1、基本概念,1.1 热力系统,1.热力系统（热力系、系统、体系）的定义：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统叫做热力系统。 2.系统、外界与边界外界：系统以外的所有物质。边界（界面、控制面）：系统与外界的分界面。系统与外界通过边界交换能量和质量。,热力系统举例, 热力系统的分类 与外界是否有物质交换 闭口系统（闭系、封闭系统、控制质量系统）； 开口系统（开系、敞开系统、控制体积系统）。 开系和闭系在一定条件下可互相转化，主要 取决于分析问题的需要和方便。,开系与闭系的转化, 热力系统的分类 与外界是否有能量交换 简单热力系统； 绝热系统； 孤立系统。 孤立系统一定是闭口系统，也一定是绝热
2、系统。, 热力系统的分类, 系统内物质组成的特征 单组分系统：工质只由单一组分的物质组成 多组分系统：工质由多种不同组分的物质组成, 热力系统的分类, 系统内工质的相态 均匀系统； 单相系统； 多相系统。 均匀系统一定是单相系统。,1.2 热力状态,1.2.1 状态及状态参数 定义 某一瞬间热力系统所呈现的宏观状况称为系统 的状态。 描述系统所处状态的宏观物理量称为状态参数。,状态参数的分类, 基本状态参数：可以直接测量的状态参数。如压力p、温度T、比体积v。 导出状态参数：由基本状态参数间接求得的参数。如内能U、焓H、熵S等。,1. 压力, 压力的定义 沿垂直方向作用在单位面积上的力称为压力
3、（即物理中压强）。 对于容器内的气态工质来说，压力是大量气体分子作不规则运动时对器壁单位面积撞击作用力的宏观统计结果。 压力的方向总是垂直于容器内壁。,压力的单位,压力的单位是N/m2 ，符号是帕（Pa） 常用压力单位的换算见附表1（222页） 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 at = 1 kgf/ cm2 = 9.8067 104 Pa 1 MPa = 106Pa 103kPa 10bar,压力的表示方法 绝对压力（p）、表压力（pg）、 真空度（pv） 绝对压力p、表压力pg、真空度pv、 大气压力pb的关系 pg =p- pb pv= pb-p 只有绝对
4、压力p才是系统的状态参数。,例1：已知甲醇合成塔上压力表的读数为 150kgf/cm2，这时车间内气压计上的 读数为780mmHg。试求合成塔内绝 对压力等于多少kPa？,例2：在通风机吸气管上用U型管压力计测出的压 力为300mmH2O，这时气压计上的读数750mmHg。 试：（1）求吸气管内气体的绝对压力等于多少 kPa？ （2）若吸气管内的气体压力不变，而大气 压下降至735mmHg，这时U型管压力计 的读数等于多少？,例3：某容器被一刚性壁分成两部分，在容器的不同部位安装 有压力计，如图所示。压力表A、C位于大气环境中，B位 于室中。设大气压力为97kPa： （1）若压力表B、表C的读
5、数分别为75kPa、0.11MPa，试确 定压力表A上的读数及容器两部分内气体的绝对压力； （2）若表C为真空计，读数为24kPa，压力表B的读数为 36kPa，试问表A是什么表？读数是多少？,2. 温度, 传统：温度是物体冷热程度的标志。 微观：温度是衡量分子平均动能的量度。T 0.5 m c2T=0 0.5 m c2=0 分子一切运动停止，零动能。, 热力学第零定律, 热平衡：不同物体的冷热程度相同，则它们处于热平衡。 热力学第零定律（热力学中的一个基本实验结果）： 若两个热力系分别与第三个热力系处于热平衡，那么这两个热力系也处于热平衡。,温度测量的理论基础 B 相当于温度计, 为什么叫做
6、热力学第零定律,热力学第零定律 1931年 T 热力学第一定律 18401850年 E 热力学第二定律 18541855年 S 热力学第三定律 1906年 S基准, 温度的热力学定义,由热力学第零定律可以推断：处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量温度。 温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。 热力学第零定律给出了比较温度的方法。, 温标, 摄氏温标 t （单位） 华氏温标 t （单位） 热力学温标 T （单位 K） 朗肯温标 T （单位R ）,摄氏温标和热力学温标,摄氏温标规定，标准大气压下纯水的冰点温度为0，沸点温度为100，两
7、定点的温度，按温度与测量物质的某种物理量（如液柱体积、金属电阻等）的线性关系确定。热力学温标是与测温物质无关的温标，它选取水的三相点的温度为273.16K，定义1K的温度间隔等于水的三相点热力学温度的1/273.16。, 常用温标之间的关系,0.01,绝对K,摄氏,华氏,朗肯R,100,373.15,273.16,0,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,32,-459.67,0,459.67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水熔点,水沸点,559.67,273.15,发烧,0, 温标之间的换算关系：,3.比体积（比容）, 比容：单位质量物质所占的容积 m3
