1、2022年年3月月17日星期四日星期四1第二章 基本概念內容要求內容要求v掌握熱力系統的基本概念和分類；掌握熱力系統的基本概念和分類；v掌握平衡狀態的基本概念和實現的充要條件；掌握平衡狀態的基本概念和實現的充要條件；v熟悉基本狀態參數：壓力，溫度和比體積；熟悉基本狀態參數：壓力，溫度和比體積；v掌握準平衡過程和可逆過程的基本概念和特征；掌握準平衡過程和可逆過程的基本概念和特征；v掌握過程功和過程熱量。掌握過程功和過程熱量。2022年年3月月17日星期四日星期四21-1 熱力系統 1-1-1 熱機中熱能轉化為機械能的過程 1. 熱力發動機（熱機） 凡是能將熱能轉換為機械能的機器統稱為熱機。 2.

2、 工質 實現熱能和機械能轉化的媒介物質。 3. 熱源 高溫熱源：工質從中吸收熱能的物系。 低溫熱源：接受工質排出熱能的物系。 蒸汽機，蒸汽輪機，燃氣輪機，內燃機，噴氣發動機。舉例舉例空氣，燃氣，水蒸氣等。2022年年3月月17日星期四日星期四3 4. 舉例：蒸汽動力裝置中熱能轉變為機械能的過程 高溫熱源？ 低溫熱源？ 熱能動力裝置的工作過程 2022年年3月月17日星期四日星期四4 1-1-2 熱力系統 1. 熱力系統 熱力學中選取一定的工質或空間作為研究對象。2022年年3月月17日星期四日星期四5 2. 熱力系統的分類（1）系統與外界是否進行物質交換 a：閉口系統 b: 開口系統 系統與外

3、界之間沒有物質交換，只有能量交換。（控制質量系統） 系統與外界之間既有物質交換，又有能量交換。 （控制容積系統）2022年年3月月17日星期四日星期四6 a: 簡單系統簡單系統（2）系統與外界之間進行能量交換情況系統與外界之間進行能量交換情況 b: 絕熱系統絕熱系統 c: 孤立系統孤立系統 系統與外界只交換熱量和一種形式的功。 系統與外界之間完全沒有熱量交換。 系統與外界之間既無物質，又無能量交換。2022年年3月月17日星期四日星期四7 本課程討論的大部分系統為簡單可壓縮系統 分析2022年年3月月17日星期四日星期四8思考題分析下面的說法是否正確1. 閉口系統具有恒定的質量，但具有恒定質量

4、的系統 不一定就是閉口系統。2. 孤立系統一定是閉口的，反之則不然。3. 開口系統不可能是絕熱系統。4. 孤立系統一定是絕熱系統，但絕熱系統不一定都是孤立的。5. 孤立系統的熱力學狀態不能發生變化。 答案:1對；2對；3對；4對；5錯2022年年3月月17日星期四日星期四91-2 平衡狀態及狀態參數平衡狀態及狀態參數 1-2-1 工質的熱力學狀態 1. 工質的熱力學狀態 工質在熱力變化過程中的某一瞬間所呈現的 宏觀物理狀況。 2. 狀態參數 描述工質所處狀態的宏觀物理量。 狀態參數是熱力系統狀態的單值函數。 狀態參數的數值只取決于給定的狀態， 與如何達到這一狀態的途徑無關。 系統的熱力學狀態說

5、明2022年年3月月17日星期四日星期四10 1-2-2 平衡狀態 1. 平衡狀態 一個熱力系統，如果在不受外界影響的條件下，系統的 狀態參數不隨時間而變化的狀態。a：工質的宏觀性質不隨時間而變化的狀態； b：只有平衡狀態，才能用確定的狀態參數描述 系統所處的狀態； c: 工程熱力學只研究平衡狀態。說明2022年年3月月17日星期四日星期四11（2）力平衡： 組成熱力系統的各部分之間沒有相對位移。 條件：是否存在壓力差是判斷系統處于力平衡的條件。（3）化學平衡： 化學反應宏觀上停止。 條件：反應物和生成物的化學位相等是實現化學平衡 的充要條件。（1）熱平衡： 組成熱力系統的各部分之間沒有熱量傳

