页数：105页文件大小：2.82 MB来源： 工程热力学ppt课件
本课件讲解热力学基本概念，包括热力系统与边界的选取、状态与状态参数的性质、压力温度比容三个基本状态参数及其测量，进而引入平衡状态、准静态过程与可逆过程的判据，说明功量、热量与熵的表达方式以及动力循环与制冷循环的评价指标。
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§1-1 热力系统热力系统(热力系、系统)：人为地研究对象 1、系统的定义 Thermodynamic systemsystem A quantity of matter or a regionin space chosen for study
§1-1 热力系统外界：系统以外的所有物质 2、系统、外界与边界边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界 surroundingsboundary
热力系统选取的人为性锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器只交换功只交换热既交换功也交换热
边界特性真实、虚构固定、活动 fixed、movablereal、imaginary
Types of System 开口系绝热系孤立系 Closed system Control mass Isolated system Open system Control volume 闭口系 Adiabatic system
1234m QW 1⇒开口系§1-1 热力系统非孤立系＋相关外界＝孤立系 1+2⇒闭口系 1+2+3⇒绝热闭口系 1+2+3+4⇒孤立系
热力系统其它分类方式其它分类方式物理化学性质均匀系非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相
简单可压缩系统最重要的系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功 Simple compressible system Moving Boundary Work Compression Work Expansion Work
§1-2 状态和状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述热力系状态的物理量状态参数的特征：
状态参数的积分特征状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。数学上：点函数、态函数 12ab 例：温度变化山高度变化 point function
状态参数的微分特征设 z=z(x,y)dz 是全微分充要条件：可判断是否是状态参数 Totaldifferentials
强度参数与广延参数速度动能高度位能内能温度应力摩尔数（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）Velocity Kinetic Energy Height Potential Energy Temperature Internal Energy Stress Mol
§1-3 基本状态参数压力 p、温度 T、比容 v（容易测量）
压力 p 测量示意图绝对压力与环境压力的相对值——相对压力注意：只有绝对压力 p 才是状态参数 U-tube manometer Bourdon Tube
绝对压力与相对压力示意图当 p>pb 表压力 pe 当 p<pb 真空度 pvpbpeppvprelative pressureabsolute pressure Gage pressure Vacuum pressure
环境压力与大气压力指压力表所处环境注意：环境压力一般为大气压，但不一定。见习题 1－7 环境压力 Environmental pressure 大气压力 Atmosphericpressurebarometrichbarometer
大气压力 Atmospheric pressure 大气压随时间、地点变化物理大气压 1atm=760mm Hg 当 h 变化不大，ρ≈常数 1mm Hg=ρgh=133.322Pa 当 h 变化大，ρ≈ρ(h)见习题 1－4
Other Pressure Measurement Devices 高精度测量：活塞压力计 piston manometer 工业或一般科研测量：压力传感器 Pressure transducers Piezoelectric effect
§1-3 基本状态参数压力 p、温度 T、比容 v（容易测量）2、温度 T( Temperature )Basic state properties
温度 T 的一般定义传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量微观：衡量分子平均动能的量度 T∝
温度的热力学定义热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931）如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。温度测量的理论基础 B 温度计
The Zeroth Law of Thermodynamics 如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。If two bodies are inthermalequilibriumwith a third body, theyare also inthermal equilibriumwitheach other.
为什么叫做热力学第零定律热力学第零定律 1931 年 T 热力学第一定律 1840~1850 年 E 热力学第二定律 1854~1855 年 S 热力学第三定律 1906 年 S 基准
温度的热力学定义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
Temperature measurement 温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度 Scale 温标 Temperature scale Reference state
温标 Temperature scale
常用温标之间的关系绝对 K 摄氏℃华氏 F 朗肯 R 100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67 冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点 559.67
温标的换算
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Temperature Measurement Devices 水银温度计 thermometer，酒精温度计，热电偶 Thermocouple 热电阻 Resistance temperature detector 辐射温度计 Radiation thermometer 铂电阻温度计 Platinum 激光全息干涉仪 CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法
§1-3 基本状态参数压力 p、温度 T、比容 v（容易测量）3、比容 v( specific volume )Basic state properties[m 3/kg]工质聚集的疏密程度物理上常用密度 densityρ[kg/m 3]
§1-4 平衡状态 Equilibrium state 1、定义：在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。A system in equilibrium experiencesno changes when it is isolated from itsurroundings.
