第一章 基本概念

第一章基本概念BasicConceptsandDefinition1-1熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換過程1-2熱力系統(tǒng)1-3工質(zhì)的熱力學狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)1-4平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標圖1-5準靜態(tài)過程與可逆過程1-6熱力循環(huán)1一、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。分類共同本質(zhì)：由媒介物通過吸熱—膨脹作功—排熱

氣體動力裝置(combustiongaspowerplant)

內(nèi)燃機(internalcombustiongasengine)

燃氣輪機裝置(gasturbinepowerplant)

噴氣發(fā)動機(jetpowerplant)……

蒸氣動力裝置

(steampowerplant)1-1熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換的過程2二、工質(zhì)(workingsubstance;workingmedium)定義：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。對工質(zhì)的要求:物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜。

1）膨脹性

2）流動性

3）熱容量

4）穩(wěn)定性，安全性

5）對環(huán)境友善

6）價廉，易大量獲取常見工質(zhì)如：水蒸汽、內(nèi)燃機中工作的燃氣

制冷劑、常用的氣態(tài)物質(zhì)（空氣等）。3三、熱源(heatsource;heatreservoir)

定義：工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。?高溫熱源—熱源

（

heatsource）

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

變溫熱源41-2熱力系統(tǒng)?系統(tǒng)(thermodynamicsystem,system)

人為分割出來，作為熱力學研究對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。?

外界(surrounding)：與系統(tǒng)發(fā)生物質(zhì)、能量交換的物質(zhì)系統(tǒng)。?邊界(boundary)：系統(tǒng)與外界的分界面（線）。一、系統(tǒng)、外界和邊界5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6邊界特性真實、虛構(gòu)固定、活動fixed、movablereal

、imaginary78

閉口系（closedsystem）

（控制質(zhì)量CM）

—沒有質(zhì)量越過邊界

二、閉口系與開口系9開口系（opensystem）

（控制體積CV）

—通過邊界與外界有質(zhì)量交換10三、絕熱系統(tǒng)與孤立系統(tǒng)11孤立系（isolatedsystem）—與外界無任何形式的質(zhì)能交換。12四、系統(tǒng)內(nèi)部狀況2、單元系與多元系3、均勻系與非均勻系1、單相系與復相系單相系：系統(tǒng)中工質(zhì)的物理、化學性質(zhì)都均勻一致的系統(tǒng)稱為單相系。復相系：由兩個相以上組成的系統(tǒng)稱為復相系，如固、液、氣組成的三相系統(tǒng)。單元系：由一種化學成分組成的系統(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。13五、簡單可壓縮系統(tǒng)最重要的系統(tǒng)

只交換熱量和一種容積變化功容積變化功壓縮功膨脹功SimplecompressiblesystemMovingBoundaryWorkCompressionWorkExpansionWork注意：

1）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別；

2）開口系與絕熱系的關系；

3）孤立系與絕熱系的關系。14六、熱力系示例

1．剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側(cè)設有電熱絲

紅線內(nèi)——閉口絕熱系黃線內(nèi)不包含電熱絲——閉口系黃線內(nèi)包含電熱絲——閉口絕熱系蘭線內(nèi)——孤立系15閉口系2．剛性絕熱噴管取紅線為系統(tǒng)—取噴管為系統(tǒng)—是開口絕熱系?161234mQW1

開口系非孤立系＋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171-3工質(zhì)的熱力學狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)1、熱力學狀態(tài)（stateofthermodynamicsystem）

—系統(tǒng)某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。2、狀態(tài)參數(shù)（stateproperties）

—描述系統(tǒng)所處狀態(tài)的宏觀物理量

狀態(tài)參數(shù)是宏觀物理量，是大量粒子的統(tǒng)計平均效應，只有平衡狀態(tài)才有狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)有多個狀態(tài)參數(shù)，常用的如一、熱力學狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)3、狀態(tài)參數(shù)的特性其中p、v、T稱為基本狀態(tài)參數(shù)？容易測量！18狀態(tài)參數(shù)的數(shù)學特征狀態(tài)參數(shù)一旦確定，工質(zhì)的狀態(tài)也就確定。狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關，只與初、終態(tài)有關。數(shù)學上：點函數(shù)、態(tài)函數(shù)12ab例：溫度變化山高度變化pointfunction19溫度T的一般概念宏觀：物質(zhì)冷熱程度的度量。（與人的感覺和導熱介質(zhì)等有關）微觀：衡量分子平均平移動能的量度。二、溫度和溫標（temperatureandtemperaturescale）式中 —分子平移運動的動能，其中m是一個分子的質(zhì)量，是分子平移運動的均方根速度；B—比例常數(shù)；T—氣體的熱力學溫度。20熱力學第零定律（R.W.Fowlerin1931）它是溫度測量的理論基礎

