基本概念的資料第1頁/共98頁§1-1熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)：用界面將所要研究的對象與周圍環(huán)境分隔開來，這種人為分隔的研究對象，稱為熱力系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)。外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)1、系統(tǒng)與邊界邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界第2頁/共98頁熱力系統(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3頁/共98頁邊界特性真實、虛構(gòu)固定、活動第4頁/共98頁熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：

有無是否傳質(zhì)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(zhì)非孤立系

孤立系第5頁/共98頁閉口系統(tǒng)：沒有物質(zhì)穿過邊界的系統(tǒng)稱為閉口系統(tǒng)，也稱控制質(zhì)量。

開口系統(tǒng)：有物質(zhì)流穿過邊界的系統(tǒng)稱為開口系統(tǒng)，又稱控制體積，簡稱控制體，其界面稱為控制界面。

第6頁/共98頁絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界之間沒有熱量傳遞，稱為絕熱系統(tǒng)。

孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界之間不發(fā)生任何能量傳遞和物質(zhì)交換，稱為孤立系統(tǒng)。第7頁/共98頁1234mQW1

開口系

熱力系統(tǒng)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8頁/共98頁閉口熱力系統(tǒng)第9頁/共98頁開口熱力系統(tǒng)第10頁/共98頁開口熱力系統(tǒng)(管道)第11頁/共98頁開口熱力系統(tǒng)（鍋爐示意圖）來自水泵過熱器爐墻蒸發(fā)管去汽輪機第12頁/共98頁燃氣熱水器開口熱力系統(tǒng)第13頁/共98頁開口熱力系統(tǒng)第14頁/共98頁鍋爐的簡化熱力學(xué)分析模型

水物質(zhì)熱力系統(tǒng)熱量（熱源）

水物質(zhì)第15頁/共98頁電廠汽機車間第16頁/共98頁第17頁/共98頁開口熱力系統(tǒng)(汽輪機)去凝汽器調(diào)速器來自鍋爐噴管葉片汽輪機發(fā)電機第18頁/共98頁軸功（水蒸氣）物質(zhì)汽輪機的簡化熱力學(xué)分析模型熱力系統(tǒng)（水蒸氣）物質(zhì)第19頁/共98頁來自汽輪機的水蒸氣去水泵的凝結(jié)水冷卻水冷卻水開口熱力系統(tǒng)（冷凝器）第20頁/共98頁(凝結(jié)水）

物質(zhì)蒸汽放熱給冷卻水熱力系統(tǒng)（水蒸氣）物質(zhì)冷凝器的簡化熱力學(xué)分析模型第21頁/共98頁第22頁/共98頁電動機鍋爐給水來自冷凝器的水水泵開口熱力系統(tǒng)（水泵示意圖）第23頁/共98頁

（鍋爐給水）物質(zhì)水泵的簡化熱力學(xué)分析模型熱力系統(tǒng)（凝結(jié)水）物質(zhì)功第24頁/共98頁蒸汽動力裝置流程簡圖蒸汽動力裝置流程簡圖第25頁/共98頁蒸汽動力裝置的簡化熱力學(xué)分析模型冷卻水帶走熱量（工質(zhì)放熱量）向外輸出功（汽輪機）（水泵耗功）（工質(zhì)吸熱量）熱力系統(tǒng)向系統(tǒng)輸入功熱源供熱第26頁/共98頁壓縮制冷裝置系統(tǒng)簡圖冷藏室壓縮機膨脹機冷卻器第27頁/共98頁制冷裝置的簡化熱力學(xué)分析模型冷卻水帶走熱量（工質(zhì)放熱量）向外輸出功（膨脹機）（壓縮泵耗功）（工質(zhì)吸熱量）熱力系統(tǒng)向系統(tǒng)輸入功熱源供熱第28頁/共98頁熱力系統(tǒng)其它分類方式

其它分類方式(系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)所處的狀況)

物理化學(xué)性質(zhì)

均勻系

非均勻系工質(zhì)種類多元系單元系相態(tài)多相單相第29頁/共98頁單相系：系統(tǒng)中工質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)都均勻一致的系統(tǒng)稱為單相系。

復(fù)相系：由兩個相以上組成的系統(tǒng)稱為復(fù)相系，如固、液、氣組成的三相系統(tǒng)。

單元系：由一種化學(xué)成分組成的系統(tǒng)稱為單元系。

多元系：由兩種以上不同化學(xué)成分組成的系統(tǒng)稱為多元系。

均勻系：成分和相在整個系統(tǒng)空間呈均勻分布的為均勻系。

非均勻系：成分和相在整個系統(tǒng)空間呈非均勻分布，稱非均勻系。第30頁/共98頁簡單可壓縮系統(tǒng)最重要的系統(tǒng)

