基本概念及定义.

1、第一部分第一部分 热力学基本定律热力学基本定律第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 本章提要本章提要: : 本章阐明热力学系统（热力系）的定义及其描述，着重介绍热力系的平本章阐明热力学系统（热力系）的定义及其描述，着重介绍热力系的平衡状态的概念，描述平衡状态的基本状态参数比容、压力和温度，及体现衡状态的概念，描述平衡状态的基本状态参数比容、压力和温度，及体现三者相互关系的状态方程式。定义了热力系的准平衡过程并对热力循环作三者相互关系的状态方程式。定义了热力系的准平衡过程并对热力循环作了初步的介绍了初步的介绍本章要求本章要求: : 1 1了解热力系的定义，平衡状态的概念和应满足的平衡条件。

2、了解热力系的定义，平衡状态的概念和应满足的平衡条件。 2 2掌握基本状参数掌握基本状参数p p、v v、T T的定义、计量及不同单位间的换算。的定义、计量及不同单位间的换算。 3 3了解准平衡过程的定义及提出准平衡过程的意义和作用。了解准平衡过程的定义及提出准平衡过程的意义和作用。 4 4对不同的热力循环及其作用建立起初步的概念。对不同的热力循环及其作用建立起初步的概念。11 热力系热力系n一一 热力系、外界与边界热力系、外界与边界n在对一个现象或一个过程进行分析时为了确在对一个现象或一个过程进行分析时为了确定研究的对象，规划出研究的范围，常定研究的对象，规划出研究的范围，常从若从若干物体中取

3、出需要研究的部分干物体中取出需要研究的部分这种被取出这种被取出的部分叫做热力学系统，简称的部分叫做热力学系统，简称热力系热力系。n外界（或环境）外界（或环境）热力系周围与系统发生热力系周围与系统发生相互作用的物体。相互作用的物体。n界面（或边界）界面（或边界）热力系与外界的分界面。热力系与外界的分界面。11 热力系热力系n一一 热力系、外界与边界热力系、外界与边界n补充说明：补充说明：n1 如何掌握基本概念如何掌握基本概念n 例如：例如：n电器插头的发热问题，你会分析吗？电器插头的发热问题，你会分析吗？n2 基本概念和专业名词的关系基本概念和专业名词的关系n3 深层次的含义深层次的含义11 热

4、力系热力系n二二 热力系的分类热力系的分类n1 按热力系与外界进行物质交换的情况分：按热力系与外界进行物质交换的情况分：n（1）闭口系）闭口系(或或闭系闭系)热力系与外界无物质交热力系与外界无物质交换换，或者说没有物质穿过边界。热力系内部的质，或者说没有物质穿过边界。热力系内部的质量将保持不变，称为量将保持不变，称为控制质量控制质量(C.M.)，故闭口系，故闭口系即是我们所研究的某即是我们所研究的某“控制质量控制质量”。n（2）开口系）开口系(或或开系开系)热力系与外界之间有物热力系与外界之间有物质交换，或者说有物质穿过边界。热力系内部的质交换，或者说有物质穿过边界。热力系内部的质量可以变化的

5、，也可以不变。但我们可以质量可以变化的，也可以不变。但我们可以规划规划热力系的空间范围不变热力系的空间范围不变，叫作，叫作控制容积控制容积(C.V.)，或，或控制体，故开口系即是我们所研究的某控制体，故开口系即是我们所研究的某“控制控制体体”。11 热力系热力系n二二 热力系的分类热力系的分类n2 按热力系与外界进行能量交换的情况按热力系与外界进行能量交换的情况分：分： n简单热力系简单热力系热力系与外界只交换热量及热力系与外界只交换热量及一种形式的准静功；一种形式的准静功；n绝热系绝热系热力系与外界无热交换；热力系与外界无热交换；n孤立系孤立系热力系与外界既无能量交换又无热力系与外界既无能量

6、交换又无物质交换物质交换。11 热力系热力系n二二 热力系的分类热力系的分类n3 按热力系内部状况分：按热力系内部状况分：n（1）单元系）单元系只包含一种化学成分的物质只包含一种化学成分的物质n（2）多元系）多元系包含两种以上的物质包含两种以上的物质n（3）均匀系）均匀系各部分具有相同的性质，如各部分具有相同的性质，如单相系单相系n（4）非均匀系）非均匀系各部分具有不同的性质，各部分具有不同的性质，如复相系如复相系11 热力系热力系n二二 热力系的分类热力系的分类n4 按工作物质的状态变化分：按工作物质的状态变化分：n（1）可压缩系统可压缩系统由可压缩流体构成的热力系；由可压缩流体构成的热力系

