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1、基本概念 讲课：李桂 2013、12、11,热力学基础,热力学基础,热力学的研究对象和研究方法,一.热学的研究对象,物体与温度有关的物理性质及状态的变化,热现象,热 学,研究热现象的理论,热力学,从能量转换的观点研究物质的热学性质和其宏观规律,二. 热学的研究方法,宏观量,微观量,描述宏观物体特性的物理量；如温度、压强、体积、热容量、密度、熵等。,描述微观粒子特征的物理量；如质量、速度、能量、动量等。,热力学基础,系统和外界,热力学系统,热力学所研究的具体对象，简称系统。,系统是由大量分子组成，如气缸中的气体。,外界,系统以外的物体,系统与外界可以有相互作用,例如：热传递、质量交换等,系统,热
2、力学基础,系统的分类,一、开放系统,系统与外界之间，既有物质交换，又有能量交换。,二、封闭系统,系统与外界之间，没有物质交换，只有能量交换。,三、孤立系统,系统与外界之间，既无物质交换，又无能量交换。,热力学基础,几个重要的概念与参数 热力学状态或简称状态，即是在某一指定的瞬间，热力 学体系所处的宏观物理状态，或者是热力学体系所具有的物 理特性的总标志。如果不是研究热力学体系内的每一个分子 的状态，而是把体系内大量的气体分子看作一个整体，则可 用温度、压力等物理量来描述该体系的状态。像温度、压力 等物理量，就叫做状态参数。,工质：我们把实现热能与机械能转化的媒介物质叫工质，如空气、燃气、水蒸汽
3、等。 热源：把工质从中吸取热能的物体或装置叫热源，热源又分为高温热源和低温热源。 热动装置：工质从高温热源吸取热能，将其中一部分转化为机械能而做功，并把余下的部分传给低温热源的装置叫热动装置。 标准状态：指一个物理大气压、温度为0时的状态，叫作标准状态。,热力学基础,状态参数：用来描述工质所处状态的宏观物理量，叫做状态参数。热力状态参数共有六个：温度(t)、压力(p)、比容()、内能(u)、焓(h)、熵(s) 分别介绍如下,热力学基础,热力学基础,一、比容、密度和重度 单位质量的物质所占有的体积，叫做比容，以符号v表示, 若质量为m的物质占有的体积为 V,则其比容为 v=V/m 体积的单位是立
4、方米( m3)，质量的单位是千克(kg )，因 此比容的单位是立方米每千克(m3/kg)。 单位体积内含有物质的质量，叫做密度，以符号 示。 若质量为 m(kg )的物质占有的体积为V(m3/kg) ，则其密度 为 =m/v, 显然，它的单位是千克每立方米(kg/m3)。,热力学基础,根据比容及密度的定义式，可知比容和密度互为倒数，即 v=1/ ，由于密度的大小说明物质分子的密集和松散程度， 因此比容也是说明气体分子的疏密程度。 单位体积内含有物质的重量，叫做重度，以符号 r表示。 质量为 m的物质其重量为 mg，若其占有的体积为V ，则其重 度 为 r =mg/V，显然，重度的单位为牛顿每立
5、方( N/ m3)。 r与 的关系式r =g,热力学基础,二、压力或压强 垂直作用在单位面积上的力，叫做压力或压强，以符号P 表示。气体的压力乃是气体分子作无规则运动时频繁地撞击 容器内壁的平均总结果。 若气体作用于器壁面积A上的垂直作用力为F，则该壁面 上的压力为P=F/A,压力的单位是牛顿每平方米(N/m2 )，国际 计量大会上把这个压力单位定名为帕斯卡，简称帕，以符号 Pa表示，即1Pa=1N/m2 ，采用帕(Pa)作为压力的单位，在工程 实用上显得太小，而数值太大，所以实际上采用千帕(KPa )或 兆帕( MPa)作为压力的实用单位，它们与帕(Pa)的关系为,热力学基础,1 KPa=
6、103 Pa, 1 MPa= 106Pa,此外，暂时与国际单位制压力单 位并用的压力单位还有：巴(bar)， 1bar=105Pa=0.1 MPa。 液柱高度 压力的大小有时用汞柱或水柱的高度表示。 设液注的截面积为A，高度为Z，液体的密度为，则作用于 底面积A上的总作用力F应为该液柱的重量，即 F=ZAg,而P=F/A=Zg，由于液体的密度 为定值，所 以液柱的高度与压力成正比，因此用液柱的高度就可以代表 压力的大小。 物理大气压或标准大气压 它是在纬度为45，大气温度为0的海平面上的大气 常年平均压力，通过气压计测定1个物理大气压为760毫米汞 柱高，即,热力学基础,1atm=760mmH
7、g，若把物理大气压换算成SI制中常用的单位， 即 1atm=760133.32=101325N/m2 =1.01325bar 工程大气压或大气压 工程制中力的单位为千克，面积的单位为平方米，于 是压力的单位是千克每平方米(kg/m2 )。在工程实用上这个单 位亦显得太小，所以取千克每平方厘米（kg/cm2 ）作为实际 应用的单位，即1kg/cm2 =104kg/m2 工程制中的压力单位kg/cm2 ，与物理大气压很接近， 所以把它 又叫做工程大气压或简称为大气压，以符号at表示， 如不特别说明是物理大气压，一般都是指工程大气压。它们,热力学基础,之间的换算关系如下：,热力学基础,在热力学中描写