Many types of Equilibrium 1、热平衡 Thermal equilibrium:if the temperature is the samethroughout the entire 温差 Temperature differential 热不平衡势 Unbalanced potentials
Many types of Equilibrium 2、力平衡 Mechanical equilibrium:if there is no change in pressure atany point of the system with time The variation of pressure as a result ofgravity in most thermodynamic system isrelatively small and usually disregarded 压差 Pressure differential 力不平衡势 Unbalanced potentials
Many types of Equilibrium
§1-4 平衡状态 Equilibrium state 温差—热不平衡势压差—力不平衡势相变—相不平衡势化学反应—化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势 In an equilibrium state there are nounbalanced potentials
平衡 Equilibrium 与稳定 Steady 稳定：参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
平衡 Equilibrium 与均匀 Even 平衡：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
为什么引入平衡概念？如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述但平衡状态是死态，没有能量交换能量交换状态变化破坏平衡如何描述
§1-5 状态方程、坐标图平衡状态可用一组状态参数描述其状态状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数 N=n+1 想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？
状态公理 State postulate 闭口系：而不平衡势差彼此独立∴独立参数数目 N=不平衡势差数=能量转换方式的数目=各种功的方式+热量=n+1n—容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等不平衡势差状态变化能量传递消除一种达到某一消除一种能量不平衡势差方面平衡传递方式
简单可压缩系统的独立变量数简单可压缩系统：N=n+ 1 =绝热简单可压缩系统⇒N= ?2 只交换热量和一种准静态的容积变化功 The state of a simple compressiblesystem is completely specified by twoindependent properties
状态方程 Equation of state 简单可压缩系统：N= 2 状态方程—基本状态参数（p,v,T)之间的关系
状态方程的具体形式理想气体的状态方程实际工质的状态方程？？？取决于工质的性质 The Ideal-Gas Equation of State
例：R 134a 的维里型状态方程
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座标图 diagram 简单可压缩系统 N=2，平面坐标图 pv
§1-6 准静态过程、可逆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 quasi-static, or quasi-equilibrium
一般过程 Processp 1=p 0+重物 p，Tp 0T 1=T 0 突然去掉重物最终 p 2=p 0T 2=T 0pv 12..
准静态过程 Quasi-static processp 1=p 0+重物 p，Tp 0T 1=T 0 假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层 pv 12...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 Relaxation time
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
准静态过程的容积变化功 pp 外 f 初始：p×A=p 外×A+f A 如果 p 外微小↓可视为准静态过程 dl 以汽缸中 mkg 工质为系统 mkg 工质发生容积变化对外界作的功δW=p×A×dl=pd V 1kg 工质δw=pdvdl 很小，近似认为 p 不变 Moving Boundary Work
准静态过程的容积变化功 pp 外 2mkg 工质：δW=pd V 1kg 工质：δw=pdv 1 注意：上式仅适用于准静态过程
示功图 indicator (p-V) diagramp V.12.pp 外 21mkg 工质：δW=pd V 1kg 工质：δw=pdv W
准静态容积变化功的说明 p V.12.2）p-V 图上用面积表示
摩擦损失 Friction Loss 的影响若有 f 存在，就存在损失 pp 外 21 系统对外作功 W，外界得到的功 W’<W 若外界将得到的功 W’再返还给系统，系统得到的功 W’’<W’则外界、活塞、系统不能同时恢复原态。
作业 1-141-151-16
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摩擦损失 Friction Loss 的影响若 f＝0pp 外 21 系统对外作功 W，外界得到的功 W’＝W 若外界将得到的功 W’再返还给系统则外界、活塞、系统同时恢复原态。
可逆 reversible 过程的定义系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。A process that can reversedwithout leaving any trace on thesurroundings. That is, both thesystem and the surroundings arereturned to their initial states atthe end of the reverse process.注意可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。
可逆过程的实现准静态过程+无耗散效应=可逆过程无不平衡势差通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）不平衡势差不可逆根源耗散效应耗散效应 irreversibility Dissipative effect
Heat transfer 常见的不可逆过程不等温传热 T 1T 2T 1>T 2Q 节流过程(阀门）p 1p 2p 1>p 2Frequently encountered irreversibilities Throttler
常见的不可逆过程混合过程
引入可逆过程的意义
完全可逆、内可逆与外可逆完全可逆可逆内部可逆，外部不可逆√常见 90℃0℃例：内可逆外不可逆 Totally reversible Internally reversible 外部可逆，内部不可逆 Externally reversible
§1-7 功量 Work
功的力学定义 Definition of Work of Mechanics 锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器 The product of aforce and thedistance throughwhich this forceacts 力×在力方向上的位移 But
功的热力学定义 I 当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。Work is done by a system if thesoleeffecton the surroundingscould betheraising of a weight.
