第五章 熱力學基本概念

流體力學建筑與環(huán)境工程系第五章熱力學基本概念

1、理解工質(zhì)、熱力系的定義，掌握熱力系的分類。2、理解熱力狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)的定義；掌握狀態(tài)參數(shù)的特征、分類，基本狀態(tài)參數(shù)的物理意義和單位；3、掌握平衡狀態(tài)的物理意義及實現(xiàn)條件。4、了解狀態(tài)方程式及參數(shù)坐標圖的物理意義及作用。5、理解熱力過程、熱力循環(huán)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(zhì)和熱力系§5.2平衡狀態(tài)和熱力過程§5.3理想氣體§5.1工質(zhì)和熱力系一、工質(zhì)1、概念——實現(xiàn)熱能與機械能相互傳遞與轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)。2.工質(zhì)特性:可壓縮、易膨脹、易流動3、工質(zhì)的選擇——熱力學中熱能與機械能之間的相互轉(zhuǎn)換是通過物質(zhì)的體積變化來實現(xiàn)的，常選氣態(tài)物質(zhì)作為工質(zhì)。4、常用工質(zhì)——熱機循環(huán)中:水蒸氣、空氣、燃氣；制冷循環(huán)、熱泵循環(huán)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(zhì)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(tǒng)，簡稱熱力系或系統(tǒng)?？蔀檎鎸嵉奈镔|(zhì)、設(shè)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?？蓪嶋H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(jù)熱力系與外界進行物質(zhì)交換的情況閉口熱力系——熱力系與外界無物質(zhì)交換與外界有能量傳遞,無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質(zhì)量恒定不變。

邊界活塞氣缸（二）熱力系的分類1、根據(jù)熱力系與外界進行物質(zhì)交換的情況開口熱力系——熱力系與外界有物質(zhì)交換。與外界有能量、物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的容積始終保持變。變質(zhì)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(jù)熱力系與外界的能量和物質(zhì)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(zhì)交換的系統(tǒng)，簡稱為“孤立系”。邊界活塞氣缸1234mQW1

開口系

熱力系統(tǒng)分類非孤立系＋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(shù)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(tǒng)其它分類方式

其它分類方式物理化學性質(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靜態(tài)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(zhì)在進行熱量傳遞和能量轉(zhuǎn)換的過程中,其狀態(tài)不斷發(fā)生變化．低溫液態(tài)過熱蒸汽

鍋爐汽機輪凝汽器（三）熱力系的描述1、熱力狀態(tài)——工質(zhì)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為工質(zhì)的熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。2、狀態(tài)參數(shù)——描述工質(zhì)熱力狀態(tài)的宏觀的物理量。狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然狀態(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)狀態(tài)參數(shù)分類—

廣延量；強度量系統(tǒng)兩個狀態(tài)相同的充要條件：所有狀參一一對應(yīng)相等簡單可壓縮系：兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)相等狀態(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)。12ab例：溫度變化強度參數(shù)與廣延參數(shù)強度參數(shù)：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)

如壓力

p、溫度T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

具有強度量的性質(zhì)強度量與廣延量速度動能高度

位能

內(nèi)能溫度應(yīng)力摩爾數(shù)（強）（強）（強）（強）（廣）（廣）（廣）（廣）3、常用狀態(tài)參數(shù)（1）基本狀態(tài)參數(shù)溫度（T）壓力（p）比體積（v）（2）導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)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(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溫度計溫度的熱力學定義

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(fā)燒水沸點溫標的換算§5.2平衡狀態(tài)和熱力過程一、平衡狀態(tài)（一）平衡狀態(tài)——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

化學反應(yīng)

—

化學不平衡勢平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢平衡與穩(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（二）狀態(tài)方程1、概念——表示狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系的方程式稱為狀態(tài)方程式。描述熱力狀態(tài)的各狀態(tài)參數(shù)往往互有聯(lián)系，可用狀態(tài)方程式來表示。對于氣態(tài)工質(zhì)組成的簡單熱力系，只需兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)就可確定其平衡狀態(tài)。Pf1（v，T）Vf2（p，T）Tf3（p，v）

2、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)？狀態(tài)公理閉口系：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、表面張力功等不平衡勢差狀態(tài)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(tài)方程的具體形式理想氣體的狀態(tài)方程狀態(tài)方程的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì)

（三）狀態(tài)參數(shù)坐標圖簡單可壓縮系N=2，平面坐標圖pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標圖上說明：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21二、熱力過程1、概念——熱力系從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)變化時經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和稱為熱力過程，簡稱過程。過程與狀態(tài)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(jié)果。

2.準平衡過程

概念——過程中熱力系所經(jīng)歷的每一個狀態(tài)都無限地接近平衡狀態(tài)的熱力過程稱為準平衡過程，或準靜態(tài)過程。準平衡過程是一種理想過程。在系統(tǒng)內(nèi)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(shù)坐標圖上近似地用連續(xù)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(tài)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?？赡孢^程的條件：準平衡過程＋無“耗散效應(yīng)”不可逆過程中，使功變?yōu)闊岬男?yīng)。準平衡過程與可逆過程的異同相同——系統(tǒng)的中間過程是一致的平衡狀態(tài)，具有確定的狀態(tài)參數(shù)，可用參數(shù)坐標圖表示。不同——準靜過程主要著眼于系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的平衡，而可逆過程不僅要求內(nèi)部狀態(tài)的平衡，而且主要著眼于系統(tǒng)與外界相互作用時能量交換過程中內(nèi)、外部是否存在不平衡勢差及耗散效應(yīng)。典型的不可逆過程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節(jié)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(huán)1、概念——工質(zhì)由某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列熱力狀態(tài)變化后，又回到原來初態(tài)的封閉熱力過程稱為熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。系統(tǒng)實施循環(huán)的目的是為了實現(xiàn)預(yù)期連續(xù)的能量轉(zhuǎn)換。2、分類——可逆循環(huán)和不可逆循環(huán)；正向循環(huán)和逆向循環(huán)3、經(jīng)濟指標——動力循環(huán)，制冷循環(huán)，熱泵循環(huán)§5.3理想氣體一、理想氣體的概念二、理想氣體狀態(tài)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(tài)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(zhì)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(tài)時，氣體分子間距離小，不能作為理想氣體。二、理想氣體狀態(tài)方程當理想氣體處于任一平衡狀態(tài)時，三個基本狀態(tài)參數(shù)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(jù)不同的物量,存在三種比熱容質(zhì)量熱容

,符號為c

，單位為J/（kg·K）或kJ/（kg·K）；摩爾熱容:lmol物質(zhì)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(tài)下1m3物質(zhì)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(guān)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(guān)。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(yīng)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(zhì)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(zhì)量定容熱容，用符號cV表示。比定壓熱容單位質(zhì)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(zhì)量定壓熱容，用符號cp表示。比定壓熱容與比定容熱容的關(guān)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(guān)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(nèi)動能外，還應(yīng)克服外力而作功。顯然對同樣質(zhì)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(guān)系可表示相應(yīng)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(nèi)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(fā)生化學反應(yīng)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(chǎn)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(jù)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(zhì)不僅取決于熱力學參數(shù)如壓力、溫度等，還取決于混合氣體的組成成分。

質(zhì)量分數(shù)三種常用成分:體積分數(shù)摩爾分數(shù)

混合氣體的成分質(zhì)量分數(shù)