和力的方向上位移的乘積。是微小功量，不表示全微分Theproductofaforceandthedistancethroughwhichthisforceacts503)約定：“＋”系統對外界做功取為正“－”外界對系統做功取為負符號:J1J=1N·m比體積v=V/m功率：單位時間內完成的功，W1W

=1J/s比功：單位質量的物體所做的功，J/kg

w=W/m51二、可逆過程的功（體積變化功—膨脹功與壓縮功）

可逆準靜態過程＋無摩擦的功——外界壓力與系統壓力相同21dxAFmn在p－V圖上為面積1-2-n-m-1p－V圖——示功圖1kg工質

壓縮功：

dv為負

膨脹功與壓縮功統稱體積變化功。膨脹功計算時需知p的表達式52說明：

1）功是過程量，不是狀態量；2）體積變化功只與氣體的壓力和體積的變化量有關，而同形狀無關；3）界面可以是實際存在的，也可以是假想的；但要求是可逆；因摩擦而耗散Wl

、反抗大氣壓力做功Wr

有用功Wu

膨脹過程做的功WWu=W–Wl

–Wr

（可逆過程）4）有用功Usefulwork：

53三、熱量HeatHeatisdefinedastheformofenergythatistransferredbetweentwosystems(oritssurroundings)byvirtueofatemperaturedifference.1.熱量定義：Q

熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，是僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。熱量的單位：J約定：體系吸熱，熱量為“＋”；

體系放熱，熱量為“－”。單位質量熱量：54關于功和熱量的說明相同點：

功和熱量都是過程量—說物系有多少功或熱量是錯誤的。不同點：

（1）功是有規則的宏觀運動能量的傳遞，作功過程中伴隨著能量形態的變化；（2）熱量是大量微觀粒子雜亂熱運動的能量的傳熱，不出現能量形態的轉化；（3）功轉變成熱量是無條件的，而熱轉變成功是有條件的。55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”pV.12.WT?S?56類比：熱量與體積變化功能量傳遞方式

體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條件

準