功的热力学定义 IIWork is an energy interactionbetween a system and its surroundings,if the energy crossing the boundary of aclosed system is not heat, it must bework.功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。
功的表达式功的一般表达式热力学最常见的功—容积变化功其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等
§1-8 热量与熵 Heat and Entropy Heat is defined as the form of energythat is transferred between twosystems (or its surroundings) byvirtue of a temperature difference.热量定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。
热量如何表达？热量是否可以用类似于功的式子表示？？引入“熵”
热量与容积变化功能量传递方式容积变化功传热量性质过程量过程量推动力压力 p 温度 T 标志 d V,dvd S,ds 公式条件准静态或可逆可逆
熵（Entropy）的定义 reversible 比参数[k J/kg.K]ds:可逆过程δqrev 除以传热时的 T 所得的商清华大学刘仙洲教授命名为“熵”广延量[k J/K]
熵的说明
示功图与示热图 p VWTSQ 示功图温熵(示热)图
§1-9 热力循环 Cycle 要实现连续作功，必须构成循环定义：热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。A system is said to have undergoneacycleif it returns to its initial stateat the end of the process
循环和过程 Cycle and process 循环由过程构成不可逆循环可逆过程不可逆循环可逆循环
正循环 p VTS 净效应：对外作功净效应：吸热顺时针方向 2112 动力循环 Power cycle
逆循环 p VTS 净效应：对内作功净效应：放热逆时针方向 2112 制冷循环 Refrigeration cycle
第一章小结 Summary 基本概念
第一章讨论课 Discussion•热力系种类：闭口系、开口系、绝热系、孤立系热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。
例 1：绝热刚性容器向气缸充气试分别选取闭口系和开口系，画出充气前后边界，标明功和热的方向。
(1)以容器内原有气体为系统闭口系功量：气体对活塞作功 WWQ 热量：气体通过活塞从外界吸热 Q(当初始温度一样时）
(2)以容器内残留的气体为系统闭口系功量：残留气体对放逸气体作功 W’W’Q’热量：残留气体从放逸气体吸热 Q’
思考题 7 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。
可逆过程与准静态过程的区别和联系可逆过程一定是准静态过程准静态过程不一定是可逆过程可逆过程＝准静态过程＋无耗散可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。
判断是否准静态与可逆（1）以冰水混合物为热力系 90℃0℃缓慢加热外部温差传热准静态过程系统内部等温传热，无耗散内可逆外不可逆
判断是否准静态与可逆（2）蒸汽流经减压阀进入汽轮机典型的不可逆过程，因有漩涡，产生耗散是不是准静态，取决于开度
判断是否准静态与可逆（3）带活塞的气缸中，水被缓慢加热缓慢加热，每一时刻水有确定的温度准静态加热火与水有温差外不可逆以水为系统内可逆以水＋活塞为系统活塞与壁面无摩擦内可逆活塞与壁面有摩擦内不可逆
判断是否准静态与可逆（4）电或重物电或重物带动搅拌器加热容器中气体电功热机械功热耗散是否准静态，看加热快慢但不可逆
有用功 useful work 气缸中气体膨胀对外作功，准静态过程气体对外作功若不考虑摩擦，外界得到功但外界得到的有用功 pbp
可逆过程与准静态过程的功加热 A 腔中气体，B 被压缩，B 中理想气体 BA 1）以 B 中气体为系统绝热，无摩擦缓慢压缩准静态无摩擦可逆 B 中气体（理想气体，可逆，绝热）B 得到的功遵循
可逆过程与准静态过程的功加热 A 腔中气体，B 被压缩，B 中理想气体 BA
自由膨胀过程刚性，绝热真空•••••••••••••••••ABB 中没有气体，不能取做系统以 A 中原有气体为系统 A 中气体非准静态 A 中气体没有作功没有作功对象后进去的对先进去的气体作功了吗？
气体混合过程刚性，绝热，p A>>p B•••••••••••••••••AB 非准静态过程，非可逆过程取 A 或 B 中气体为系统可逆热力学没法计算相互有功的作用取 A＋B 气体为系统，无功
灵活处理功的计算充气球若准静态过程若取进入气球的气体为系统但 p V 的关系不知？若看外部效果，pb 不变外界得到功 pbΔV=气体作功
第一章完 End of Chapter one
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