7、；n最常用的工质是一些可压缩流体最常用的工质是一些可压缩流体(如蒸汽动力装置中如蒸汽动力装置中的水蒸气，燃气动力装置中的燃气，等等的水蒸气，燃气动力装置中的燃气，等等) n（2）简单可压缩系统简单可压缩系统可压缩系统与外界只有可压缩系统与外界只有准静容积变化功准静容积变化功(膨胀功或压缩功膨胀功或压缩功)的交换的交换n工程热力学中讨论的大部分系统都是简单可压缩系工程热力学中讨论的大部分系统都是简单可压缩系统。统。11 热力系热力系n三三 热源和冷源热源和冷源n1 热源热源某种具有无限大热容量的系统，某种具有无限大热容量的系统，它对外放出有限的热量时其自身的温度维持它对外放出有限的热量时其自身的

8、温度维持不变。不变。n2 冷源冷源某种具有无限大热容量的系统，某种具有无限大热容量的系统，它对外吸入有限的热量时其自身的温度维持它对外吸入有限的热量时其自身的温度维持不变。不变。12 热力系的描述热力系的描述 n一一 热力系的状态、平衡状态及状态参数热力系的状态、平衡状态及状态参数 n1 热力系的状态热力系的状态热力系在某一瞬间所呈热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。现的宏观物理状况。n2 平衡状态平衡状态是指在没有外界影响的条件是指在没有外界影响的条件下系统的各部分在长时间内不发生任何变化下系统的各部分在长时间内不发生任何变化的状态。的状态。 12 热力系的描述热力系的描述 n一一 热力系

9、的状态、平衡状态及状态参数热力系的状态、平衡状态及状态参数 n3 建立平衡态的必要条件和特征：建立平衡态的必要条件和特征：n（1）温差的消失则是系统建立起热平衡的必要条件）温差的消失则是系统建立起热平衡的必要条件 n（2）力差的消失是使系统建止起力学平衡的必要条件）力差的消失是使系统建止起力学平衡的必要条件n特征：特征：处于平衡状态的热力系应具有均匀一致的温度处于平衡状态的热力系应具有均匀一致的温度(T)、压力、压力(P)等等。对于任意给定的平衡热力系可以用等等。对于任意给定的平衡热力系可以用确定的确定的T,P 等物理量来描述。等物理量来描述。n4 状态参数：状态参数：n用来描述热力系平衡状态

10、的物理量称为用来描述热力系平衡状态的物理量称为状态参数状态参数。 12 热力系的描述热力系的描述 n二二 状态参数的特性状态参数的特性n1 描述热力系状态的物理量分类：描述热力系状态的物理量分类：n（1）尺度量：尺度量：与系统中所含物质的数量有关的与系统中所含物质的数量有关的物理量物理量n特性：（特性：（a）具有可加性）具有可加性总量等于各部分分总量等于各部分分量之和量之和 ；（；（b）对于平衡热力系而言，尺度量与）对于平衡热力系而言，尺度量与系统的体积或质量成正比。（系统的体积或质量成正比。（c）平衡及非平衡）平衡及非平衡热力系均具有确定的数值。热力系均具有确定的数值。 n（2）强度量：强度

11、量：与系统中所含物质的数量无关，与系统中所含物质的数量无关，在热力系中任一点具有确定的数值的物理量在热力系中任一点具有确定的数值的物理量12 热力系的描述热力系的描述 n二二 状态参数的特性状态参数的特性n2 特性：特性：n（1）状态参数是状态的单值函数）状态参数是状态的单值函数n（2）状态参数的变化量等于初、终状态下该状状态参数的变化量等于初、终状态下该状态参数的差值，而与过程如何进行无关态参数的差值，而与过程如何进行无关n许多工程问题只关心结果，而不关心过程，如电许多工程问题只关心结果，而不关心过程，如电热开水等。热开水等。n（3）经历一封闭的状态变化过程，其状态参数）经历一封闭的状态变化