6、遞。 條件：是否存在溫度差是判斷系統處于熱平衡的條件。 2. 充要條件（4）相平衡2022年年3月月17日星期四日星期四12 不平衡狀態的系統，在沒有外界條件的影響下，總會自發 地趨于平衡狀態。 只有在系統內部和系統與外界之間一切不平衡的勢差都 消失時，系統的一切宏觀變化才可停止，熱力系統所處的 狀態為平衡狀態。 3. 結論 思考兩個不同概念：“平衡”和“均勻”兩個不同概念：“平衡”和“穩定”2022年年3月月17日星期四日星期四13 1-2-3 基本狀態參數 1. 溫度（1）溫度的含義（2）熱力學第零定律 如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于 熱平衡，則它們彼此也處于熱平衡。（3）溫

7、標 溫度的數值表示法。第三個物體可用作溫度計 是標志物體冷熱程度的參數。 微觀上，溫度標志著物質分子熱運動的激烈程度。 是衡量系統是否處于熱平衡的狀態參數。2022年年3月月17日星期四日星期四14 熱力學溫標 熱力學攝氏溫標 定義： t = T 273.15 思考 攝氏溫度0 = 熱力學溫度273.15K 。 水的三相點溫度 t = 0.01。 K= 水的三相點溫度的1/273.16 熱力學溫度：符號：T，單位：K。 基準點：取水的三相點（純水固、液、氣三相平衡共存的狀態點）為基準點。 基準點溫度：273.16 K。 最低的溫度值接近絕對 0K。2022年年3月月17日星期四日星期四15 2

8、. 壓力 （1）壓力 單位面積上所受的垂直作用力，用 p 表示。 分子運動論：氣體的壓力是大量氣體分子與容器壁面 碰撞作用力的統計平均值。（2）單位 大氣壓的倍數表示，atm, at 液柱的高度表示，mH2O, mmHg 國際單位制單位面積上所受的力表示， Pa, kPa 例如一個標準大氣壓：mmHgPapHOmHPapHgHgHOHOH76081. 9106 .1310013. 11081. 9100010013.年3月月17日星期四日星期四16（3）絕對壓力，表壓力和真空度 絕對壓力 是以絕對真空為基準計量得到的壓力。 是工質的真實壓力。 表壓力 是以大氣壓為基準

9、測量得到的壓力，用 Pe 表示。 真空度 是以大氣壓為基準 測量得到的壓力， 用 Pv 表示。2022年年3月月17日星期四日星期四17 當 p pb 時 p = pb + pe 當 p pb 時 p = pb - pv（4）常用壓力計 U 形管壓力計，彈簧管式壓力計，斜管微壓計等。2022年年3月月17日星期四日星期四18 3. 比體積及密度（1）比體積 單位質量的物質所占的體積， 單位 m3/kg，用 v 表示。（2）密度 單位體積物質的質量。用 表示。1vkgmmVv/3 在熱力學中，常用比體積作為狀態參數。2022年年3月月17日星期四日星期四19 1-2-4 強度量和廣延量1. 強度

10、量 與系統的質量無關的物理量。如：溫度，壓力。2. 廣延量 與系統的質量呈正比，具有可加性的物理量。 如：體積，熱力學能，焓，熵。說明廣延量的比參數具有強度量的性質，不具有可加性。如：比體積，比熱力學能，比焓，比熵。2022年年3月月17日星期四日星期四20分析下面的說法是否正確1. 平衡狀態的系統不一定是均勻的，均勻系統則一定處于 平衡狀態。2. 攝氏溫度的零點相當于熱力學溫度的273.15K。3. 考察熱力系統兩個狀態間的溫度差，不論采用熱力學溫標， 還是采用攝氏溫標，T=t。4. 只有絕對壓力才能表示工質所處的狀態， 才是狀態參數。5. 若容器中氣體的壓力沒有改變，則安裝在該容器上壓力表

11、 的讀數也不會改變。2022年年3月月17日星期四日星期四211-3 狀態方程式與狀態參數坐標圖 例如工質處于某一平衡狀態時： p = f ( v, T )，v = f ( p, T )， T = f ( v, p ) 或 F ( p, v, T) = 0 1-3-1 狀態方程式 表示狀態參數之間關系的方程式。F ( p, v, T ) = 0對于簡單可壓縮系統，只需兩個獨立的狀態參數，便可確定它的平衡狀態。狀態公理 例如理想氣體的狀態方程式： pV = m Rg T 2022年年3月月17日星期四日星期四22 1-3-2 狀態參數坐標圖 由熱力系統的狀態參數所組成的坐標圖。pvp1v1v2p

