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1、第1章 基本概念11 本章基本要求深刻理解热力系统、外界、热力平衡状态、准静态过程、可逆过程、热力循环的概念，掌握温度、压力、比容的物理意义，掌握状态参数的特点。12 本章难点1热力系统概念，它与环境的相互作用，三种分类方法及其特点，以及它们之间的相互关系。2引入准静态过程和可逆过程的必要性，以及它们在实际应用时的条件。3系统的选择取决于研究目的与任务，随边界而定，具有随意性。选取不当将不便于分析。 选定系统后需要精心确定系统与外界之间的各种相互作用以及系统本身能量的变化,否则很难获得正确的结论。4稳定状态与平衡状态的区分：稳定状态时状态参数虽然不随时间改变，但是靠外界影响来的。平衡状态是系统
2、不受外界影响时，参数不随时间变化的状态。二者既有所区别，又有联系。平衡必稳定,稳定未必平衡。5注意状态参数的特性及状态参数与过程参数的区别。13 例题例1：绝热刚性容器内的气体通过阀门向气缸充气。开始时气缸内没有气体,如图所示。气缸充气后,气体推动气缸内的活塞向上移动,如图所示。设管道阀门以及气缸均可认为是绝热的。若分别选取开口系统与闭口系统,试说明它们的边界应该如何划定?这些系统与外界交换的功量与热量又如何?解：(1)若以容器内原有的气体作为分析对象，属于闭口系统。容器放气前，边界如图中的虚线所示。放气后边界如图中的虚线所示。气体对活塞作的功W是闭口系统与外界交换的功量。气体通过活塞与外界交
3、换的热量Q是此闭口系统的传热量。图1.1 图 图1.3 图（2）若以容器放气后残留在容器内的气体作为分析对象，同样也是闭口系统。这时放气前的边界如图中的虚线所示。放气后的边界如图的虚线表示。残留气体对离开容器的那部分放逸气体所作的功，是本闭口系统与外界交换的功，残留气体与放逸气体之间交换的热量是本系统的传热量。（3） 类似地若以放逸气体为分析对象，同样也是闭口系统。其边界将如图和图中的点划线所示。此闭口系统与外界交换的功量除了与残留气体之间的功量(大小与第二种情况的相同，方向相反)外，还应包括对活塞所作的功。同样，除了与残留气体之间的传热量(大小与第二种情况的相同，方向相反)外，还应包括通过活
4、塞与外界交换的热量。（4）若以容器或气缸为分析对象，则均属开口系统，容器的壁面或气缸与活塞的壁面为其边界。前者以对放逸气体作出的流动功与传热量为系统与外界交换的功量与热量，后者以对活塞及管道内气体的功量与热量为系统与外界交换的功量与热量。例2：温度为100的热源，非常缓慢地把热量加给处于平衡状态下的0的冰水混合物，试问：1、冰水混合物经历的是准静态过程吗？2、加热过程是否可逆？解：此热力过程为准静态过程，因为此热力过程的弛豫时间很短，热源非常缓慢地把热量加给冰水混合物，则冰水混合物重建热力平衡的时间远远小于传热过程对冰水混合物平衡状态的破坏，所以可以近似地把此热力过程看作是准静态过程。分析此热
5、力过程，取为系统的冰水混合物和作为外界的热源之间存在有温差，100的高质能通过传热过程转换为0的低质能，有能量的耗散，所以此热力过程不能被假设为可逆过程。例3:表压力或真空度为什么不能当作工质的压力？工质的压力不变化，测量它的压力表或真空表的读数是否会变化？解：作为工质状态参数的压力是绝对压力，测得的表压力或真空度都是工质的绝对压力与大气压力的相对值，因此不能作为工质的压力；因为测得的是工质绝对压力与大气压力的相对值，即使工质的压力不变，当大气压力改变时也会引起压力表或真空表读数的变化。图汽水例4：一刚性绝热容器内充有水和水蒸气混合物，它们的温度与压力分别相等，不随时间变化。试问汽水混合物是否
