第一章

基本概念BasicConcepts§1-1

熱力系統熱力系統(熱力系、系統)：人為地研究對象1、系統的定義ThermodynamicsystemsystemAquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy§1-1

熱力系統外界：系統以外的所有物質2、系統、外界與邊界邊界(界面)：系統與外界的分界面系統與外界的作用都通過邊界surroundingsboundary熱力系統選取的人為性鍋爐汽輪機發電機給水泵凝汽器過熱器只交換功只交換熱既交換功也交換熱邊界特性真實、虛構固定、活動fixed、movablereal

、imaginary熱力系統分類以系統與外界關系劃分：

有無是否傳質開口系閉口系是否傳熱非絕熱系絕熱系是否傳功非絕功系絕功系是否傳熱、功、質非孤立系孤立系TypesofSystem開口系絕熱系孤立系ClosedsystemControlmassIsolatedsystemOpensystemControlvolume閉口系Adiabaticsystem1234mQW1

開口系§1-1熱力系統非孤立系＋相關外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4孤立系熱力系統其它分類方式

其它分類方式物理化學性質

均勻系

非均勻系工質種類多元系單元系相態多相單相簡單可壓縮系統最重要的系統

只交換熱量和一種準靜態的容積變化功容積變化功壓縮功膨脹功SimplecompressiblesystemMovingBoundaryWorkCompressionWorkExpansionWork§1-2狀態和狀態參數狀態：某一瞬間熱力系所呈現的宏觀狀況狀態參數：描述熱力系狀態的物理量狀態參數的特征：1、狀態確定，則狀態參數也確定，反之亦然2、狀態參數的積分特征：狀態參數的變化量與路徑無關，只與初終態有關3、狀態參數的微分特征：全微分Stateandstateproperties狀態參數的積分特征狀態參數變化量與路徑無關，只與初終態有關。數學上：點函數、態函數12ab例：溫度變化山高度變化pointfunction狀態參數的微分特征設z=z(x,y)dz是全微分充要條件：可判斷是否是狀態參數Totaldifferentials強度參數與廣延參數強度參數：與物質的量無關的參數

如壓力

p、溫度T廣延參數：與物質的量有關的參數可加性

如

質量m、容積

V、內能

U、焓

H、熵S比參數：比容比內能比焓比熵單位：/kg/kmol

具有強度參數的性質Intensiveproperties

Extensiveproperties

強度參數與廣延參數速度動能高度位能內能溫度應力摩爾數（強）（強）（強）（強）（廣）（廣）（廣）（廣）Velocity

KineticEnergyHeight

PotentialEnergyTemperature

InternalEnergyStressMol§1-3基本狀態參數壓力

p、溫度T、比容v

（容易測量）1、壓力

p(pressure)

物理中壓強，單位:Pa(Pascal),N/m2常用單位Units：

1

kPa=103

Pa1bar

=105

Pa

1

MPa

=106

Pa

1

atm

=760

mmHg

=1.013105

Pa

1

mmHg

=133.3

Pa

1

at=1

kgf/cm2

=9.80665104

PaBasicstateproperties壓力p測量示意圖絕對壓力與環境壓力的相對值

——相對壓力注意：只有絕對壓力p

才是狀態參數U-tubemanometerBourdonTube絕對壓力與相對壓力示意圖當

p

>pb表壓力

pe當

p

<pb真空度

pvpbpeppvprelativepressureabsolutepressureGagepressureVacuumpressureOtherPressureMeasurementDevices高精度測量：活塞壓力計

pistonmanometer工業或一般科研測量：壓力傳感器

PressuretransducersPiezoelectriceffect

如圖，已知大氣壓pb=101325Pa，U型管內汞柱高度差H=300mm，氣體表B讀數為0.2543MPa，求：A室壓力pA及氣壓表A的讀數peAA4001441解：強調：

pb是測壓儀表所在環境壓力返回§1-3基本狀態參數壓力

p、溫度T、比容v

（容易測量）2、溫度

T(Temperature)Basicstateproperties溫度T的一般定義傳統：冷熱程度的度量。感覺，導熱，熱容量微觀：衡量分子平均動能的量度

T

0.5

mw2溫度的熱力學定義熱力學第零定律（R.W.Fowlerin1931）

如果兩個系統分別與第三個系統處于熱平衡，則兩個系統彼此必然處于熱平衡。溫度測量的理論基礎B溫度計為什么叫做熱力學第零定律熱力學第零定律

1931年

T熱力學第一定律18401850年

E熱力學第二定律18541855年

S熱力學第三定律1906年

S基準溫度的熱力學定義

處于同一熱平衡狀態的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量溫度。

溫度是確定一個系統是否與其它系統處于熱平衡的物理量Temperaturemeasurement溫度計物質（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準點刻度

