BasicConceptsandDefinition第一章

基本概念本章重點1、熱力狀態：

平衡狀態、狀態參數、狀態方程2、熱力過程：

準平衡過程、可逆過程3

前言

熱能在熱機中轉化為機械能的過程1.工質(workingsubstance;workingmedium)定義：實現熱能和機械能相互轉化的媒介物質對工質的要求:

物質三態中

氣態最適宜。

1）膨脹性;

2）流動性

3）熱容量

4）穩定性，安全性

5）對環境友善

6）價廉，易大量獲取4

2.熱源(heatsource;heatreservoir)

定義：工質從中吸取或向之排出熱能的物質系統。高溫熱源（熱源--

heat

source

）低溫熱源（冷源—heat

sink）恒溫熱源(constant

heat

reservoir)

變溫熱源

5

3.熱能動力裝置(Thermalpowerplant)定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動力的整套設備。1）氣體動力裝置(combustion

gas

power

plant)

內燃機(internal

combustion

gas

engine)

燃氣輪機動力裝置(gas

turbine

power）

噴氣動力裝置(jet

power

plant)

2）蒸汽動力裝置(steam

power

plant)內燃機燃氣輪機裝置示意圖噴氣發動機渦扇噴氣發動機4、總結規律1）熱機結構相同，熱變工方式不同，但本質相同。2）無論哪一種動力裝置都必須有工質、熱源3）工質的性質不同，燃燒處所不同，工質吸熱方式不同，熱變功方式也不同，但熱能與機械能轉化的經歷是相同的。

工質吸熱－膨脹做功－排熱11

1.1熱力系統1、定義?

系統--thermodynamic

system(system)

：是從一個實際系統中人為分割出來，作為熱力學研究對象的有限物質系統。?外界--surrounding

：系統以外并與系統相互作用的周圍物體。?邊界--boundary：系統與外界的分界面（線）。12

說明1、熱力系統三要素：高溫熱源＋工質＋低溫熱源2、系統與外界的人為性；

3、外界與環境介質；

4、邊界可以是：

a）剛性的或可變形的或有彈性的

b）固定的或可移動的

c）實際的或虛擬的

13

邊界示意圖16

2、

熱力系分類

1）按系統與外界質量交換分：

閉口系—closed

system

—沒有質量越過邊界

開口系—opensystem

—通過邊界與外界有質量交換19

汽缸-活塞裝置（閉口系例）

20

汽車發動機（開口系示例）

21

1）閉口系與系統內質量不變的區別；

2）開口系與絕熱系的關系；

3）孤立系與絕熱系的關系；

注意：2）按有無物質和能量交換的特殊情況分

絕熱系—adiabaticsystem—

與外界無熱量交換;

孤立系—isolatedsystem—

與外界無任何形式的質能交換。22

3、熱力系統選擇例1、

熱力系示例圖剛性絕熱氣缸-活塞系統，B側設有電熱絲

紅線內

——閉口絕熱系黃線內不包含電熱絲

——閉口系黃線內包含電熱絲

——閉口絕熱系藍線內

——孤立系23

例2、

熱力系示例圖剛性絕熱噴管取紅線為系統—取噴管為系統—

開口系絕熱系閉口系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例325

1.2

工質的熱力學狀態及其基本狀態參數一、熱力狀態與狀態參數1、熱力學狀態—tate

of

thermodynamic

system—熱力學中把工質在熱力變化過程的某一瞬間所呈現的宏觀物理狀況稱熱力學狀態；

2、狀態參數—state

properties

—描述共質所處狀態的宏觀物理量

26

a）狀態參數是宏觀量，是大量粒子運動的宏觀平均效應；b)狀態參數只取決于系統的狀態，而與達到這一狀態所經歷的途徑無關；c）熱力狀態可由兩個獨立狀態參數確定，即任意狀態參數都可以表示成其他兩個參數的函數，故只要兩個參數確定，狀態即可確定；說明二、工質的基本狀態參數1、溫度（temperature）1）、溫度的定義：

2）、測溫的基礎—熱力學零定律

(zeroth

law

of

thermodynamics)

28

3）、溫標—

temperature

scale

熱力學溫標和國際攝氏溫標

(thermodynamics

scale;

Kelvin

scale;

absolute

temperature

scale

and

internal

Celsius

temperature

scale)華氏溫標和攝氏溫標29

2、

壓力--pressure絕對壓力

p—absolute

pressure

表壓力

pe（pg）--

gauge

pressure;

manometer

pressure

真空度

pv—vacuum;

vacuum

pressure當地大氣壓pb—localatmosphericpressure三種壓力之間的關系31

常用壓力單位：例題：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peA解：34

3、比體積和密度比體積(specific

volume)

