工程熱力學(xué)01基本概念及定義

第一章基本概念及定義1第一章基本概念及定義1-1

熱力學(xué)系統(tǒng)1-2

熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)1-3

平衡狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖1-4

狀態(tài)方程式1-5

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程1-6

可逆過(guò)程的功1-7

熱量1-8

熱力循環(huán)第一章基本概念及定義21-1

熱力學(xué)系統(tǒng)

熱力學(xué)系統(tǒng)（熱力系統(tǒng)、熱力系、系統(tǒng)）——人為選定的某些確定的物質(zhì)或某個(gè)確定空間中的物質(zhì)。

外界—系統(tǒng)之外與系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程有關(guān)的一切其他物質(zhì)。

邊界—分割系統(tǒng)與外界的界面。

在邊界上可以判斷系統(tǒng)與外界間所傳遞的能量和質(zhì)量的形式和數(shù)量。邊界可以是實(shí)際的、假想的、固定的或活動(dòng)的。第一章基本概念及定義3閉口系統(tǒng)——與外界無(wú)質(zhì)量交換的系統(tǒng)（控制質(zhì)量）。開(kāi)口系統(tǒng)——與外界有質(zhì)量交換的系統(tǒng)（控制容積、控制體）。絕熱系統(tǒng)——與外界無(wú)熱量交換的系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)——與外界既無(wú)能量（功量、熱量）交換，又無(wú)質(zhì)量交換的系統(tǒng)。＊熱源——具有無(wú)限熱量?jī)?chǔ)存能力的假想熱力系統(tǒng)，其作用只是與其他系統(tǒng)交換熱量。一般情況下，交換熱量后其溫度不發(fā)生變化。高溫?zé)嵩矗合蚱渌到y(tǒng)供熱的熱源；低溫?zé)嵩矗何掌渌到y(tǒng)放出熱量的熱源。系統(tǒng)的選取，取決于分析問(wèn)題的需要及分析方法上的方便。系統(tǒng)的分類：第一章基本概念及定義41-2熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)熱力學(xué)狀態(tài)：熱力學(xué)系統(tǒng)所處的宏觀狀況。狀態(tài)參數(shù)：描述系統(tǒng)熱力學(xué)狀態(tài)的宏觀物理量?；緺顟B(tài)參數(shù)：可以直接測(cè)量得到的狀態(tài)參數(shù)（p、v、T）。導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)：由基本狀態(tài)參數(shù)計(jì)算得到的狀態(tài)參數(shù)（u、h、s等）。狀態(tài)參數(shù)僅決定于狀態(tài)。對(duì)應(yīng)某一確定狀態(tài)，就有一組狀態(tài)參數(shù)。反之，一組確定的狀態(tài)參數(shù)就可以確定一個(gè)狀態(tài)。其數(shù)值僅決定于狀態(tài)，而與達(dá)到該狀態(tài)的途徑無(wú)關(guān)。因此，狀態(tài)參數(shù)的變化（以壓力p為例）可表示為：狀態(tài)參數(shù)的微增量具有全微分的性質(zhì)，即第一章基本概念及定義5

一、比體積v——單位質(zhì)量物質(zhì)占有的體積。描述系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)分布狀況的參數(shù)?；緺顟B(tài)參數(shù)：m3/kg

密度和比體積互為倒數(shù)，即kg/m3第一章基本概念及定義6二、壓力

絕對(duì)壓力p：流體的真實(shí)壓力。

相對(duì)壓力(表壓力pe、真空度pv)：壓力計(jì)(真空表)顯示的壓力。

(壓強(qiáng))p——流體在單位面積上的垂直作用力。描述流體物質(zhì)組成的熱力系統(tǒng)內(nèi)部力學(xué)狀況的參數(shù)。

壓力的單位：Pa，工程上常用MPa(1MPa＝106Pa)。其他還在應(yīng)用的壓力單位有bar

(巴)、atm

(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)、mmHg

(毫米汞柱，0℃)及mmH2O

(毫米水柱，4℃)等第一章基本概念及定義7三、溫度t＝T－273.15K

T——表征物體的冷熱程度，是描述系統(tǒng)熱狀況的參數(shù)。

按氣體分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)，氣體的溫度為氣體分子平均移動(dòng)動(dòng)能的量度。

