第一篇

工程熱力學(xué)Thermodynamics分析方法及特點(diǎn)以平衡態(tài)為基本出發(fā)點(diǎn)（有確定的狀態(tài)參數(shù)）；以準(zhǔn)平衡（準(zhǔn)靜態(tài)）過程或可逆過程為基本分析對(duì)象（過程可描述）；宏觀體系；以提高熱功轉(zhuǎn)化的效率為主要目標(biāo)。

特點(diǎn)：對(duì)實(shí)際過程進(jìn)行高度抽象。第一章基本概念BasicConceptsofThermodynamics

本章作業(yè)1-31-51-71-81-101-1熱力系統(tǒng)

(ThermodynamicSystem)一、熱力系統(tǒng)及選取方法1.熱力系統(tǒng)：根據(jù)研究需要，人為選取的空間內(nèi)的物質(zhì)總和。外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)。邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面。2.熱力系統(tǒng)的選取原則:a.突出所關(guān)心的主要問題；b.便于分析；

c.足夠大，滿足宏觀假定。方法：邊界可以真實(shí)或虛構(gòu)；固定或運(yùn)動(dòng)；也可以是兩種及兩種以上的組合。例1-1：熱力系統(tǒng)的選取(1)真實(shí)、包括可移動(dòng)邊界的系統(tǒng)；（2）全部邊界固定，但包括假象邊界的系統(tǒng)；（3）真實(shí)、假象，固定、移動(dòng)邊界的組合。(1)(2)(3)有無質(zhì)量交換開口系閉口系熱量交換非絕熱系絕熱系功交換非絕功系絕功系熱、功、質(zhì)任一種非孤立系孤立系二、熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分1234mQW1

開口系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4

孤立系結(jié)論：系統(tǒng)的選取具有相對(duì)性

其它分類方式

工質(zhì)種類單元系多元系

相態(tài)多相

單相

物理化學(xué)性質(zhì)

均勻系

非均勻系最重要的系統(tǒng)

簡單可壓縮系統(tǒng)由可壓縮流體構(gòu)成，與外界只存在準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功容積變化功？？壓縮或膨脹功狀態(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)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1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)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：強(qiáng)度量：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)

如

p、T廣延量：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)

可加性

如

m、V、

U、H、S比參數(shù)：v=V/m比容

u=U/m比內(nèi)能

h=H/m比焓s=S/m比熵

/kg或/kmol

具有強(qiáng)度量性質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的分類

壓力

p、溫度T、比容v一、壓力(pressure)p

物理中壓強(qiáng)，單位:Pa,N/m21-3基本狀態(tài)參數(shù)常用單位：

1bar=105Pa1MPa=106Pa1atm=760mmHg=1.013

105Pa1mmHg=133.3Pa壓力的測量(a)液位計(jì)測表壓；(b)液位計(jì)測真空度；(c)彈簧式壓力表測表壓(1)p>pb

p=pb+pg;(2)p<pb

p=pb-pvpg:表壓力

pv:

真空度表壓、真空度、絕對(duì)壓力的關(guān)系pppg

pb

ppb

pv

p(1)(2)關(guān)于壓力的幾點(diǎn)說明液柱高度表示的壓力單位與壓力的關(guān)系：p=ρgh；真空狀態(tài)下計(jì)算絕對(duì)壓力時(shí)，大氣壓的取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，不能簡單取pb=0.1MPa;表壓力不是狀態(tài)參數(shù)。定義：

v

＝V/m［m3/kg]物理意義：工質(zhì)聚集的疏密程度物理上常用密度

＝m/V［kg/m3]

v=1二、比體積(specificvolume)v定義傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。感覺，導(dǎo)熱，熱容量微觀：分子平均動(dòng)能的量度

T0.5mw21)氣體分子運(yùn)動(dòng)論結(jié)論

2)0.5mw20,T0,1951年核磁共振法對(duì)氟化鋰晶體的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)負(fù)的開爾文溫度。

3)T=00.5mw

2=0分子一切運(yùn)動(dòng)停止，零點(diǎn)能。三、溫度(temperature)

T1.熱力學(xué)第零定律（R.W.Fowler,1931）

如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。溫度的熱力學(xué)定義B溫度計(jì)2.熱力學(xué)第零定律的意義（1）有關(guān)熱平衡的基本公理；（2）為科學(xué)地給出溫度的定義奠定了理論基礎(chǔ)；（3）為建立溫標(biāo)和測溫提供了技術(shù)依據(jù)。3.溫度的熱力學(xué)定義

處于同一熱平衡狀態(tài)的各個(gè)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稱為

溫度。

溫度是確定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量（熱平衡的判據(jù)）。T/K=273.15+t/℃t/℃=5

(t/℉-32)/9T/0R=t/℉+459.67T/0R=9/5T/K

4.常用溫標(biāo)原則：所選物體的某種物理性質(zhì)隨溫度變化。5.溫度測量溫度計(jì)的種類：（1）液體溫度計(jì)（4）氣體溫度計(jì)（2）電阻溫度計(jì)（5）光學(xué)溫度計(jì)（3）熱電偶（6）其他要求：精度、響應(yīng)速度一、定義及平衡的條件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(shí)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1-4平衡狀態(tài)(equilibriumstate)1.平衡與穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：盡管穩(wěn)定但存在不平衡勢差，如果去掉外界影響，則不能保證狀態(tài)不隨時(shí)間變化。穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定。二、討論2.平衡與均勻平衡：對(duì)時(shí)間而言均勻：對(duì)空間而言平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的。3.平衡態(tài)的特點(diǎn)（1）平衡是指宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化，微觀性質(zhì)隨時(shí)間的變化是允許的；（2）數(shù)學(xué)描述不涉及時(shí)間變量；（3）系統(tǒng)處于平衡態(tài)，才有確定的狀態(tài)參數(shù)。想確切描述某個(gè)熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？狀態(tài)公理：對(duì)組元一定的閉口系，獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)個(gè)數(shù)N=n+11-5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)。閉口系與外界不平衡勢差能量傳遞狀態(tài)變化消除一種不平衡勢差消除一種能量傳遞方式達(dá)到某一方面平衡不平衡勢差彼此獨(dú)立獨(dú)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、拉伸功、表面張力功等。一、狀態(tài)公理簡單可壓縮系統(tǒng)：N=n+1=2

