1、第一章 基本概念及定義11-1 熱力學系統熱力學系統1-2 熱力學系統的狀態及基本狀態參數熱力學系統的狀態及基本狀態參數1-3 平衡狀態和狀態參數坐標圖平衡狀態和狀態參數坐標圖1-4 狀態方程式狀態方程式1-5 準靜態過程和可逆過程準靜態過程和可逆過程1-6 可逆過程的功可逆過程的功1-7 熱量熱量1-8 熱力循環熱力循環本章小結及作業本章小結及作業第一章 基本概念及定義2外界：系統之外一切其他物質。外界：系統之外一切其他物質。邊境：分割系統與外界的界面。邊境：分割系統與外界的界面。 一、熱力學系統概念一、熱力學系統概念熱力學系統系統，熱力學系統系統，system）：）： 被事先選作研究對象的

2、某些確定的物被事先選作研究對象的某些確定的物質或某個確定空間中的物質質或某個確定空間中的物質 。即系統、外界、邊界構成了熱力學模型所必不可少的三個基本組成部分。即系統、外界、邊界構成了熱力學模型所必不可少的三個基本組成部分。 邊界把系統與外界完全分隔開來，一定是完全封閉的。邊界把系統與外界完全分隔開來，一定是完全封閉的。 系統選取是人為的，可依據解決問題的方便、思維方式因人而異，系統選取是人為的，可依據解決問題的方便、思維方式因人而異， 一般選固定的物質或固定空間中的物質為系統。一般選固定的物質或固定空間中的物質為系統。留意：留意：第一章 基本概念及定義3 邊界有邊界有 真實的、真實的、 固定

3、的固定的 假想的、假想的、 變動的變動的 之分。之分。 系統與外界之間有且僅有三種作用形式，即系統與外界之間有且僅有三種作用形式，即 質量交換、質量交換、 熱量交換、熱量交換、 功量交換。功量交換。例例第一章 基本概念及定義4按系統與外界相互作用的性質對系統的分類按系統與外界相互作用的性質對系統的分類:開口系開口系open systemopen system）: : 有，一般以固定空間中的物質為系統有，一般以固定空間中的物質為系統, ,稱稱CVCV。閉口系閉口系closed systemclosed system）: : 無，以固定的物質為系統，稱無，以固定的物質為系統，稱CMCM。 按系統與

4、外界是否有質量交換：按系統與外界是否有質量交換： 按系統與外界是否有熱量交換按系統與外界是否有熱量交換絕熱系統絕熱系統insulated system）非絕熱系統非絕熱系統（特例：透熱系統）（特例：透熱系統） 按系統與外界交換的準靜態功的模式分類按系統與外界交換的準靜態功的模式分類簡單系統簡單系統復雜系統復雜系統孤立系統孤立系統isolated system ）第一章 基本概念及定義5p, v 和和 T，是直接可測的，是直接可測的 。狀態參數狀態參數 ： 用來描述和說明系統系統所處狀態的一些宏觀物理量用來描述和說明系統系統所處狀態的一些宏觀物理量, , 只與所處狀態有關，而與過程、實現的途徑無

5、關。只與所處狀態有關，而與過程、實現的途徑無關。最基本狀態參數最基本狀態參數:1比體積比體積 vmVv vVm1單位質量物質占有的體積。單位質量物質占有的體積。描述系統內部物質分布狀況的參數。描述系統內部物質分布狀況的參數。第一章 基本概念及定義62.2.壓力壓力 ( (壓強壓強) p) p 流體在單位面積上的垂直作用力流體在單位面積上的垂直作用力 。 描述流體物質組成的熱力系統內部力學狀況的參描述流體物質組成的熱力系統內部力學狀況的參數。數。絕對壓力絕對壓力 absolute pressure , p大氣壓力大氣壓力 atmospheric pressure，pb表壓力表壓力 gauge p

6、ressure，pg 真空度真空度 vacuum pressure，pv 壓力的單位：壓力的單位： 標準單位：標準單位：Pa，kPa , MPa 非標準單位：非標準單位：bar、atm、at、mmHg 、mmH2O等等 第一章 基本概念及定義73. 溫度溫度 Temperature , T ( t )溫度是標志系統冷、熱程度的參數。溫度是標志系統冷、熱程度的參數。溫度的建立以及測量是以熱力學第零定律為基礎的。溫度的建立以及測量是以熱力學第零定律為基礎的。熱力學第零定律熱平衡定律熱力學第零定律熱平衡定律The Zeroth Law of Thermodynamics ： 兩個系統分別與第三個系統