8、/kg 密度：单位容积所含的物质质量 kg/m3 反应了工质聚集的疏密程度,1.2 热力状态,状态参数是状态的单值函数。状态确定，则状态参数也随之确定；反之亦然。,状态参数的积分特性：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关。,状态参数的微分特性：全微分,1.2.2 状态参数的特性,1.数学特性,状态参数的积分特性,状态参数z的变化量与路径无关，只与初终态有关。,数学上：,是点函数、态函数,1,2,a,b,状态参数的微分特性,设 z =z (x , y) ， dz是全微分,充要条件是：,可判断是否是状态参数。,则：,2.强度参数和广度参数 强度参数：与物质的量无关的参数。 如 p、T、v 等
9、 强度参数具有不可加性。 把一个均匀系统划分成若干个子系统，各子系统的同名 强度参数相同，且与整个系统的同名强度参数相同。 非均匀系统内各处的同名参数值却不一定相同。, 广度参数：与物质的量有关的参数。 广度参数具有可加性，如 m、V、U、E、H、S 等。 无论系统均匀与否，广度参数具有确定的值。 单位质量的广度参数称为比参数，如v、u、h、s 等。 比参数具有强度参数的性质； 广度参数用大写字母表示，比参数用小写字母； 习惯上把除比容以外的比参数的“比”省略。 单位摩尔的广度参数称为摩尔参数，摩尔参数也具 有强度参数的性质。,1.2 热力状态,1.2.3 平衡状态 定义：在不受外界影响的条件
10、下（重力场除外），如果系统的宏观状态不随时间变化，则该系统处于平衡状态。 不能把平衡态简单地说成不随时间而改变的状态，也不能说成外界条件不变的状态。平衡态是指系统的宏观性质不随时间变化的状态。 平衡与均匀：均匀系统一定处于平衡状态，反之则不然。, 实现平衡的条件 热平衡 温度相等 力平衡 压力相等 相平衡 各相间化学位相等 化学平衡 反应物与生成物化学 位相等 此外，系统与外界之间也要处于相互平衡中。,只有平衡状态，才可用一组状态参数来描述。,1.2.4 状态方程与状态参数坐标图,不需要，只要知道描述系统状态所需的独立状态参数的数目（即自由度）就可以了！,想确切描述某个热力系统，是否需要所有状
11、态参数？,1.系统状态的自由度 其中是系统的组分个数，是系统中相的个数。 2.状态方程 对于任意系统所处的状态来说，只有个独立状态参数作为自变量，其它参数均可视为因变量。 将任一因变量表示为自变量的函数关系式，称为状态方程。,对单组分单相系统， 2,压力p、温度T、比体积v是基本状态参数，经常被作为自变量。,气体状态方程可表示为,或,对单组分理想气体， 就是最简单的状态方程。,3. 状态参数坐标图,采用由任意两个独立状态参数（ 2 ）构成的平面坐标系上的一点来描述系统所处的实际状态，这种坐标图就是热力系统的状态参数坐标图。,常见的p-v图和T-s图就是最常用的坐标图。,2）过程线中任意一点为平
12、衡态；,3）不平衡态无法在图上用实线表示。,1）系统任何平衡态都可表示在坐标图上；,3. 状态参数坐标图, 状态参数坐标图不但可用来确定系统所处的 状态，而且还可用来分析状态经历不同变化 的过程，在工程上有着广泛应用。 除p-v、T-s图外，还有h-s、T-p、lnp-h图等。,3.状态参数坐标图, 若热力系统的状态自由度不止两个时，就必须取二元以上的坐标系来描述系统的状态。 若所描述的系统并非均匀系或处于非平衡态时，一般可把系统按其内部均匀部分（如不同相态部分）或局部平衡部分，分成若干子均匀系或子平衡态，然后再应用上述独立状态参数的表示法分别予以处理。,1.3 热力过程,在外界的影响下，热力
13、系统的工质状态沿特定规律发生变化的总历程称为热力过程，简称过程。实际热力过程是经历了一系列非平衡状态从状态1变化到状态2的，因此要使过程进行，必须存在不平衡势差（如温度差、压力差、化学位差等）。,1.3.1准静态过程（或准平衡过程）,平衡状态,状态不变化,能量不能转换,非平衡状态,无法简单描述,热力学引入准静态（准平衡）过程,一般过程,p，T,p0,突然去掉重物,最终,p2 = p0,T2 = T0,p,v,1,2,.,.,准静态过程（或准平衡过程）,p，T,p0,假如重物有无限多层,每次只去掉无限薄一层,p,v,1,2,.,.,.,系统随时接近于平衡态,准静态过程有实际意义吗？,既是平衡，又