單位質量工質的體積密度(density)單位體積工質的質量35

1.3

平衡狀態、狀態公理及狀態方程

--thermodynamic

equilibrium

state

1、平衡狀態定義：一個熱力系統，在不受外界影響的條件下（與外界隔絕一切聯系）或處在不變的外界條件下（外界的壓力、溫度保持不變）經過一定時間后，系統的宏觀狀態保持均勻一致，不隨時間而改變，這樣熱力系統處于熱力平衡狀態。36

說明

1、平衡狀態是指組成熱力系統各部分之間

在無外界作用的條件下，系統內部系統與外界處處溫度相等。

在無外界作用的條件下，系統內

部，系統與外界處處壓力相等。?熱平衡—thermal

equilibrium?力平衡—mechanical

equilibrium?熱力平衡的充要條件—系統同時達到熱平衡和力平衡。

37

2、熱力系統當處于平衡狀態時，各參數都有確定的值；3、熱力平衡狀態系統只要不受外界影響，他的狀態就不會隨時間變化，平衡也不會自動被破壞。

4、處于不平衡狀態的系統，在沒有外界影響下，總會自發趨于平衡；

5、一切實際的熱力系統都不是嚴格的平衡狀態，對于由氣相組成的熱力系統，在外界沒有發生變化的情況下，系統很塊并自動由不平衡恢復到平衡狀態。

6、區分平衡與均勻的概念38

討論：1）系統平衡與均勻2）平衡與穩定—平衡可不均勻—穩定未必平衡39

2、狀態方程

—

state

equation狀態方程狀態方程式：三個基本狀態參數（p、v、T）之間的函數關系：F(p，v，T)＝0

顯函數形式：T＝f1(p，v)，

p＝f2(v，T)，v＝f3(p，T)

理想氣體狀態方程

—ideal-gas

equation;

Clapeyron’s

equation

40

3.狀態參數坐標圖—parametriccoordinates

一簡單可壓縮系只有兩個獨立參數，所以可用平面坐標上一點確定其狀態，反之任一狀態可在平面坐標上找到對應點，如：幾點說明坐標圖上每一點代表一個平衡狀態；坐標圖上每一條線代表一個準平衡過程；坐標圖上每一條線下面形成的面積都有確定的物理意義。42

1.4

準靜態過程(quasi-static

process;quasi-equilibrium

process)

1、熱力過程：系統從初始狀態變化到終了狀態所經歷的全部狀態。

狀態變化的原因：

1）系統本身未達到平衡狀態，系統就會由不平衡狀態趨向平衡狀態

；2）當系統本身已處于平衡狀態，這時系統狀態的變化必須在外界功和熱的作用下才能發生，促使共質向新的狀態變化。43

1.4

準靜態過程(quasi-static

process;quasi-equilibrium

process)2、準平衡過程：系統在狀態變化過程中，工質有足夠的時間恢復平衡，隨時不至于遠離平衡狀態。這種由一系列的平衡狀態所組成的過程。進行條件：

破壞平衡的勢—過程進行無限緩慢

工質有恢復平衡的能力準靜態過程可在狀態參數圖上用連續實線表示無窮小44

3、

可逆過程--

Reversible

process定義：當完成某一過程之后，如果有可能使工質沿相同的途徑返回復到原來狀態，并使相互作用中所涉及到的外界也恢復到原來狀態而在外界不留下任何變化的過程。

45

1.可逆過程=準平衡過程+過程中沒有耗散效應;

2.準平衡過程著眼于系統內部平衡，可逆著眼于系統內部及系統與外界作用的總效果;準平衡過程是可逆過程的必要條件,但不充分;3.可逆過程是實際過程的理想極限.一切實際過程都不可逆;

4.不平衡過程一定是不可逆過程;5.可逆過程的充分必要條件:準平衡過程、無摩擦、過程無限緩慢、無任何耗損6.可逆過程可用狀態參數圖上實線表示;

討論：46

3、

功、可逆過程的功--work力學上：是力與沿力的作用方向的位移的乘積。熱力學上：當系統和外界有壓差時，系統通過邊界和外界傳遞的能量。

47

功是過程量功可以用p-v圖上過程線與v軸包圍的面積表示48

功的符號約定：

系統對外作功為“+”；

外界對系統作功為“-”

功的單位：功率的單位：附：49

幾點討論1.功的數值不僅決定于初始狀態，而且與過程間的途徑有關——功