7、處于熱平衡，則這兩個系統彼此也兩個系統分別與第三個系統處于熱平衡，則這兩個系統彼此也必然處于熱平衡。必然處于熱平衡。 處于同一熱平衡態的所有系統，不論是否相互接觸，必定有某一處于同一熱平衡態的所有系統，不論是否相互接觸，必定有某一宏觀特性是彼此相同的，我們把描述此宏觀特性的物理量稱為溫度。宏觀特性是彼此相同的，我們把描述此宏觀特性的物理量稱為溫度。 一切互為熱平衡的系統都具有相同的溫度。一切互為熱平衡的系統都具有相同的溫度。華氏溫度與攝氏溫度之間的關系：華氏溫度與攝氏溫度之間的關系：第一章 基本概念及定義8thermodynamic temperature, T , K攝氏溫度攝氏溫度 cen

8、tigrade temperature, t , centigrade temperature, t , 溫標：溫度的數值表示方法，國際上普遍采用的是熱力學溫標。溫標：溫度的數值表示方法，國際上普遍采用的是熱力學溫標。 熱力學溫度絕對溫度）以水的三相點溫度作為熱力學溫度的固定點，以水的三相點溫度作為熱力學溫度的固定點，K16273.Ttp15.273 tT熱力學溫度與攝氏溫度之間的關系：熱力學溫度與攝氏溫度之間的關系：華氏溫度華氏溫度 Fahrenheit temperature, t , Fahrenheit temperature, t , F F （不（不要求！）要求！）第一章 基本概念

9、及定義9平衡狀態熱力學平衡狀態）：平衡狀態熱力學平衡狀態）： 熱力學平衡熱力學平衡（平衡狀態）（平衡狀態）系統內部以及系統與外界系統內部以及系統與外界之間不存在任何不平衡勢之間不存在任何不平衡勢熱平衡熱平衡力平衡力平衡相平衡相平衡化學平衡化學平衡穩定平衡態定律：穩定平衡態定律： 在外界不產生任何影響的條件下，系統從任何一在外界不產生任何影響的條件下，系統從任何一個非平衡狀態出發，經過足夠長的時間，總能達到一個非平衡狀態出發，經過足夠長的時間，總能達到一個而且只有一個穩定的熱力學平衡狀態。個而且只有一個穩定的熱力學平衡狀態。在外界不產生任何影響的條件下可以長久保持下去的狀態。在外界不產生任何影響

10、的條件下可以長久保持下去的狀態。非非“作用作用”即系統的宏觀性質不隨時間改變的狀態即系統的宏觀性質不隨時間改變的狀態第一章 基本概念及定義10系統狀態變化，取決于系統和外界間的能量傳遞。系統狀態變化，取決于系統和外界間的能量傳遞。 對于常見的氣態物質組成的系統，沒有化學反應時，即簡單對于常見的氣態物質組成的系統，沒有化學反應時，即簡單可壓縮系統，它和外界間傳遞的能量只有熱量和系統容積變化可壓縮系統，它和外界間傳遞的能量只有熱量和系統容積變化功，因此只要有兩個獨立的狀態參數即可確定系統的狀態。功，因此只要有兩個獨立的狀態參數即可確定系統的狀態。 狀態公理：狀態公理： 確定系統平衡狀態所需的獨立狀

11、態參數的數目，等于系統確定系統平衡狀態所需的獨立狀態參數的數目，等于系統和外界間進行能量傳遞方式的數目。和外界間進行能量傳遞方式的數目。n+1狀態參數坐標圖：狀態參數坐標圖： ex: P-V, T-s, h-s, p-h 應用兩個獨立狀態參數，可組成狀態參數坐標圖。應用兩個獨立狀態參數，可組成狀態參數坐標圖。留意：圖上任意一點代表一個平衡狀態；留意：圖上任意一點代表一個平衡狀態；若系統處于不平衡狀態若系統處于不平衡狀態, 則無法在狀態參數坐標圖上描述。則無法在狀態參數坐標圖上描述。第一章 基本概念及定義11狀態方程式狀態方程式 三個基本狀態參數三個基本狀態參數(p、v、T)之間的函數關系。即：