絕熱簡單可壓縮系統(tǒng)

N=?狀態(tài)方程的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì)理想氣體的狀態(tài)方程二、狀態(tài)方程

基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系。a、系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標(biāo)圖上；b、過程線中任意一點(diǎn)為平衡態(tài)；c、不平衡態(tài)無法在圖上用實(shí)線表示。簡單可壓縮系N=2，常作平面坐標(biāo)圖。三、坐標(biāo)圖一、準(zhǔn)靜態(tài)過程(quasiequilibriumprocess)有一重物壓在活塞上，則p=p0+p重物突然拿掉重物，則緊靠活塞的空氣層急驟變化，

p變化大雖然穩(wěn)定后p=p0，但中間過程無法確定1-6準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程為何要引入準(zhǔn)靜態(tài)過程?a、我們的目標(biāo)：研究熱力過程中功與熱的變化；b、如果所有狀態(tài)都是平衡態(tài)，狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化，不存在過程；c、如果所有狀態(tài)均為非平衡態(tài)，不能用統(tǒng)一的狀態(tài)參數(shù)來描述系統(tǒng)。

如果重物換成沙子，每次取走一粒，則系統(tǒng)隨時(shí)接近于平衡態(tài)，狀態(tài)是確定的，中間過程可以描述

準(zhǔn)靜態(tài)過程

。Quasi-static(quasi-equilibrium)processAprocessthatproceedsinamannerthatthesystemremainsinfinitesimallyclosetoanequilibriumstateatalltimes準(zhǔn)靜態(tài)過程：既平衡，又變化，可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換疑問：

理論上準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)無限緩慢，那工程上怎樣處理？

工程上，如果：破壞平衡所需時(shí)間

>>

恢復(fù)平衡所需時(shí)間

（外部作用時(shí)間）（馳豫時(shí)間）

有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡

準(zhǔn)靜態(tài)例：內(nèi)燃機(jī)2000轉(zhuǎn)/分，曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，

0.15米/沖程活塞運(yùn)動(dòng)速度=200020.15/60=10m/s

壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350m/s二、準(zhǔn)靜態(tài)過程的體積功（膨脹功）p

A=p外

A+f如果

P外微小

，dl很小，近似認(rèn)為p不變。

可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程。f過程1

2,準(zhǔn)靜態(tài)過程容積變化功

mkg:

1kg:f準(zhǔn)靜態(tài)體積功特點(diǎn)：1、單位為[kJ]

或[kJ/kg]

2、p-v圖上用面積表述3、功的大小與路徑有關(guān)，是過程量。4、統(tǒng)一規(guī)定：dv>0，膨脹對(duì)外作功（正）

dv<0，壓縮外界作功（負(fù)）5、上式適于準(zhǔn)靜態(tài)下任何工質(zhì)（一般為流體）vp

示功圖1、定義

系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，令其反向進(jìn)行，若能使系統(tǒng)與外界同時(shí)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。三、可逆過程(reversibleprocess)例：彈性小球與剛性地面的碰撞；無摩擦的單擺

準(zhǔn)靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)=可逆過程無不平衡勢差耗散效應(yīng)：通過摩擦使功變熱的效應(yīng)。不可逆根源

不平衡勢差

耗散效應(yīng)

2、實(shí)現(xiàn)可逆過程的條件

3、典型的不可逆過程舉例a.溫差傳熱b.氣體自由膨脹c.混合過程d.節(jié)流討論準(zhǔn)靜態(tài)過程只要求由一系列平衡態(tài)組成，并不關(guān)心反向進(jìn)行時(shí)對(duì)外界的影響，因而不排斥耗散，可逆過程不允許有耗散。不可逆因素分類：內(nèi)部不可逆，耗散；外部不可逆，內(nèi)外間勢差（溫差、壓差）。至少有一種不可逆因素的過程即為不可逆過程。

準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)際過程的理想化過程，但并非最優(yōu)過程?？赡孢^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(dá)，易分析。實(shí)際過程充滿了不可逆，但為了研究方便，按理想情況處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正。4、引入可逆過程的意義1、力學(xué)定義:力

在力方向上的位移2、熱力學(xué)定義

a、當(dāng)熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時(shí)，如果對(duì)外界的唯一效果可歸結(jié)為舉起重物，此即為熱力系對(duì)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(dòng)下，通過有序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。1-7功量

3、功的一般表達(dá)式熱力學(xué)最常見的功

體積功

說明：a.只適用準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程。

b.體積功是過程量。

c.系統(tǒng)對(duì)外界作功為正

w>0

外界對(duì)系統(tǒng)作功為負(fù)w<0其他準(zhǔn)靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等。

一、熱量

熱力系通過邊界與外界交換的能量中，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(dòng)下，以微觀無序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。1-8熱量與熵?zé)崃渴欠窨梢杂妙愃朴诠Φ氖阶颖硎?？引入“熵?/p>

能量傳遞方式體積功傳熱量性質(zhì)過程量過程量推動(dòng)力壓力

p

溫度T標(biāo)志dV,dv

dS

,ds公式

條件

準(zhǔn)靜態(tài)或可逆可逆

二、熵（entropy)1.定義：