6、已处于平衡态？汽水混合物的各种参数量是否到处均匀？解：如图1.5所示的刚性绝热容器内，水和水蒸气的压力相同，温度相等，均不随时间变化，而且不受外界的影响，因此该汽水混合物已处于平衡态。处于平衡态的汽水的混合物中，汽相与液相的密度显然不同。因此即使处于平衡态的系统内部，各种参数并不一定均匀。说明：系统内部各种参数均匀的必定平衡；反之平衡时未必各种参数都是均匀，即均匀必平衡，平衡未必均匀。1.4 思考及练习题1名词解释闭口系统、开口系统、绝热系统、孤立系统、热力平衡状态、准静态过程、可逆过程、热力循环2判断下列过程是否为可逆过程：1)对刚性容器内的水加热使其在恒温下蒸发。2)对刚性容器内的水作功使
7、其在恒温下蒸发。3)对刚性容器中的空气缓慢加热使其从50升温到1004)定质量的空气在无摩擦、不导热的气缸和活塞中被慢慢压缩5)100的蒸汽流与25的水流绝热混合。6)锅炉中的水蒸汽定压发生过程（温度、压力保持不变）。7)高压气体突然膨胀至低压。8)摩托车发动机气缸中的热燃气随活塞迅速移动而膨胀。9)气缸中充有水，水上面有无摩擦的活塞，缓慢地对水加热使之蒸发。3试判断下列叙述是否正确,说明理由。1)平衡态是系统的热力状态参数不随时间变化的状态。2)不可逆的热力过程是指工质逆过程无法恢复到初始状态的过程。3)由于准静态过程都是微小偏离平衡态的过程，故从本质上说属于可逆过程。4)工质发生热量交换,
8、状态参数中只有一个参数必然要发生变化,这个参数就是温度。5)任何可逆过程都是准静态过程。6)封闭系统是指系统内的工质不发生宏观位移的那些系统。4有人说，不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程。这种说法对吗？5铁棒一端浸入冰水混合物中，另一端浸入沸水中，经过一段时间，铁棒各点温度保持恒定，试问，铁棒是否处于平衡状态？6知道两个参数就可以确定气体的状态，从而可决定其它参数，例如，已知压力和比容就可确定内能和焓，但理想气体的内能和焓只决定于温度，与压力、比容无关，前后是否矛盾，如何理解？7表述状态参数的特性。8某容器中气体压力估计在3MPa左右，现只有两只最大刻度为2MPa的压力表。试问，能否用来测定
9、容器中气体的压力？容 器图9容器自压缩空气总管充气（如图），若要分析充气前后容器中气体状态的变化情况，首先要选取系统。（a）按开口系统考虑如何选取系统？（b）按闭口系统考虑如何选取系统？（c）什么情况下可抽象为绝热充气过程？（d）能否抽象为孤立系统？10平衡状态有什么特征？平衡状态是否是均匀状态？11平衡态与稳态（稳态即系统内各点的状态参数均不随时间而变）有何异同？热力学中讨论平衡态有什么意义？12外界条件变化时系统有无达到平衡的可能？在外界条件不变时，系统是否一定处于平衡态？第2章 理想气体的性质2.1 本章基本要求熟练掌握理想气体状态方程的各种表述形式，并能熟练应用理想气体状态方程及理想气
10、体定值比热进行各种热力计算。并掌握理想气体平均比热的概念和计算方法。理解混合气体性质，掌握混合气体分压力、分容积的概念。2.2 本章难点1运用理想气体状态方程确定气体的数量和体积等，需特别注意有关物理量的含义及单位的选取。2考虑比热随温度变化后，产生了多种计算理想气体热力参数变化量的方法，要熟练地掌握和运用这些方法，必须多加练习才能达到目的。3在非定值比热情况下,理想气体内能、焓变化量的计算方法，理想混合气体的分量表示法，理想混合气体相对分子质量和气体常数的计算。2.3 例 题例1：一氧气瓶内装有氧气，瓶上装有压力表，若氧气瓶内的容积为已知，能否算出氧气的质量。解：能算出氧气的质量。因为氧气是