12、过程，其状态参数的变化为的变化为0n（4）状态函数的微分是全微分。）状态函数的微分是全微分。13 基本状态参数基本状态参数 n简单可压缩平衡系的状态常用状态参数比体简单可压缩平衡系的状态常用状态参数比体积积v 、压力、压力P 、温度、温度T 来描述。这些物理量都来描述。这些物理量都是可以测量的，称为是可以测量的，称为基本状态参数基本状态参数。n一一 密度及比体积密度及比体积 n（略）（略）n二二 压力压力n1 定义：单位面积上所受到的垂直作用力称定义：单位面积上所受到的垂直作用力称为为压力压力(或压强或压强)。13 基本状态参数基本状态参数 n二二 压力压力n2 微观解释：气体的压力是气体分子

13、运动撞微观解释：气体的压力是气体分子运动撞击表面，而在单位面积上所呈现的垂直于壁击表面，而在单位面积上所呈现的垂直于壁面的平均作用力面的平均作用力n3 压力的测量：压力的测量：n（1）弹簧管压力计弹簧管压力计n（2）测量微小压力的测量微小压力的U形管压力计形管压力计13 基本状态参数基本状态参数 n二二 压力压力n4 绝对压力、表压力和真空度绝对压力、表压力和真空度n 表上所指示的压力并非被测系统的真实压力，而表上所指示的压力并非被测系统的真实压力，而是系统压力与当时当地大气压力是系统压力与当时当地大气压力Pb的差值；称为的差值；称为表表压力压力，用，用 Pe表示。表示。n系统的真实压力称为系

14、统的真实压力称为绝对压力绝对压力，用，用 P表示。表示。n（1） PPb时时 PePPb 所以所以PPePbn（2） PPb时时 PvPbP 所以所以PPbPvn此时测量压力的仪表叫真空计。真空计上的读数称此时测量压力的仪表叫真空计。真空计上的读数称为为真空度真空度，用，用 Pv表示表示13 基本状态参数基本状态参数 n二二 压力压力n5 压力的单位压力的单位n导出的压力单位，称为帕斯卡，单位符号为导出的压力单位，称为帕斯卡，单位符号为Pa，1Pa1N/m2n工程应用常用工程应用常用MPa(即即106Pa)作为压力单位。作为压力单位。n习惯上曾用巴习惯上曾用巴(符号为符号为bar，1bar=1

15、05Pa)作为压力单位作为压力单位。n 在公制单位中，压力用工程气压在公制单位中，压力用工程气压(at)作单位：作单位：n1at=1kgf/cm2n 物理学中，把纬度物理学中，把纬度45o的海平面上的常年平均气压定作标准大的海平面上的常年平均气压定作标准大气压。气压。1标准大气压（标准大气压（1atm）在气压计上的水银柱高度为）在气压计上的水银柱高度为760mm13 基本状态参数基本状态参数 n二二 压力压力n6 注意：注意：n（1） 系统的真实压力称为系统的真实压力称为绝对压力绝对压力，用，用 P表示表示n（2） 绝对压力和表压力、真空度、大气压力的关系绝对压力和表压力、真空度、大气压力的关

16、系n（3）大气压力的影响）大气压力的影响n（4）大气压力视为定值，可取值为）大气压力视为定值，可取值为0.1MPa或或1atn（5）影响绝对压力的因素有哪些）影响绝对压力的因素有哪些13 基本状态参数基本状态参数 n三三 温度及热力学第零定律温度及热力学第零定律n1 热力学第零定律热力学第零定律n如果两个热力系中的每一个都与第三个系统处于热平如果两个热力系中的每一个都与第三个系统处于热平衡，则它们彼此也处于热平衡。这种说法称为衡，则它们彼此也处于热平衡。这种说法称为热力学热力学第零定律第零定律。 n2 温度温度n温度是决定一系统是否可与其它系统处于热平衡的物温度是决定一系统是否可与其它系统处于

17、热平衡的物理量理量 13 基本状态参数基本状态参数 n三三 温度及热力学第零定律温度及热力学第零定律n3 温度标尺温度标尺n（1）温标）温标表示温度高低的尺度表示温度高低的尺度 n（2）温度的测量：）温度的测量：n温度计温度计利用测温物质在两系统相互作用中所引起的某利用测温物质在两系统相互作用中所引起的某种特性的变化，将被测系统的温度显示出来种特性的变化，将被测系统的温度显示出来n常用特性：常用特性：(a)温度变化时的容积变化；温度变化时的容积变化；(2)定体积下气体定体积下气体压力随温度的变化；压力随温度的变化；(3) 温度变化时的电阻变化；温度变化时的电阻变化；(4)两种两种不同材料的导线