12、2120 p - v 圖 常用坐標圖： 壓容圖（p-v圖），溫熵圖（T-s圖），壓焓圖（p-h圖）2022年年3月月17日星期四日星期四23思考題分析下面的說法是否正確1. 狀態方程式中的壓力是絕對壓力，不能是表壓力。2. 只有平衡狀態，才能在狀態參數坐標圖上用一個對應點 來表示。3. 非平衡狀態，因為沒有確定的狀態參數，無法在狀態參數 坐標圖中表示。2022年年3月月17日星期四日星期四241-4 準平衡過程和可逆過程 熱力過程 系統由一個狀態到達另一個狀態的變化過程。 平衡狀態 平衡狀態變化過程 熱力學中兩個理想化過程模型 準平衡過程（準靜態過程） 可逆過程 對實際過程 簡化的思想2022

13、年年3月月17日星期四日星期四25 1-4-1 準平衡過程 1. 準平衡過程（準靜態過程） 假設過程中系統所經歷的每一個狀態都無限接近于 平衡狀態的過程。 2. 舉例分析 觀察由于力的不平衡而進行的氣體膨脹過程。 假設：汽缸中有 1kg 的氣體， 其參數為 p1, v1. T1 選取：汽缸內氣體為熱力系統2022年年3月月17日星期四日星期四26 力不平衡引起的 氣體膨脹過程 若 p1A = pext1 A + F 狀態：初始平衡狀態1 當 p2A = pext2 A + F 狀態：新的平衡狀態2若過程進行的無限慢？ 突然減小 pext1 pext2 則 p1A pext 2 A + F 活塞

14、右行 中間狀態：不平衡狀態 中間過程：不平衡過程2022年年3月月17日星期四日星期四27 3. 實現準平衡過程的條件 ： 推動過程進行的勢差（溫差，壓差）無限小，保證系統在任意時刻皆無限接近于平衡狀態。 4. 特點： 是實際過程進行的無限緩慢的極限情況， 是熱力學意義上的緩慢。 5. 好處： （1）可用確定的狀態參數描述過程。 （2）可在參數坐標圖上用一條連續實線表示過程。 馳豫時間（relaxation time） 當工質在平衡被破壞后， 自動恢復到平衡所需時間。2022年年3月月17日星期四日星期四28 1-4-2 可逆過程 1. 可逆過程 當熱力系統完成某一過程后，如果全過程沿相同的路

15、徑 逆行，能使過程中所涉及的一切（系統，環境）都恢復到 原來的狀態而不留下任何變化，則這一過程稱為可逆過程。 2. 實現條件 可逆過程是無耗散的準平衡過程。F=0 耗散效應 通過摩擦，粘性擾動，溫差傳熱， 混合，擴散，燃燒等消耗功或潛在作 功能力的損失的效應。2022年年3月月17日星期四日星期四29 3. 可逆過程與準平衡過程的關系 準平衡過程 只著眼于系統內部的平衡。 過程中是否存在機械摩擦（耗散）對系統內部的平衡 并無影響。 可逆過程 分析系統與外界作用所產生的總效果。 不僅強調工質內部的平衡，而且要求系統與外界的 作用可以無條件地逆復，過程進行時不存在任何形 式的能量耗散。 可逆過程是

16、一切熱力設備工作過程力求接近的目標。兩過程的著眼點不同。區別2022年年3月月17日星期四日星期四30思考題分析下面的說法是否正確1. 不平衡過程，一定是不可逆過程。2. 不可逆過程就是指工質不能恢復到原來狀態的過程。3. 一個可逆過程必須同時也是一個準平衡過程，但準平衡 過程不一定是可逆過程。4. 實際熱力過程都是不可逆過程。2022年年3月月17日星期四日星期四31 1-5 過程功和過程熱量 1-5-1 功（1）力學中功的定義 力和沿力的方向位移的乘積。（2）熱力學中功的定義 在熱力過程中，如果系統與外界相互作用而傳遞 能量，若其全部效果可表現為使外界物體 改變宏觀 運動狀態，則這種傳遞的能量為功。 1. 功的定義21dxFWdxFW2022年年3月月17日星期四日星期四32 分析汽缸中某一準平衡過程，工質膨脹對活塞作功為JpdVW21 比膨脹功 ：單位質量工質所作的膨脹功 。kgJp