8、气体的状态时，压力应是气体的真实 压力或绝对压力；它的数值不能用测量仪表直接测得，而是 根据力学平衡的概念利用气压计与压力表或U形管两者综合 求得。如果气体的绝对压力 Pabs 高于大气压力，则 Pabs=B+Pga 式中 B气压计测出的当地大气压力； Pga 用液柱测出或用弹簧管式的压力表测出，它是容 器内的气体压力高于当地大气压力的数值，所以叫做表压力 或超出压力，则Pga=Zr，如果气体的绝对压力P低于大气压 力，则Pga=BPva,热力学基础,式中 B气压计测出的当地大气压力； Pva用液柱或仪表测出的气体压力；,热力学基础,Pva是容器内的压力低于当地大气压力的数值，其值越 大，则气
9、体的绝对压力越小，亦即越接近真空，所以叫 Pva 为真空度，测定真空度的仪表叫做真空表。 三、温度 热力学第零定律 温度表示物质冷热的程度。两个温度不同的物体相接触, 高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，两者之间有热 的传递，经过一段时间后，两者的温度相等，它们之间没有 热量的传递，达到一个共同的热平衡状态。温度概念的建立 以及温度的测定都是以热平衡为依据的。由经验可知，若某 物体（例如温度计）分别与其它两个物体处于热平衡时（或 温度相等时），则这两个物体彼此也处于热平衡，即它们的,热力学基础,温度也必定相等这就是热力学第零定律。 温度的数值表示法叫做温标。过去老的摄氏温标规定在 一个物理
10、大气压纯水结冰的温度为0，沸腾的温度为100, 其间的温度数值是按温度与物质物理量的线性函数确定的。 由于温度计中所选的测温物质不同，作为温度标志的物理量 不同，所定的温标除在冰点与沸点相同外，其它温度往往有 较小的差别。为了避免这些差异提高温度测量的精确度， 1960年第十一次国际计量大会上通过的热力学温标又名绝对 温标或开尔文温标，它完全不依赖于任何测温物质的性质。 这种热力学温标用符号T表示；其单位为开尔文或简称为开，,热力学基础,用符号K表示。热力学温标是取水的三相点的 温度作为单一固定点，并规定水的三相点温 度为273.16K，而热力学温度单位开尔文为水 的三相点温度的1/273.1
11、6。所谓水三相点温度 是指水的固、液、气三态共存，并处于平衡 状态时的温度。水的三相点温度比水的冰点 温度高0.01K，所以水的冰点温度在热力学温,标中为273.15K。在摄氏温标中，水的冰点温 度为0，而摄氏温标用符号t表示，采取热力 学温标相同的间隔，因此，热力学温标和摄 氏温标具有如下关系：,热力学基础,选取水的三相点作为参考点比选水的冰点 作为参考点的好处有二：一是实验装置中三 相点的温度比较容易稳定，可长期维持在万 分之一度内不变；二是三相点不牵涉到外界 条件，如大气压等。,热力学基础,现在对1摩尔作一补充说明，摩尔是物质 的量的单位。热力学中把气体中所包含的分 子数与0.012kg
12、碳12的原子数目相等时气体的 量，叫做1摩尔。当物质的克数等于该物质的 分子量时，就叫做1摩尔。例如，氧气的分子 量是32，那么32g的氧气便是1 mol的氧，64g的氧气便是2mol的氧。,热力学基础,lmol气体所占的体积，叫做1摩尔体积。 标准状态下，1mol气体占有的体积叫做 标准摩尔体积。,热力学基础,热力学基础,四、 比热（c）：单位物质温度每升高1或降低1，所吸收或放出的热量（kJ/Kg)，尽管比热不是状态参数，但它是一个极其重要性的热力学指标。 五、焓（h）：单位工质内能与推动功之和，即单位工质移动时所传输的能量。 h=u+pv,热力学基础,六、功：是能量传递和转化的量度；是过
13、程量。过程量 七、热量：是传热过程中所传递能量的多少的量度； 八、 内能（u）：物质因热运动而具有的能量叫内热量，即内能。意味着储存于物体内部的能量，内能的多少取决于物质内部微观物热运动的状态. 九、熵（S）：工质在某一温度（T）点上，吸收或放出的热量微分与该温度的比值:,热力学基础,十、其它相关名词 动力机：汽轮机，燃气轮机等，工质流经机器，压力下降对机器做功，单位工质所做的功： 压缩机：工质流经机器，压力上升机器对工质做功，单位工质所需做功wc,热力学基础,换热器：工质流经机器，有能量交换而无功的作用，单位工质吸热量： q=h2-h1 管状物：工质流经喷管，扩压管等管状物时，不做功，单位工
14、质动能的增量为：,热力学基础,节流：工质流经节流孔时，在1-1，2-2两断面处，单位工质能量的变化为： h1=h2 涡轮机：工质流经涡轮机叶轮上的动叶栅，推动叶轮做功：,热力学第一定律 能量守恒与转换定律是人类在长期的生产斗争和科学实验的基础上建立起来的。它是自然界中一个最普遍、最基本的定律，适用自然界的一切现象和一切过程。例如热能、机械能、化学能、生物能、电磁能以及原子和原子核内部的变化过程。这个定律可以这样叙述，在自然界中，一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，既不能消灭，也不能创造，但能够从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中，能量的总和保持不变。,热力学基础,热力学基础,谢谢大家,热力学基础,热力学基础,