簡單可壓縮系統(tǒng)只交換熱量和一種準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功容積變化功壓縮功膨脹功第31頁/共98頁§1-2

工質(zhì)的熱力狀態(tài)及其基本狀態(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32頁/共98頁狀態(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)、態(tài)函數(shù)12ab式中x表示工質(zhì)某一狀態(tài)參數(shù)第33頁/共98頁狀態(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34頁/共98頁

強度參數(shù)與廣延參數(shù)強度參數(shù)：與質(zhì)量多少無關(guān)，沒有可加性，如溫度、壓力等。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比參數(shù)沒有可加性第35頁/共98頁強度參數(shù)：系統(tǒng)中單元體的參數(shù)值與整個系統(tǒng)的參數(shù)值相同，與質(zhì)量多少無關(guān)，沒有可加性，如溫度、壓力等。在熱力過程中，強度性參數(shù)起著推動力作用，稱為廣義力或勢。

廣延參數(shù)：整個系統(tǒng)的某廣延性參數(shù)值等于系統(tǒng)中各單元體該廣延性參數(shù)值之和，如系統(tǒng)的容積、內(nèi)能、焓、熵等。在熱力過程中，廣延性參數(shù)的變化起著類似力學(xué)中位移的作用，稱為廣義位移。

第36頁/共98頁基本狀態(tài)參數(shù)壓力

p、溫度T、比容v

（容易測量）1、壓力

p

物理中壓強，單位:Pa,N/m2常用單位：

1

bar

=105

Pa

1

MPa

=106

Pa

1

atm

=760

mmHg

=1.013105

Pa

1

mmHg

=133.3

Pa

1

at=735.6

mmHg=9.80665104

Pa第37頁/共98頁壓力p測量示意圖一般是工質(zhì)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38頁/共98頁

U形壓力計測壓第39頁/共98頁絕對壓力與相對壓力示意圖當(dāng)

p>pb表壓力pe當(dāng)

p<pb真空度pvpbpeppvp第40頁/共98頁環(huán)境壓力與大氣壓力環(huán)境壓力指壓力表所處環(huán)境注意：環(huán)境壓力一般為大氣壓，但不一定。大氣壓隨時間、地點變化。物理大氣壓

1atm=760mmHg當(dāng)h變化不大，ρ常數(shù)1mmHg=

ρgh=133.322Pa當(dāng)h變化大，ρρ(h)

第41頁/共98頁

各壓力間的關(guān)系

第42頁/共98頁第43頁/共98頁彈簧管壓力計原理圖第44頁/共98頁彈簧管壓力計原理圖第45頁/共98頁其它壓力測量方法高精度測量：活塞式壓力計工業(yè)或一般科研測量：壓力傳感器第46頁/共98頁熱力學(xué)第零定律溫度的熱力學(xué)定義熱力學(xué)第零定律（R.W.Fowler）

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

溫度計第47頁/共98頁熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律

1931年

T熱力學(xué)第一定律18401850年

E熱力學(xué)第二定律18541855年

S熱力學(xué)第三定律1906年

S基準(zhǔn)第48頁/共98頁溫度的熱力學(xué)定義

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49頁/共98頁溫度的測量溫度計物質(zhì)（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準(zhǔn)點刻度溫標(biāo)第50頁/共98頁

從微觀上看,溫度是標(biāo)志物質(zhì)內(nèi)部大量分子熱運動的強烈程度的物理量，熱力學(xué)溫度與分子平移運動平均動能的關(guān)系為:

第51頁/共98頁比容v［m3/kg]工質(zhì)聚集的疏密程度物理上常用密度

［kg/m3]第52頁/共98頁§1-3平衡狀態(tài)、狀態(tài)公理及狀態(tài)方程1、引入平衡狀態(tài)的意義

平衡狀態(tài)是研究熱現(xiàn)象時為簡化工質(zhì)狀態(tài)隨時間變化的復(fù)雜性而專門引入的一個基本概念,在熱力學(xué)狀態(tài)中有著重要意義。

第53頁/共98頁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54頁/共98頁

2、平衡狀態(tài)定義

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

溫差

—

熱不平衡勢

壓差

—

力不平衡勢

化學(xué)反應(yīng)