當物體B同時與物體A和C接觸而達到熱平衡時,物體A和C也一定處于熱平衡。這一事實說明物質(zhì)具備某種宏觀性質(zhì)。若兩個熱力系統(tǒng)分別與第三個熱力系統(tǒng)處于熱平衡，那么這兩個熱力系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。即熱力學第零定律21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。22Temperaturemeasurement溫度計物質(zhì)（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準點刻度

Scale溫標

TemperaturescaleReferencestate23溫標熱力學溫標:T單位K（開爾文），取水的三相點為基點并定義其溫度為273.16K,1K是水有三相點溫度的1／273.16.SI還規(guī)定攝氏溫標為實用溫標，符號用t

，單位為℃。攝氏溫標的定義式：t=T-273.15攝氏溫度與熱力學溫度的關系：

T=273.15+t

水的三相點（冰、水、汽共存的平衡狀態(tài)點）為0.01℃是衡量溫度大小的標尺。熱力學第零定律是溫標的理論依據(jù)。24TemperatureMeasurementDevices水銀溫度計thermometer，酒精溫度計，熱電偶Thermocouple熱電阻Resistancetemperaturedetector輻射溫度計Radiationthermometer鉑電阻溫度計Platinum激光全息干涉儀CARS（相干反斯托克斯喇曼光譜）法25溫度計：根據(jù)溫標制作的用于測量溫度的儀表26單位：Pa

垂直作用在單位面積上的力，氣體的壓力是大量分子撞擊容器壁所產(chǎn)生的平均效果。壓力的國際制單位：

1MPa=103kPa=106Pa其它非國際制壓力單位：標準大氣壓atm：1atm=101325Pa

工程大氣壓at(kgf/cm2);：1at=9.8067×104Pa

巴bar，毫巴mbar1bar＝1000mbar＝105Pa

毫米汞柱mmHg：1mmHg＝133.32Pa

毫米水柱mmH2O：1mmH2O＝9.8067Pa三、壓力(pressure)，物理中的壓強27壓力p測量絕對壓力與環(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)28壓力的測量（1）

當p>pb時，p=pb

+pg

p

g

稱為表壓（壓力表）當p<pb

時，p=pb

-pv

p

v

稱為真空度（真空表）

p—絕對壓力；pb

—環(huán)境壓力；pg—表壓力；p

v—真空度；29壓力的測量（2）

（P>B）式中 B—當?shù)卮髿鈮毫?/p>

Pg—高于當?shù)卮髿鈮毫r的相對壓力，稱表壓力；

H—低于當?shù)卮髿鈮毫r的相對壓力，稱為真空值。（P<B）30各種壓力關系圖31環(huán)境壓力與大氣壓力指壓力表所處環(huán)境

注意：

環(huán)境壓力一般為大氣壓，但不總是。環(huán)境壓力Environmentalpressure大氣壓力Atmosphericpressurehbarometer32大氣壓力Atmosphericpressure大氣壓隨地點等變化標準(物理)大氣壓:1atm=760mmHg當h變化不大，ρ

常數(shù)當h變化大，ρρ(h)

33例題1-1OtherPressureMeasurementDevices高精度測量：活塞壓力計

pistonmanometer工業(yè)或一般科研測量：壓力傳感器PressuretransducersPiezoelectriceffect34四、比體積和密度比體積(specificvolume)單位質(zhì)量工質(zhì)的體積密度(density)單位體積工質(zhì)的質(zhì)量兩者關系:35五、強度性參數(shù)與廣延性參數(shù)廣延性參數(shù)除以系統(tǒng)的總質(zhì)量，即得到單位質(zhì)量的廣延性參數(shù)，稱為比參數(shù)。如比體積v，比熱力學能u，比焓h，比熵s等。比參數(shù)沒有可加性。工程熱力學約定用小寫字母表示比參數(shù)。強度性參數(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，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。廣延性參數(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)的質(zhì)量m、容積V、內(nèi)能U、焓H、熵S等。在熱力過程中，廣延性參數(shù)的變化起著類似力學中位移的作用，稱為廣義位移。36思考題（P17）1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6作業(yè)P17習題1-1、1-2、1-4371-4平衡狀態(tài)、狀態(tài)公理、狀態(tài)方程式1．定義：無外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)不隨時間而改變的狀態(tài)。?熱平衡（thermalequilibrium）：

在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處溫度相等。?力平衡（mechanicalequilibrium）：

在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處壓力相等。?熱力平衡的充要條件

—系統(tǒng)同時達到熱平衡和力平衡。一、平衡狀態(tài)（thermodynamicequilibriumstate）38平衡Equilibrium與穩(wěn)定Steady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)變化穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定2、討論：39平衡Equilibrium與均勻Even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403、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破壞平衡狀態(tài)變化如何描述41