Scale溫標

TemperaturescaleReferencestate溫標Temperaturescale熱力學溫標（絕對溫標）Kelvinscale

（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）

攝氏溫標Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）華氏溫標Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)朗肯溫標Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)常用溫標之間的關系絕對K攝氏℃

華氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點水三相點鹽水熔點發燒水沸點559.67溫標的換算TemperatureMeasurementDevices水銀溫度計thermometer，酒精溫度計，熱電偶Thermocouple熱電阻Resistancetemperaturedetector輻射溫度計Radiationthermometer鉑電阻溫度計Platinum激光全息干涉儀CARS（相干反斯托克斯喇曼光譜）法§1-3基本狀態參數壓力

p、溫度T、比容v

（容易測量）3、比容

v(specificvolume)Basicstateproperties[m3/kg]工質聚集的疏密程度物理上常用密度density

[kg/m3]§1-4平衡狀態Equilibriumstate1、定義：

在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統的狀態參數不隨時間變化，則該系統處于平衡狀態。Asysteminequilibriumexperiencesnochangeswhenitisisolatedfromitsurroundings.ManytypesofEquilibrium1、熱平衡Thermalequilibrium:ifthetemperatureisthesamethroughouttheentire溫差

Temperaturedifferential熱不平衡勢UnbalancedpotentialsManytypesofEquilibrium2、力平衡Mechanicalequilibrium:ifthereisnochangeinpressureatanypointofthesystemwithtime

Thevariationofpressureasaresultofgravityinmostthermodynamicsystemisrelativelysmallandusuallydisregarded壓差

Pressuredifferential力不平衡勢UnbalancedpotentialsManytypesofEquilibrium3、相平衡Phaseequilibrium:whenthemassofeachphasereachesanequilibriumlevelandstaysthere4、化學平衡Chemicalequilibrium:ifitschemicalcompositiondoesnotchangewithtime.Thatis,nochemicalreactionsoccur.§1-4平衡狀態Equilibriumstate

溫差

—熱不平衡勢

壓差

—力不平衡勢

相變

—相不平衡勢化學反應

—化學不平衡勢平衡的本質：不存在不平衡勢Inanequilibriumstatetherearenounbalancedpotentials平衡Equilibrium與穩定Steady穩定：參數不隨時間變化穩定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態變化若以（熱源+銅棒+冷源）為系統，又如何？穩定不一定平衡，但平衡一定穩定平衡Equilibrium與均勻Even平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態則一定是均勻的為什么引入平衡概念？如果系統平衡，可用一組確切的參數（壓力、溫度）描述但平衡狀態是死態，沒有能量交換能量交換狀態變化破壞平衡如何描述§1-5狀態方程、坐標圖平衡狀態可用一組狀態參數描述其狀態狀態公理：對組元一定的閉口系，獨立狀態參數個數

N=n+1想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態參數？狀態公理Statepostulate閉口系：而不平衡勢差彼此獨立獨立參數數目N=不平衡勢差數

=能量轉換方式的數目

=各種功的方式+熱量=n+1n

容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等不平衡勢差狀態變化能量傳遞消除一種

達到某一

消除一種能量不平衡勢差方面平衡傳遞方式簡單可壓縮系統的獨立變量數簡單可壓縮系統：N=n+1=絕熱簡單可壓縮系統

N=?2只交換熱量和一種準靜態的容積變化功

Thestateofasimplecompressiblesystemiscompletelyspecifiedbytwoindependentproperties狀態方程Equationofstate簡單可壓縮系統：N=2狀態方程

基本狀態參數（p,v,T)之間的關系狀態方程的具體形式理想氣體的狀態方程實際工質的狀態方程？？？取決于工質的性質TheIdeal-GasEquationofState例：R134a的維里型狀態方程座標圖diagram簡單可壓縮系統

N=2，平面坐標圖pv1）系統任何平衡態可表示在坐標圖上說明：2）過程線中任意一點為平衡態3）不平衡態無法在圖上用實線表示常見p-v圖和T-s圖21§1-6準靜態過程、可逆過程平衡狀態狀態不變化能量不能轉換非平衡狀態無法簡單描述熱力學引入準靜態（準平衡）過程quasi-static,orquasi-equilibrium一般過程Processp1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0pv12..準靜態過程Quasi-staticprocessp1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0假如重物有無限多層每次只去掉無限薄一層pv12...系統隨時接近于平衡態準靜態過程有實際意義嗎？既是平衡，又是變化既可以用狀態參數描述，又可進行熱功轉換疑問：理論上準靜態應無限緩慢，工程上怎樣處理？準靜態過程的工程條件破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復平衡所需時間（馳豫時間）>>有足夠時間恢復新平衡