—

化學(xué)不平衡勢平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢第55頁/共98頁

3、平衡狀態(tài)的內(nèi)涵平衡狀態(tài)是指熱力系統(tǒng)的狀態(tài)達到一種熱、力平衡的境界，而各種勢差的存在是影響平衡狀態(tài)建立的根本原因。因此,不存在任何形式的勢差是平衡狀態(tài)概念的本質(zhì),平衡狀態(tài)表現(xiàn)出的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化僅是其外在的表現(xiàn)。

第56頁/共98頁平衡與穩(wěn)定穩(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57頁/共98頁平衡與均勻平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的第58頁/共98頁4、狀態(tài)方程、坐標(biāo)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59頁/共98頁狀態(tài)公理閉口系：不平衡勢差狀態(tài)變化能量傳遞消除一種不平衡勢差

達到某一方面平衡

消除一種能量傳遞方式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、表面張力功等第60頁/共98頁狀態(tài)方程簡單可壓縮系統(tǒng)：N

=n

+1=2絕熱簡單可壓縮系統(tǒng)

N=?狀態(tài)方程

基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關(guān)系第61頁/共98頁狀態(tài)方程的具體形式理想氣體的狀態(tài)方程實際工質(zhì)的狀態(tài)方程？？？狀態(tài)方程的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì)第62頁/共98頁坐標(biāo)圖簡單可壓縮系N=2，平面坐標(biāo)圖pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標(biāo)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常見p-v圖和T-s圖21第63頁/共98頁§1-4準(zhǔn)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(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)平衡）過程第64頁/共98頁一般過程p1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0pv12..第65頁/共98頁準(zhǔn)靜態(tài)過程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(tǒng)隨時接近于平衡態(tài)第66頁/共98頁準(zhǔn)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(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)無限緩慢，工程上怎樣處理？第67頁/共98頁準(zhǔn)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(zhǔn)靜態(tài)過程第68頁/共98頁引入可逆過程的意義

準(zhǔn)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。可逆過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69頁/共98頁可逆過程的定義

系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復(fù)到初始狀態(tài)，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(tài)的過程。第70頁/共98頁氣缸活塞飛輪熱源左止點1pv可逆過程模擬第71頁/共98頁氣缸飛輪熱源左止點12pv第72頁/共98頁氣缸飛輪熱源左止點右止點12pv第73頁/共98頁氣缸飛輪熱源左止點右止點12pv第74頁/共98頁氣缸活塞飛輪熱源左止點右止點12pv第75頁/共98頁1)可逆過程的描述系統(tǒng)經(jīng)歷一個過程后，如令過程逆行而能使系統(tǒng)與外界同時恢復(fù)到初始狀態(tài)而不留下任何痕跡，則此過程稱為可逆過程。2)實現(xiàn)可逆過程的條件(1)過程是準(zhǔn)平衡過程；(2)過程中不存在任何形式的能量耗散效應(yīng)，如：摩擦、電阻等使功變?yōu)闊岬默F(xiàn)象。第76頁/共98頁可逆過程的實現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)=可逆過程無不平衡勢差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77頁/共98頁完全可逆、內(nèi)可逆與外可逆

完全可逆

可逆內(nèi)部可逆，外部不可逆

外部可逆，內(nèi)部不可逆常見90℃0℃例：內(nèi)可逆外不可逆第78頁/共98頁功量1、力學(xué)定義:力在力方向上的位移2、熱力學(xué)定義(外文參考書）

a、當(dāng)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。b、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。第79頁/共98頁1)功的定義p

outp第80頁/共98頁1)功的定義pd

L若為可逆過程有p

out第81頁/共98頁圖上曲線下面的面積代表體積功12pv②

此時體積功為負“-”,稱為壓縮功。①此時體積功為正“┼”,稱為膨脹功。有有有2)可逆過程中體積功在ｐ-ｖ圖上的表示強調(diào)!第82頁/共98頁12pv圖中所示,初、終態(tài)相同,路徑不同(1-a-2和1-b-2)時,過程線下面的面積不等。表明功是一過程量。3)體積功的大小與過程的關(guān)系4)體積功的計算方法

1)圖解法在P-V圖上曲線下面的面積表示表示體積功。注意:①面積的正、負;②此方法只適用于可逆過程。

2)解析法此時,為外力。可逆過程此時,為工質(zhì)的真實壓力。不可逆過程第83頁/共98頁示功圖pV.12.pp外21mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdvW第84頁/共98頁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(zhǔn)靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等第85頁/共98頁熱量與熵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，在溫度的推動下，以微觀無序運動方式傳遞的能量。第86頁/共98頁熱量如何表達？熱量是否可以用類似于功的式子表示？？引入“熵”第87頁/共98頁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(biāo)志

dV,dv