11、理想气体，满足理想气体状态方程式。根据瓶上压力表的读数和当地大气压力，可算出氧气的绝对压力P，氧气瓶的温度即为大气的温度；氧气的气体常数为已知；所以根据理想气体状态方程式，即可求得氧气瓶内氧气的质量。例2：夏天，自行车在被晒得很热的马路上行驶时，为何容易引起轮胎爆破？解：夏天自行车在被晒得很热的马路上行驶时，轮胎内的气体（空气）被加热，温度升高，而轮胎的体积几乎不变，所以气体容积保持不变，轮胎内气体的质量为定值，其可视为理想气体，根据理想气体状态方程式可知，轮胎内气体的压力升高，即气体作用在轮胎上的力增加，故轮胎就容易爆破。例3：容器内盛有一定量的理想气体，如果将气体放出一部分后达到了新的平衡
12、状态，问放气前、后两个平衡状态之间参数能否按状态方程表示为下列形式：（a） （b）解：放气前、后两个平衡状态之间参数能按方程式（a）形式描述，不能用方程式（b）描述，因为容器中所盛有一定量的理想气体当将气体放出一部分后，其前、后质量发生了变化，根据，而可证。请思考一下（a）、（b）两式各在什么条件下可使用。例4气瓶的体积为5L，内有压力为101325Pa的氧气，现用抽气体积为的抽气筒进行抽气。由于抽气过程十分缓慢，可认为气体温度始终不变。为了使其压力减少一半,甲认为要抽25次,他的理由是抽25次后可抽走25=氧气，容器内还剩下一半的氧气,因而压力就可减少一半;但乙认为要抽50次，抽走500.l
13、L=氧气，相当于使其体积增大一倍，压力就可减少一半。你认为谁对? 为什么? 到底应该抽多少次?解：甲与乙的看法都是错误的。甲把氧气的体积误解成质量,导出了错误的结论,在题设条件下，如果瓶内氧气质量减少了一半，压力确实能相应地减半。但是抽出氧气的体积与抽气时的压力、温度有关,并不直接反映质量的大小。因此,氧气体积减半，并不意味着质量减半。乙的错误在于把抽气过程按定质量系统经历定温过程进行处理。于是他认为体积增大一倍，压力就减半。显然在抽气过程中，瓶内的氧气是一种变质量的系统,即使把瓶内的氧气与被抽走的氧气取为一个联合系统，联合系统内总质量虽然不变，但瓶内氧气的参数与被抽放的氧气的参数并不相同，也
14、同样无法按定质量的均匀系统进行处理。至于如何求解,请读者自行考虑。例5：体积为V的真空罐出现微小漏气。设漏气前罐内压力p为零，而漏入空气的流率与（p0p）成正比，比例常数为，p0为大气压力。由于漏气过程十分缓慢，可以认为罐内、外温度始终保持T0不变，试推导罐内压力p的表达式。解：本例与上例相反，对于罐子这个系统，是个缓慢的充气问题，周围空气漏入系统的微量空气d就等于系统内空气的微增量dm。由题设条件已知，漏入空气的流率（p0p），于是： （1）另一方面，罐内空气的压力变化（dp）与空气量的变化（dm）也有一定的关系。由罐内的状态方程pV=mT出发，经微分得Vdp+pdV=mdT+Tdm所以，pV=mT后改写成按题设计条件dV=0，dT=0，于是 （2）此式说明罐同空气质量的相对变化与压力的相对变化成正比。综合式（1）与（2），得或 由漏气前（p=0）积分到某一瞬间（罐内压力为p），得或 N21002bar1m3CO2202bar1m3例6：绝热刚性容器被分隔成两相等的容积，各为1m3（见图2.1），一侧盛有100，2bar的N2，一侧盛有20，1bar的CO2，抽出隔板，两气混合成均匀混合气体。求：（1）混合后，混合的温度T；（1）混合后，混合的压力p；（3）混合过程中总熵的变化量。解：（1）求混气温度T