準靜態過程Relaxationtime準靜態過程的工程應用例：活塞式內燃機2000轉/分曲柄2沖程/轉，0.15米/沖程活塞運動速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復平衡速度（聲速）350m/s破壞平衡所需時間（外部作用時間）>>恢復平衡所需時間（馳豫時間）一般的工程過程都可認為是準靜態過程具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛睖熟o態過程的容積變化功pp外f初始：pA

=p外A

+fA如果

p外微小可視為準靜態過程dl以汽缸中mkg工質為系統mkg工質發生容積變化對外界作的功W

=pAdl=pdV1kg工質w

=pdvdl很小，近似認為p不變MovingBoundaryWork準靜態過程的容積變化功pp外2mkg工質：W=pdV1kg工質：w=pdv1注意：上式僅適用于準靜態過程示功圖indicator(p-V)diagrampV.12.pp外21mkg工質：W=pdV1kg工質：w=pdvW準靜態容積變化功的說明pV.12.2）

p-V圖上用面積表示3）功的大小與路徑有關，

過程量Pathfunction4）統一規定：dV>0，膨脹對外作功（正）

dV<0，壓縮外內作功（負）5）適于準靜態下的任何工質（一般為流體）6）外力無限制，功的表達式只是系統內部參數1）單位為[kJ]

或[kJ/kg]Ww摩擦損失FrictionLoss的影響若有f存在，就存在損失pp外21系統對外作功W，外界得到的功W’<W若外界將得到的功W’再返還給系統，系統得到的功W’’<W’則外界、活塞、系統不能同時恢復原態。摩擦損失FrictionLoss的影響若f＝0pp外21系統對外作功W，外界得到的功W’＝W若外界將得到的功W’再返還給系統則外界、活塞、系統同時恢復原態?？赡鎟eversible過程的定義

系統經歷某一過程后，如果能使系統與外界同時恢復到初始狀態，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。Aprocessthatcanreversedwithoutleavinganytraceonthesurroundings.Thatis,boththesystemandthesurroundingsarereturnedtotheirinitialstatesattheendofthereverseprocess.注意可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態的過程。可逆過程的實現準靜態過程+無耗散效應=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢差

不可逆根源

耗散效應

耗散效應irreversibilityDissipativeeffectHeattransfer常見的不可逆過程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節流過程

(閥門）p1p2p1>p2FrequentlyencounteredirreversibilitiesThrottler常見的不可逆過程混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★自由膨脹真空????????????FrequentlyencounteredirreversibilitiesUnrestrainedexpansionMixingprocess引入可逆過程的意義

準靜態過程是實際過程的理想化過程，但并非最優過程，可逆過程是最優過程?？赡孢^程的功與熱完全可用系統內工質的狀態參數表達，可不考慮系統與外界的復雜關系，易分析。實際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過程）處理，用系統參數加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正?！?-7功量Work1、力學定義:力在力方向上的位移2、熱力學定義I熱力學定義II功的力學定義DefinitionofWorkofMechanics鍋爐汽輪機發電機給水泵凝汽器過熱器Theproductofaforceandthedistancethroughwhichthisforceacts力在力方向上的位移But功的熱力學定義I當熱力系與外界發生能量傳遞時，如果對外界的唯一效果可歸結為取起重物，此即為熱力系對外作功。

Workisdonebyasystemifthesoleeffectonthesurroundings

couldbetheraisingofaweight.功的熱力學定義II

Workisanenergyinteractionbetweenasystemanditssurroundings,iftheenergycrossingtheboundaryofaclosedsystemisnotheat,itmustbework.

功是系統與外界相互作用的一種方式，在力的推動下，通過有序運動方式傳遞的能量。功的表達式功的一般表達式熱力學最常見的功容積變化功

其他準靜態功：拉伸功，表面張力功，電功等§1-8熱量與熵HeatandEntropyHeatisdefinedastheformofenergythatistransferredbetweentwosystems(oritssurroundings)byvirtueofatemperaturedifference.

熱量定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度的推動下，以微觀無序運動方式傳遞的能量。熱量如何表達？熱量是否可以用類似于功的式子表示？？引入“熵”熱量與容積變化功能量傳遞方式容積變化功傳熱量性質過程量過程量推動力壓力p

溫度T標志

dV,dv

dS

,ds公式條件準靜態或可逆可逆熵（Entropy）的定義reversible比參數

[kJ/kg.K]ds:

可逆過程

qrev除以傳熱時的T所得的商

廣延量

[kJ/K]熵的說明1、熵是狀態參數

3、熵的物理意義：熵體現了可逆過程

傳熱的大小與方向2、符號規定系統吸熱時為正

Q>0dS

>0系統放熱時為負

Q<0dS

<04、用途：判斷熱量方向計算可逆過程的傳熱量示功圖與示熱圖pVWTSQ

示功圖溫熵(示熱)圖§1-9熱力循環Cycle要實現