熱力學(xué)溫標(biāo)的基本溫度為熱力學(xué)溫度T，采用水的固相、液相和汽相三相共存狀態(tài)的溫度作為定義熱力學(xué)溫標(biāo)的固定點(diǎn)，規(guī)定該點(diǎn)的熱力學(xué)溫度為273.16?K。熱力學(xué)溫度單位K為水的三相點(diǎn)溫度的1/273.16。

熱力學(xué)溫標(biāo)也用攝氏溫度t來(lái)表示。單位為℃(攝氏度)。攝氏溫度的定義為第一章基本概念及定義81-3平衡狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖平衡狀態(tài)：在沒(méi)有外界影響的條件下，熱力系統(tǒng)的宏觀狀況不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。平衡條件：熱平衡——系統(tǒng)內(nèi)具有均勻一致的溫度。力平衡——系統(tǒng)內(nèi)具有確定不變的壓力分布。化學(xué)平衡

系統(tǒng)狀態(tài)變化，取決于系統(tǒng)和外界間的能量傳遞。狀態(tài)公理表明，確定系統(tǒng)平衡狀態(tài)所需的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的數(shù)目等于系統(tǒng)和外界間進(jìn)行能量傳遞方式的數(shù)目。對(duì)于常見(jiàn)的氣態(tài)物質(zhì)組成的系統(tǒng)，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，它和外界間傳遞的能量只有熱量和系統(tǒng)容積變化功，因此只要有兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)即可確定系統(tǒng)的狀態(tài)。第一章基本概念及定義91-4狀態(tài)方程式

狀態(tài)方程式：三個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)(p、v、T)之間的函數(shù)關(guān)系，即：F(p，v，T)＝0顯函數(shù)形式：T＝f1(p，v)，p＝f2(v，T)，v＝f3(p，T)Rg＝R/M—?dú)怏w常數(shù)，M—摩爾質(zhì)量。

對(duì)n(mol)理想氣體：pV＝RT

對(duì)m(kg)理想氣體：pV＝RgT

理想氣體：相互之間沒(méi)有作用力的質(zhì)點(diǎn)組成的可壓縮流體。

理想氣體狀態(tài)方程式（克拉貝龍方程）：

對(duì)1mol理想氣體：pVm＝RT

R＝8.314510J/(mol·K)—摩爾氣體常數(shù)；Vm—摩爾容積，m3/mol。

對(duì)1kg理想氣體：pv＝Rg

T

第一章基本概念及定義101-5準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程

熱力過(guò)程——熱力學(xué)狀態(tài)連續(xù)變化的歷程。

非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程——由一系列不平衡狀態(tài)組成的過(guò)程。

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程——由一系列無(wú)限接近平衡狀態(tài)的準(zhǔn)靜態(tài)組成的過(guò)程。

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程進(jìn)行的條件：推動(dòng)過(guò)程進(jìn)行的作用無(wú)限小。第一章基本概念及定義11實(shí)際過(guò)程是否可以作為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程來(lái)處理取決于弛豫時(shí)間。弛豫時(shí)間：氣體平衡狀態(tài)被破壞后恢復(fù)平衡所需的時(shí)間。大部分實(shí)際過(guò)程可近似看做準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。因?yàn)闅怏w分子熱運(yùn)動(dòng)平均速度可達(dá)每秒數(shù)百米以上，氣體壓力傳播速度也達(dá)每秒數(shù)百米，因而在一般工程設(shè)備的有限空間內(nèi)，氣體的平衡狀態(tài)被破壞后恢復(fù)平衡所需的時(shí)間，即弛豫時(shí)間非常短。例如，內(nèi)燃機(jī)的活塞運(yùn)動(dòng)速度僅每秒十余米，與其中的氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速度相比相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，機(jī)器工作時(shí)氣體工質(zhì)內(nèi)部能及時(shí)地不斷建立平衡狀態(tài)，因而工質(zhì)的變化過(guò)程很接近準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程應(yīng)用的條件第一章基本概念及定義12可逆過(guò)程