12、之間的函數關系。即： 隱函數形式：隱函數形式： F(p，v，T)0 顯函數形式：顯函數形式：Tf1(p，v)，pf2(v，T)，vf3(p，T) 2. 2. 理想氣體狀態方程式克拉貝龍方程）理想氣體狀態方程式克拉貝龍方程） RTpVmnRTpV TmRpVgRg氣體常數，與氣體的種類有關。氣體常數，與氣體的種類有關。R 通用氣體常數通用氣體常數M , 氣體的摩爾質量，氣體的摩爾質量，kg/kmol Vm,千摩爾容積，千摩爾容積， m3/kmolTRpvgK)(kmolkJ314. 8RMRRg第一章 基本概念及定義121. 熱力過程熱力過程 系統從一個狀態出發，經歷一系列中間狀態而變系統從一個

13、狀態出發，經歷一系列中間狀態而變化到另一個狀態所經歷的全部過程稱為熱力過程。化到另一個狀態所經歷的全部過程稱為熱力過程。初態初態終態終態ApGpAb條件改變：條件改變：G為為G,使使ApGpAbApGApb第一章 基本概念及定義13在狀態參數坐標圖上，可用一條過在狀態參數坐標圖上，可用一條過程曲線定性地表示該準靜態過程。程曲線定性地表示該準靜態過程。虛線，表一非準靜態過程。虛線，表一非準靜態過程。2. 準靜態過程準靜態過程 quasi-static state process 過程中系統經歷的是一系列平衡狀態，并在過程中系統經歷的是一系列平衡狀態，并在每次狀態變化時僅是無限小地偏離平衡狀態。每

14、次狀態變化時僅是無限小地偏離平衡狀態。實現準靜態過程的條件：實現準靜態過程的條件：系統和外界系統和外界0大部分實際過程可以近似地當作準靜態過程。大部分實際過程可以近似地當作準靜態過程。第一章 基本概念及定義143. 可逆過程可逆過程 Reversible Process 系統經歷了一個熱力過程后，系統經歷了一個熱力過程后，如果可以沿原過程的途徑逆向進行，如果可以沿原過程的途徑逆向進行，并使系統和外界都恢復到初態而不并使系統和外界都恢復到初態而不留下任何影響，則稱系統原先經歷留下任何影響，則稱系統原先經歷的過程為可逆過程。的過程為可逆過程。可逆過程必須滿足的條件：可逆過程必須滿足的條件：準靜態過

15、程；準靜態過程；無任何耗散效應。（耗散效應必產生無法消除的影響）無任何耗散效應。（耗散效應必產生無法消除的影響）無耗散的準靜態過程無耗散的準靜態過程 = 可逆過程可逆過程可逆過程是假想的、理想化的模型；可逆過程是假想的、理想化的模型；一切實際過程都是不可逆的。一切實際過程都是不可逆的。第一章 基本概念及定義151.1.熱力學中功量的定義熱力學中功量的定義 功量是系統和外界間通過邊界而傳遞的能量，功量是系統和外界間通過邊界而傳遞的能量， 且其全部效果表現為舉起重物。且其全部效果表現為舉起重物。2.2.可逆過程的容積變化功可逆過程的容積變化功容積變化功膨脹功或壓縮功）：容積變化功膨脹功或壓縮功）：

16、 直接由系統容積變化與外界間發生作用而傳遞的功。直接由系統容積變化與外界間發生作用而傳遞的功。 功量是物體間通過有規則的微觀運動或宏觀運動功量是物體間通過有規則的微觀運動或宏觀運動發生相互作用而傳遞的能量。發生相互作用而傳遞的能量。第一章 基本概念及定義16vpwdVpWd2112dvpw212112ddVpvpmW規定：系統對外界作功，規定：系統對外界作功，W W為正；外界對系統作功，為正；外界對系統作功，W W為負。為負。 過程線下面積等于可逆過程中容積變化功的大小，過程線下面積等于可逆過程中容積變化功的大小， 。對微元可逆過程：對微元可逆過程：對可逆過程對可逆過程1-2： 功量是過程量，

