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1、第一章 基本概念,Basic Concepts,1-1 热力系统,热力系统(热力系、系统)：人为地 研究对象,1、系统的定义,Thermodynamic system,system,A quantity of matter or a region in space chosen for study,1-1 热力系统,外界：系统以外的所有物质,2、系统、外界与边界,边界(界面)：系统与外界的分界面,系统与外界的作用都通过边界,surroundings,boundary,热力系统选取的人为性,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,只交换功,只交换热,既交换功 也交换热,边界特性,真实、虚
2、构,固定、活动,fixed 、 movable,real 、,imaginary,热力系统分类,以系统与外界关系划分：,有 无 是否传质 开口系 闭口系,是否传热 非绝热系 绝热系,是否传功 非绝功系 绝功系,是否传热、功、质 非孤立系 孤立系,Types of System,开口系,绝热系,孤立系,Isolated system,闭口系,Adiabatic system,1 开口系,1-1 热力系统,非孤立系相关外界 孤立系,1+2 闭口系,1+2+3 绝热闭口系,1+2+3+4 孤立系,热力系统其它分类方式,其它分类方式,物理化学性质,均匀系 非均匀系,工质种类,多元系,单元系,相态,多相
3、,单相,简单可压缩系统,最重要的系统,只交换热量和一种准静态的容积变化功,容积变化功,压缩功膨胀功,Simple compressible system,Moving Boundary Work,Compression Work,Expansion Work,1-2 状态和状态参数,状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况,状态参数：描述热力系状态的物理量,状态参数的特征：,1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然,2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关,3、状态参数的微分特征：全微分,State and state properties,状态参数的积分特征,状态参数
4、变化量与路径无关，只与初终态有关。,数学上：,点函数、态函数,1,2,a,b,例：温度变化,山高度变化,point function,状态参数的微分特征,设 z =z (x , y),dz是全微分,充要条件：,可判断是否是状态参数,Total differentials,强度参数与广延参数,强度参数：与物质的量无关的参数 如压力 p、温度T,广延参数：与物质的量有关的参数可加性 如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S,比参数：,比容,比内能,比焓,比熵,单位：/kg /kmol 具有强度参数的性质,Intensive properties,Extensive properties,强度参
5、数与广延参数,速度,动能,高度,位能,内能,温度,应力,摩尔数,（强）,（强）,（强）,（强）,（广）,（广）,（广）,（广）,Velocity,Kinetic Energy,Height,Potential Energy,Temperature,Internal Energy,Stress,Mol,1-3 基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）,1、压力 p ( pressure ) 物理中压强，单位: Pa (Pascal), N/m2,常用单位Units： 1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 m
6、mHg = 1.013105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa,Basic state properties,压力p测量,示意图,绝对压力与环境压力的相对值 相对压力,U-tube manometer,Bourdon Tube,绝对压力与相对压力,示意图,当 p pb,表压力 pe,当 p pb,真空度 pv,pb,pe,p,pv,p,relative pressure,absolute pressure,Gage pressure,Vacuum pressure,Other Pressure Measurement D
7、evices,高精度测量：活塞压力计 piston manometer,工业或一般科研测量：压力传感器 Pressure transducers Piezoelectric effect,如图，已知大气压 pb=101 325 Pa，U型管内 汞柱高度差H = 300 mm，气体表B读数为0.254 3 MPa，求：A室压力pA及气压表A的读数peA,A4001441,解：,返回,1-3 基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）,2、温度 T ( Temperature ),Basic state properties,温度T 的一般定义,传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容
8、量,微观：衡量分子平均动能的量度 T 0.5 m w 2,温度的热力学定义,热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931） 如果两个系统分别与第三个系统处于 热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。,温度测量的理论基础 B 温度计,为什么叫做热力学第零定律,热力学第零定律 1931年 T 热力学第一定律 18401850年 E 热力学第二定律 18541855年 S 热力学第三定律 1906年 S基准,温度的热力学定义,处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量 温度。,温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量,Temperatur
9、e measurement,温度计,物质 （水银，铂电阻）,特性 （体积膨胀，阻值）,基准点,刻度 Scale,温标 Temperature scale,Reference state,温标Temperature scale, 热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907）, 摄氏温标Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744）, 华氏温标Fahrenheit scale (German, G. Fahrenheit, 1686-1736), 朗肯温标Rankine scale
10、(W. Rankine, 1820-1872),常用温标之间的关系,绝对K,摄氏,华氏F,朗肯R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,0,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,559.67,温标的换算,Temperature Measurement Devices,水银温度计thermometer ，酒精温度计， 热电偶 Thermocouple 热电阻 Resistance temperature detector 辐射温度计Radia
11、tion thermometer 铂电阻温度计 Platinum 激光全息干涉仪 CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法,1-3 基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）,3、比容 v ( specific volume ),Basic state properties,m3/kg,工质聚集的疏密程度,物理上常用密度density ,kg/m3,1-4 平衡状态Equilibrium state,1、定义： 在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。,A system in equilibrium experiences no c
12、hanges when it is isolated from it surroundings.,Many types of Equilibrium,1、热平衡Thermal equilibrium : if the temperature is the same throughout the entire,温差 Temperature differential,热不平衡势Unbalanced potentials,Many types of Equilibrium,2、力平衡Mechanical equilibrium : if there is no change in pressure
13、at any point of the system with time The variation of pressure as a result of gravity in most thermodynamic system is relatively small and usually disregarded,压差 Pressure differential,力不平衡势Unbalanced potentials,Many types of Equilibrium,3、相平衡Phase equilibrium : when the mass of each phase reaches an
14、 equilibrium level and stays there,4、化学平衡Chemical equilibrium : if its chemical composition does not change with time. That is, no chemical reactions occur.,1-4 平衡状态Equilibrium state,温差 热不平衡势 压差 力不平衡势 相变 相不平衡势 化学反应 化学不平衡势,平衡的本质：不存在不平衡势,In an equilibrium state there are no unbalanced potentials,平衡Equ
15、ilibrium与稳定Steady,稳定：参数不随时间变化,稳定但存在不平衡势差,去掉外界影响， 则状态变化,若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,平衡Equilibrium与均匀Even,平衡：时间上 均匀：空间上,平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的,为什么引入平衡概念？,如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述,但平衡状态是死态，没有能量交换,能量交换,状态变化,破坏平衡,如何描述,1-5 状态方程、坐标图,平衡状态可用一组状态参数描述其状态,状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数 N=n+1,想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？,状态公理State postulate,闭口系：,而不平衡势差彼此独立, 独立参数数目N=不平衡势差数 =能量转换方式的数目 =各种功的方式+热量= n+1,n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等,简单可压缩系统的独立变量数,简单可压缩系统：N = n + 1 =,绝热简单可压缩系统 N = ?,2,只交换热量和一种准静态的容积变化功,The state of a simple compressible system is completely specified by tw