14、是变化,既可以用状态参数描述，又可进行热功转换,疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？,准静态过程的工程条件,破坏平衡所需时间 （外部作用时间）,恢复平衡所需时间 （驰豫时间）,有足够时间恢复新平衡 准静态过程,过程的每一步不仅内部必须保持力平衡，系统与外界之间也必须保持力平衡。否则，有限力差推动的过程，必为非静态过程。这是作功过程中得出的结论，但完全可以推广到传热、相变和化学反应中去。,准静态过程的工程应用,例：活塞式内燃机 2000转/分，曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程,活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s,压力波恢复平衡速度（声速）340 m/s,破坏平衡所
15、需时间 （外部作用时间）,恢复平衡所需时间 （驰豫时间）,一般的工程过程都可认为是准静态过程,具体工程问题具体分析。“突然”/“缓慢”, 力、温度、化学势分别是推动作功、传热、化学 反应的势，所以有限势差推动的过程必为非准静 态过程。要实现准静态过程，必须在无限小势差 推动下进行。 准静态过程的每一步，势力系必须保持平衡。因 此严格地讲，准静态过程必须无限缓慢地进行。 只有准静态过程才能用确定的状态参数的变化来 描述，才能在坐标图中用连续曲线来表示，才能 用热力学方法来分析。,耗散效应 准静态过程的讨论中，并未涉及摩擦现象。由于摩擦做功，会造成能量损耗。 其实即使存在摩擦，过程的每一步，热力系
16、仍可保持平衡态。所以说，摩擦现象并不影响准静态过程的实现。但是由于摩擦，逆行时系统不能复原到原来的状态。,1.3.2 可逆过程,当系统经历某一过程后，如果令过程沿相同的路径逆行能使过程中所涉及的一切（系统和外界）都恢复到原来状态，而不留下任何痕迹，则这一过程称为可逆过程。 不满足上述热力条件的过程，称为不可逆过程。, 定义, 实际的热力过程都是不可逆过程。 可逆过程虽然是一种理想化了的热力过程， 但在相同的条件下，可作为判别实际不可逆 过程偏离理想可逆极限程度的标准。, 可逆过程与准静态过程的关系, 准静态过程只是立足于实现系统内部工质状态的平衡性问题，它只涉及工质内部的状态变化。耗散效应对准
17、静态过程无影响。,准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程, 可逆过程不仅要求系统内部工质必须是平衡可逆的，而且要求系统工质与外界发生相互作用关系（能量传递效果）时也必须是平衡可逆的。因而是反应了系统工质与外界两方面所产生的总效果。, 要实现可逆，系统的内部和外部都必须是可逆的，即不存在任何不可逆损失。, 可逆过程必然是准静态过程，而准静态过程只是实现可逆过程的条件之一。, 可逆过程与准静态过程的关系,引入可逆过程的意义, 准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。, 可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，容易分析。, 实际
18、过程不是可逆过程。但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。,1.3.3 热力循环,定义：工质从某一状态出发，经历一系列过程后又回到初始状态，这些过程的综合称为热力循环，简称循环。 热力循环在状态参数坐标图上，可表示为一根封闭的曲线，这样系统内工质的任一状态参数 z 在经过每一热力循环后，应保持, 如果循环中的每个过程都是可逆的，则这个循环 称为可逆循环。在坐标图上，可逆循环用闭合实线表示，循环方向以箭头表示。 顺时针方向，称为正循环，是将热变为功的循环； 逆时针方向，称为逆循环，消耗功而把热量由低温热源送至高温热源的循环。 含有不可逆过程的
19、循环称为不可逆循环。不可逆循环中的不可逆过程用虚线表示。,热力循环的评价指标,正循环：净效应（吸热，对外作功）,W,T1,Q1,Q2,T2,动力循环：热效率,热力循环的评价指标,逆循环：净效应（对内作功，放热）,W,T0,Q1,Q2,T2,制冷循环：制冷系数,热泵循环：制热系数,例4：判断下列过程中哪些是可逆的不可 逆的可以是可逆的，并扼要说明不可 逆的原因。 （1）对刚性容器内的水加热，使其在恒温下蒸发； （2）对刚性容器内的水作功，使其在恒温下蒸发； （3）对刚性容器中的空气缓慢加热。使其从50升温 到100； （4）一定质量的空气，在无摩擦、不导热的汽缸和活 塞中被缓慢压缩； （5）50的水流与25的水流绝热混合。,思考题,有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？,不对，关键看是否引起外界变化。,可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到初态。,可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。,本 章 小 结,基本概念： 热力系统 热力状态、状态参数 平衡状态、状态方程 p-V、T-S 状态参数坐标图 热力过程、准静态过程、可逆过程 热力循环、评价指标,