17、僅存在于過程中，過程功量是過程量，僅存在于過程中，過程一旦結束，功量這種能量形式就不復存在。一旦結束，功量這種能量形式就不復存在。第一章 基本概念及定義17熱量：系統和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。熱量：系統和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。 熱量是物體間通過紊亂的分子運動發生相互作用而傳遞的能量。熱量是物體間通過紊亂的分子運動發生相互作用而傳遞的能量。 熱量不可能把它的全部效果表現為舉起重物。熱量不可能把它的全部效果表現為舉起重物。 熱量是過程量；熱量是傳遞的能量瞬時量）。熱量是過程量；熱量是傳遞的能量瞬時量）。區別：熱量與功量，熱能與熱量區別：熱量與功量，熱能

18、與熱量熱量：物體間通過紊亂的分子運動發生相互作用而傳遞的能量熱量：物體間通過紊亂的分子運動發生相互作用而傳遞的能量功量：物體間通過有規則的微觀或宏觀運動發生相互作用而傳遞的能量功量：物體間通過有規則的微觀或宏觀運動發生相互作用而傳遞的能量熱能：物體內部所具有的能量，熱力學能，可存儲于物體內。熱能：物體內部所具有的能量，熱力學能，可存儲于物體內。熱量：兩物體間傳遞的熱能的數量，不能說熱量：兩物體間傳遞的熱能的數量，不能說“物體含有熱量物體含有熱量”。第一章 基本概念及定義18熱量符號規定：系統吸熱為正，系統放熱為負。熱量符號規定：系統吸熱為正，系統放熱為負。 sTqdSTQd2112dsTq21

19、2112ddSTsTmQ 過程線下方的面積等于可逆過程所交換的熱量的大小，過程線下方的面積等于可逆過程所交換的熱量的大小， 。對微元可逆過程：對微元可逆過程：對可逆過程對可逆過程1-2：第一章 基本概念及定義19是物體間通過有規律的微觀運動是物體間通過有規律的微觀運動或宏觀運動發生相互作用而傳遞或宏觀運動發生相互作用而傳遞的能量，可以把其全部效果表現的能量，可以把其全部效果表現為舉起重物。為舉起重物。功：功：熱量：熱量：物體間通過紊亂的分子運動發生物體間通過紊亂的分子運動發生相互作用而傳遞的能量，不能把相互作用而傳遞的能量，不能把其全部效果表現為舉起重物。其全部效果表現為舉起重物。可逆過程中可

20、逆過程中可逆過程中可逆過程中P 工質對外作功的推動力工質對外作功的推動力;dv 狀態參數比體積的變化狀態參數比體積的變化:是衡量可逆過程中工質與外是衡量可逆過程中工質與外界作功與否的標志。界作功與否的標志。在在p-v圖上：圖上：一點：一個平衡狀態一點：一個平衡狀態一實線：一個準靜態過程一實線：一個準靜態過程曲線下面積：曲線下面積：可逆過程中系統所可逆過程中系統所做的容積變化功。做的容積變化功。功是過程量功是過程量vpwdVpWdsTqdSTQdT 對熱交換起著推動力的作用對熱交換起著推動力的作用;ds 狀態參數比熵的變化狀態參數比熵的變化:是衡量可逆過程中工質與外是衡量可逆過程中工質與外界是否

21、發生熱交換的標志。界是否發生熱交換的標志。在在T-sT-s圖上：圖上：一點：一個平衡狀態一點：一個平衡狀態一實線：一個準靜態過程一實線：一個準靜態過程曲線下面積：曲線下面積：可逆過程中系統與可逆過程中系統與外界所交換熱量。外界所交換熱量。熱量是過程量熱量是過程量第一章 基本概念及定義201kg 物質在可逆過程中溫度升高物質在可逆過程中溫度升高1K(或或1)所需的熱量。即所需的熱量。即 比定容熱容比定容熱容cV：VVTqc)d(TcqVVd和和比定壓熱容比定壓熱容cp：ppTqc)d(Tcqppd和和TqcdJ/(kgK)質量熱容質量熱容(比熱容比熱容) ckJ/(kgK)第一章 基本概念及定義21