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1、第一章 基本概念及定义1 第一章 基本概念及定义 1-1 热力学系统 1-2 热力学系统的状态及基本状态参数 1-3 平衡状态和状态参数坐标图 1-4 状态方程式 1-5 准静态过程和可逆过程 1-6 可逆过程的功 1-7 热量 1-8 热力循环 Date 第一章 基本概念及定义2 1-1 热力学系统 热力学系统（热力系统、热力系、系统）人为选定的某些 确定的物质或某个确定空间中的物质 。 外界系统之外与系统能量转换过程有关的一切其他物质。 边界分割系统与外界的界面。 在边界上可以判断系统与外界间所传递的能量和质量的形式和 数量。边界可以是实际的、假想的、固定的或活动的。 Date 第一章 基
2、本概念及定义3 闭口系统与外界无质量交换的系统（控制质量）。 开口系统与外界有质量交换的系统（控制容积、控制体） 。 绝热系统与外界无热量交换的系统。 孤立系统与外界既无能量（功量、热量）交换，又无质量 交换的系统。 热源具有无限热量储存能力的假想热力系统，其作用只 是与其他系统交换热量。一般情况下，交换热量后其温度不发生变 化。 高温热源：向其他系统供热的热源； 低温热源：吸收其他系统放出热量的热源。 系统的选取，取决于分析问题的需要及分析方法上的方便。 系统的分类： Date 第一章 基本概念及定义4 1-2 热力学系统的状态及基本状态参数 热力学状态：热力学系统所处的宏观状况。 状态参数
3、：描述系统热力学状态的宏观物理量。 基本状态参数：可以直接测量得到的状态参数（p、v、T）。 导出状态参数：由基本状态参数计算得到的状态参数（u、h、 s等）。 状态参数仅决定于状态。对应某一确定状态，就有一组状态参 数。反之，一组确定的状态参数就可以确定一个状态。其数值仅决 定于状态，而与达到该状态的途径无关。因此，状态参数的变化（ 以压力p为例）可表示为： 状态参数的微增量具有全微分的性质，即 Date 第一章 基本概念及定义5 一、比体积v 单位质量物质占有的体积。描述系统内部物 质分布状况的参数。 基本状态参数： m3/kg 密度和比体积互为倒数，即 kg/m3 Date 第一章 基本
4、概念及定义6 二、压力 绝对压力p：流体的真实压力。 相对压力(表压力pe、真空度pv)：压力计(真空表)显示的压力。 (压强)p流体在单位面积上的垂直作用力 。描述 流体物质组成的热力系统内部力学状况的参数。 压力的单位：Pa，工程上常用MPa(1 MPa106 Pa)。其他还在 应用的压力单位有bar (巴)、 atm (标准大气压)、 mmHg (毫米汞柱 ，0)及mmH2O (毫米水柱，4)等 Date 第一章 基本概念及定义7 三、温度 t T273.15 K T表征物体的冷热程度 ，是描述系统热状况的 参数 。 按气体分子运动学说，气体的温度为气体分子平均移动动能的 量度。 热力学
5、温标的基本温度为热力学温度T，采用水的固相、液相 和汽相三相共存状态的温度作为定义热力学温标的固定点，规定该 点的热力学温度为273.16 K。热力学温度单位K为水的三相点温度 的1/273.16。 热热力学温标标也用摄摄氏温度t来表示。单单位为为(摄摄氏度)。摄摄氏 温度的定义为义为 Date 第一章 基本概念及定义8 1-3 平衡状态和状态参数坐标图 平衡状态：在没有外界影响的条件下，热力系统的宏观状况不 随时间变化的状态。 平衡条件： 热平衡系统内具有均匀一致的温度。 力平衡系统内具有确定不变的压力分布 。 化学平衡 系统状态变化，取决于系统和外界间的能量传递。状态公理表 明，确定系统平
6、衡状态所需的独立状态参 数的数目等于系统和外界间进行能量传递 方式的数目。对于常见的气态物质组成的 系统，没有化学反应时，它和外界间传递 的能量只有热量和系统容积变化功，因此 只要有两个独立的状态参数即可确定系统 的状态。 Date 第一章 基本概念及定义9 1-4 状态方程式 状态方程式：三个基本状态参数(p、v、T)之间的函数关系，即 ： F(p，v，T)0 显函数形式：Tf1(p，v)，pf2(v，T)，vf3(p，T) RgR/M气体常数 ，M摩尔质量 。 对n (mol)理想气体： pVRT 对m (kg)理想气体： pVRgT 理想气体：相互之间没有作用力的质点组成的可压缩流体。