18、在接触点温度不等时产生的热电势；不同材料的导线在接触点温度不等时产生的热电势；(5)辐辐射强度随温度的变化射强度随温度的变化(用于高温测量用于高温测量)；(6)磁效应磁效应(用于极低用于极低温度测量温度测量)；等等。；等等。13 基本状态参数基本状态参数 n三三 温度及热力学第零定律温度及热力学第零定律n4 经验温标经验温标na 确定温标的基准点确定温标的基准点 b 确定分度的方法确定分度的方法n（1）摄氏温标）摄氏温标 n（2）华氏温标）华氏温标 n（3）理想气体温标）理想气体温标n选定任意一种测温物质的某种特性，采用任意一选定任意一种测温物质的某种特性，采用任意一种温度标定规则所得到的温标

19、称为种温度标定规则所得到的温标称为经验温标经验温标 13 基本状态参数基本状态参数 n三三 温度及热力学第零定律温度及热力学第零定律n5 热力学绝对温标热力学绝对温标n热力学理论提供了建立一种新的温标的可能性。热力学理论提供了建立一种新的温标的可能性。这种温标将摆脱测温物质物理性质的影响而成为这种温标将摆脱测温物质物理性质的影响而成为度量物体温度的共同标准。这种温标称为度量物体温度的共同标准。这种温标称为热力学热力学绝对温标绝对温标。n热力学绝对温标采用热力学绝对温标采用“开开尔文尔文”作为度量温度的作为度量温度的单位，单位符号为单位，单位符号为K(开开)。1开尔文为水三相点的开尔文为水三相点

20、的热力学温度的热力学温度的 1/273.1614状态方程式，状态参数坐标图状态方程式，状态参数坐标图 n一一 状态公理状态公理n对于组成一定的闭系的给定平衡状态而言，可用对于组成一定的闭系的给定平衡状态而言，可用n + 1个独立的状态参数来限定它。这里个独立的状态参数来限定它。这里n 是系统可是系统可能出现的准静功形式的数目，能出现的准静功形式的数目，1 是考虑系统与外是考虑系统与外界的热交换。界的热交换。n决定简单可压缩系统平衡状态的独立状态参数只决定简单可压缩系统平衡状态的独立状态参数只有有n 十十11十十1= 2个个 14状态方程式，状态参数坐标图状态方程式，状态参数坐标图 n二二 纯物

21、质的状态方程式纯物质的状态方程式 n1 纯物质：组成同一，化学结构处处一致纯物质：组成同一，化学结构处处一致n2 纯物质的状态方程式纯物质的状态方程式n 纯物质构成的简单热力系，其独立的状态参数只纯物质构成的简单热力系，其独立的状态参数只有两个有两个nF （ p、v、T ） 0n反映了物质基本状态参数反映了物质基本状态参数p、v、T 间的函数关系，间的函数关系，称为称为物质的状态方程式物质的状态方程式。14状态方程式，状态参数坐标图状态方程式，状态参数坐标图 n三三 状态参数坐标图状态参数坐标图n由热力状态参数所组成的坐标系称为由热力状态参数所组成的坐标系称为热力状态坐热力状态坐标系标系，如，如Pv 系，系，TP系等等系等等n特别注意特别注意：n只有平衡状态才能在状态坐标图上用点来表示，只有平衡状态才能在状态坐标图上用点来表示，不平衡状态由于没有确定的热力状态参数，无法不平衡状态由于没有确定的热力状态参数，无法在图上表示在图上表示15 热力过程及热力循环热力过程及热力循环 n一一 热力过程热力过程n1 热力过程：热力过程：n热力系状态连续变化的过程叫做热力系状态连续变化的过程叫做热力学过程热力学过程，简，简称称热力过程热力过程 n2 不平衡过程不平衡过程n系统经历的是一系列不平衡状态。这样的过程称系统经历的是一系列不平衡状态。这样的过程称为为不平衡过程不平衡过程。15 热力