二、狀態(tài)公理（statepostulate）n—純物質(zhì)系統(tǒng)平衡狀態(tài)狀態(tài)獨立的參數(shù)數(shù)；f—系統(tǒng)與外界交換功形式數(shù)。簡單可壓縮系與外界僅有容積變化功一種形式42三、狀態(tài)方程和狀態(tài)參數(shù)坐標圖

一簡單可壓縮系只有兩個獨立參數(shù)，所以可用平面坐標上一點確定其狀態(tài)，反之任一狀態(tài)可在平面坐標上找到對應點，如：pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3OOO43pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標圖上說明：2）過程線上任意一點均為平衡態(tài)3）非平衡態(tài)無法在圖上用實線表示常見p-v圖和T-s圖2144熱力過程

熱力系統(tǒng)從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和稱為熱力過程。1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過程研究熱力過程的目的

分析與討論系統(tǒng)的狀態(tài)變化和系統(tǒng)與外界的能量交換。45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引入準靜態(tài)（準平衡）過程quasi-static,orquasi-equilibrium46一般過程Processp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最終p2

=

p0T2

=

T0pv12..47一、準靜態(tài)過程Quasi-staticprocessp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0假如重物有無限多薄層每次只去掉無限薄一層pv12...系統(tǒng)隨時接近于某個平衡態(tài)準靜態(tài)過程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實線表示48準靜態(tài)過程有實際意義嗎？既是平衡，又是變化的既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進行熱功轉(zhuǎn)換疑問：理論上準靜態(tài)應無限緩慢，

工程上適用嗎？49準靜態(tài)過程的工程條件破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復平衡所需時間（馳豫時間）>>能夠足夠快恢復新平衡

準靜態(tài)過程Relaxationtime50準靜態(tài)過程的工程應用例：活塞式內(nèi)燃機2000轉(zhuǎn)/分曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運動速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復平衡速度(聲速)：350m/s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）一般的工程過程都可認為是準靜態(tài)過程具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛?1可逆reversible過程的定義

系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。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(tài)的過程。二、可逆過程(reversibleprocess)52可逆過程的實現(xiàn)無不平衡勢差+無耗散效應=可逆過程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

不可逆根源

耗散效應

耗散效應irreversibilityDissipativeeffect53Heattransfer常見的不可逆過程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節(jié)流過程

(閥門）p1p2p1>p2FrequentlyencounteredirreversibilitiesThrottler54常見的不可逆過程混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★自由膨脹真空????????????FrequentlyencounteredirreversibilitiesUnrestrainedexpansionMixingprocess55引入可逆過程的意義

準靜態(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?？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，可不考慮系統(tǒng)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(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正。56準靜態(tài)過程與可逆過程的異同點對熱力系統(tǒng)而言，準靜態(tài)過程與可逆過程都是由一系列平衡狀態(tài)組成，在狀態(tài)圖上都可以用連續(xù)的曲線來表示；但兩者又有一定的區(qū)別，可逆過程要求系統(tǒng)與外界隨時保持熱平衡和力平衡，并且不存在任何的耗散效應，在過程中沒有任何能量的不可逆損失，而準靜態(tài)過程的條件僅限于系統(tǒng)內(nèi)部的力平衡和熱平衡。準靜態(tài)過程在進行中系統(tǒng)與外界之間可以有不平衡勢差，也可以有耗散現(xiàn)象發(fā)生，只要系統(tǒng)內(nèi)部能及時恢復平衡，其狀態(tài)變化就可以是準靜態(tài)的。57三、可逆過程的膨脹功（體積功）膨脹功：由于系統(tǒng)容積發(fā)生變化（增大或縮?。┒ㄟ^界面向外界傳遞的機械功稱為膨脹功，也稱容積功。58pF外fW

=

F外dSA如果

過程可逆dS以汽缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變化對外界作的功W=pf

dS=pdV1kg工質(zhì)w=pdvF系統(tǒng)=F外=pf1、計算式推導59可逆過程的容積變化功pF外2mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdv1注意：上式僅適用于可逆過程602、示功圖indicator(p-V)diagrampV.12.pF外21mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdvW613、可逆過程容積變化功的說明pV.12.2）

p-V圖上用面積表示3）功的大小與路徑有關，是過程量Pathfunction4）統(tǒng)一規(guī)定：dV>0，膨脹，系統(tǒng)對外界作功為正；

dV<0，壓縮，外界對系統(tǒng)作功為負。5）適于可逆過程下的任何工質(zhì)（一般為流體）1）單位為[kJ]

或[kJ/kg]Ww62

4．功率附：單位時間所作的功。單位1馬力=735W63四、可逆過程的熱量Heatisdefinedastheformofenergythatistransferredbetweentwosystems(oritssurroundings)byvirtueofatemperaturedifference.

熱量定義：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。64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”65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標志dV,dv

dS

,ds公式條件

可逆可逆66熵（Entropy）的定義reversible比參數(shù)

[kJ/kg.K]ds:

可逆過程