7、理想气体状态方程式（克拉贝龙方程）： 对1mol理想气体： pVmRT R8.314 510 J/(molK) 摩尔气体常数；Vm摩尔容积，m3/mol 。 对1kg理想气体： pvRg T Date 第一章 基本概念及定义10 1-5 准静态过程和可逆过程 热力过程热力学状态连续变化的历程。 非准静态过程由一系列不平衡状态组成的过程。 准静态过程由一系列无限接近平衡状态的准静态组成的过 程。 准静态过程进行的条件：推动过程进行的作用 无限小。 Date 第一章 基本概念及定义11 实际过程是否可以作为准静态过程来处理取决于弛豫时间。 弛豫时间：气体平衡状态被破坏后恢复平衡所需的时间。 大部分
8、实际过程可近似看做准静态过程。因为气体分子热运动 平均速度可达每秒数百米以上，气体压力传播速度也达每秒数百米 ，因而在一般工程设备的有限空间内，气体的平衡状态被破坏后恢 复平衡所需的时间，即弛豫时间非常短。 例如，内燃机的活塞运动速度仅每秒十余米，与其中的气体分 子热运动的平均速度相比相差一个数量级，机器工作时气体工质内 部能及时地不断建立平衡状态，因而工质的变化过程很接近准静态 过程。 准静态过程应用的条件 Date 第一章 基本概念及定义12 可逆过程 热力学系统进行一个热力过程后，能沿原过程逆 向进行，使系统和有关的外界都返回原来的初始状态，不留下任何 变化的热力过程。 摩擦、涡流以及温
9、差传热等均为不可逆因素。 可逆过程=无耗散的准静态过程。 Date 第一章 基本概念及定义13 1-6 可逆过程的功 功的定义（力学）：WF x 功的热力学定义：热力学系统和外界间通过边界而传递的能量 ，且其全部效果可表现为举起重物。 功是过程量；功是传递的能量（瞬时量）。 直接由系统容积变化与外界间发生作用而 传递的功称为容积变化功（膨胀功或压缩功） 。 由气缸和活塞所包围的热力系统进行一个 微元过程，如活塞所受推力F，位移dx,则系 统对外界作的膨胀功为： Date 第一章 基本概念及定义14 对可逆过程，F=pA,所以 系统由状态1到状态2进行一个可逆过程时，系统与外界的功量 交换： 单
10、位质量气体： 以及 功量在p-v图上的表示： 功的符号：系统对外作功为正；外界对系统作功为负。 Date 第一章 基本概念及定义15 1-7 热量 热量的定义：热力学系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过 边界传递的能量。 热量是过程量；热量是传递的能量（瞬时量）。 热量是物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的能量 ；而功则是物体间通过有规则的微观运动或宏观运动发生相互作用 而传递的能量。 热量符号：系统吸热时热量为正，系统放热时热量为负。 热量与功量的类比： 势（势参数）：推动能量传递的作用力，如p, T。 状态坐标：其变化可作为衡量某种能量传递作用的标志，如v 。 Date 第一章 基
11、本概念及定义16 功量： 势：p 状态坐标:V 热量 势：T 状态坐标: ？ 取描述热量传递的状态坐标为熵：S,单位为J/K。 因此有 对1kg工质：和 ， Date 第一章 基本概念及定义17 比热容及用比热容计算热量 质量热容(比热容)c 1kg物质温度升高1K(或1)所需的热 量，即 热量是过程量。定容过程的比热容称为比定容热容cV： 和 定压过程的比热容称为比定压热容cp： 和 J/(kgK) Date 第一章 基本概念及定义18 摩尔热容 1 mol物质温度升高1 K(或1 )所需要的热量，用 Cp,m及CV,m表示 ，单位为J/(molK)。 容积热积热 容标标准状态态下1 m3的气体温度升高1 K(或1 )所需 要的热热量，用Cp及CV表示 ，单单位为为J/(m3K) 。 三种热容的关系： Cp,m=(22.410-3 m3/mol)Cp=Mcp 热量的计算： Date 第一章 基本概念及定义19 1-8 热力循环 热力循环（循环）封闭的热力过程。系统由初始状态出发 ，经过一系列中间状态回到初始状态的热力过程。 循环净功量： 循环净热量： 正循环顺时针进行的循 环，热机循环。 逆循环逆时针进行的循 环，制冷(热泵)循环。 Date