——熱力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)熱力過(guò)程后，能沿原過(guò)程逆向進(jìn)行，使系統(tǒng)和有關(guān)的外界都返回原來(lái)的初始狀態(tài)，不留下任何變化的熱力過(guò)程。摩擦、渦流以及溫差傳熱等均為不可逆因素?？赡孢^(guò)程=無(wú)耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。第一章基本概念及定義131-6

可逆過(guò)程的功功的定義（力學(xué)）：W＝F

x

功的熱力學(xué)定義：熱力學(xué)系統(tǒng)和外界間通過(guò)邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。

功是過(guò)程量；功是傳遞的能量（瞬時(shí)量）。直接由系統(tǒng)容積變化與外界間發(fā)生作用而傳遞的功稱為容積變化功（膨脹功或壓縮功）。由氣缸和活塞所包圍的熱力系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)微元過(guò)程，如活塞所受推力F，位移dx,則系統(tǒng)對(duì)外界作的膨脹功為：第一章基本概念及定義14對(duì)可逆過(guò)程，F(xiàn)=pA,所以系統(tǒng)由狀態(tài)1到狀態(tài)2進(jìn)行一個(gè)可逆過(guò)程時(shí)，系統(tǒng)與外界的功量交換：?jiǎn)挝毁|(zhì)量氣體：以及功量在p-v圖上的表示：

功的符號(hào)：系統(tǒng)對(duì)外作功為正；外界對(duì)系統(tǒng)作功為負(fù)。第一章基本概念及定義151-7

熱量熱量的定義：熱力學(xué)系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而通過(guò)邊界傳遞的能量。熱量是過(guò)程量；熱量是傳遞的能量（瞬時(shí)量）。熱量是物體間通過(guò)紊亂的分子運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量；而功則是物體間通過(guò)有規(guī)則的微觀運(yùn)動(dòng)或宏觀運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量。

熱量符號(hào)：系統(tǒng)吸熱時(shí)熱量為正，系統(tǒng)放熱時(shí)熱量為負(fù)。

熱量與功量的類比：勢(shì)（勢(shì)參數(shù)）：推動(dòng)能量傳遞的作用力，如p,T。狀態(tài)坐標(biāo)：其變化可作為衡量某種能量傳遞作用的標(biāo)志，如v。第一章基本概念及定義16

功量：

勢(shì)：p

狀態(tài)坐標(biāo):V熱量

勢(shì)：T

狀態(tài)坐標(biāo):

？

取描述熱量傳遞的狀態(tài)坐標(biāo)為熵：S,單位為J/K。因此有對(duì)1kg工質(zhì)：和

，第一章基本概念及定義17比熱容及用比熱容計(jì)算熱量質(zhì)量熱容(比熱容)c——1kg物質(zhì)溫度升高1K(或1℃)所需的熱量，即

熱量是過(guò)程量。定容過(guò)程的比熱容稱為比定容熱容cV：和定壓過(guò)程的比熱容稱為比定壓熱容cp：和J/(kg·K)第一章基本概念及定義18摩爾熱容

——1mol物質(zhì)溫度升高1K(或1℃)所需要的熱量，用Cp,m及CV,m表示，單位為J/(mol·K)。

容積熱容——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1m3的氣體溫度升高1?K(或1?℃)所需要的熱量，用Cp及CV表示，單位為J/(m3·K)

。

三種熱容的關(guān)系：

Cp,m