工程热力学第2讲-第1章基本概念

常用单位：
1 1 1 1 1 1
mmHg kPa bar MPa atm at
= = = = = =
133.3 Pa 103 Pa 105 Pa 106 Pa 760 mmHg = 1.013105 Pa ≈ 1 bar 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa
工业或一般科研测量：压力传感器、压力表
V v m
1
v

m V
1.2 热力状态
强度参数与广延参数：( 是否与物质的量有关 )
强度参数：与物质的量无关的参数。如压力 p、温度T、速度c、高度z
广延参数：与物质的量有关的参数可加性。如质量m、摩尔数n、容
积 V、熵S、内能 U、焓 H、动能Ek、位能Ep
比参数：
单位：/kg /kmol
具体工程问题具体分析。注意“突然”“缓慢”！
1.3 热力过程
可逆过程：
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。
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。 可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系
1
a
b 2
1
1, a
1,b
dz 0
2 z 2 z xy yx
z z dz dx dy x y y x
1.2 热力状态
基本状态参数_压力p：
就是物理中的压强。
基本单位: Pa (Pascal), N/m2
不平衡势差
状态变化
能量传递
1.2 热力状态
状态方程：
定义：将任一因变量表示为自变量的函数关系式。 单组分单相系统：f (p, v, T ) = 0 理想气体状态方程： pV mRT 实际气体状态方程：?
pv RT
p-v图（示功图）：
对简单可压缩系统 N = 2，可用两个独立状态参数在平面坐标图上表 示系统所处的状态。 说明： 1）系统任何平衡态可表示在坐标图上； 2）过程线中任意一点为平衡态； 3）不平衡态无法在图上用实线表示。
性在于它说明了温度的定义和温度的测量方法。
1.2 热力状态
基本状态参数_温度T： 四种常用温标之间的关系：
绝对K 373.15 摄氏℃ 100 水沸点 华氏°F 212 发烧 100 32 0 朗肯° R 671.67 559.67 491.67 459.67
T [ K ] t[ O C ] 273.15
系统与外界是否传热、功、质：非孤立系 均匀系 单元系 单相系
最重要的热力系统_简单可压缩系统：
只交换热量和一种准静态的容积变化功（压缩功或膨胀功）！
1.1 热力系统
热力系统的分类图解：
m
非孤立系＋相关外界＝孤立系
1
2
1 开口系 1+2 闭口系
Q W
1+2+3 绝热闭口系 1+2+3+4 孤立系
平衡态自由度 独立参数数目N 系统内的组分数 – 系统相数 + 2 不平衡势差的数目（不平衡势差彼此独立） 能量转换方式的数目 各种功的方式 + 热量 n + 1 n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等 简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功，简单可压缩 系统的独立变量数：N = n + 1 = 2 = = = = =
pv pb p

1.2 热力状态
基本状态参数_温度T： 温度的定义：
传统：冷热程度的度量。 感觉 微观：衡量分子平均动能的量度。 T ∝0.5mw 2 热力学定义：温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的宏观 物理量。
温度的常用单位： K ，℃ 温度的测量：
理论基础——热力学第零定律。 测量工具——温度计。工业或一般科研测量：水银温度计，酒精温度
p0
p
1.
.
.
p，T
2
v
1.3 热力过程
准静态（准平衡）过程：
既是平衡，又是变化。 准静态过程既可用状态参数描述，又可进行热功转换。 只有准静态过程才能在坐标图中用连续实线表示，才可以用热力学方 法分析。
疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？
一般的工程过程都可认为是准静态过程！ 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）350 m/s
过程装备与控制工程专业
工程热力学
第二讲
山东大学机械工程学院 过程装备与控制工程研究所
本讲内容
CH0 基本概念 1.1热力系统
• 系统 边界 平衡状态 外界 状态方程
1.2 热力状态
• 状态参数
1.3 热力过程
• 准静态（准平衡）过程 • 可逆过程 • 热力循环
学习要求
CH1 基本概念
1 理解并掌握热力系统、状态、过程的基本概念：
具有强度参数的性质
V v m
比容积
U u m
比内能
H h m
比焓
S s m
比熵
1.2 热力状态
平衡状态：
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。 平衡的本质：不存在不平衡势 平衡的条件： 1、热平衡 温差 — 热不平衡势 2、力平衡 压差 — 力不平衡势 3、相平衡 相变 — 相不平衡势 4、化学平衡 化学反应 — 化学不平衡势
不可逆过程：
不可逆根源：不平衡势差、耗散效应—功变热的效应(摩阻、电阻、 非弹性变性、磁阻等）。 实际过程都是不是可逆过程，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。
常见的不可逆过程：
T1 T1>T2 Q •• • • •• • • • 真空 • • •
系统、边界、外界、封闭系统、敞开系统、简单热力系统、绝 热系统、孤立系统； 状态、状态参数、基本状态参数、导出状态参数、强度参数、 广度参数、平衡状态、自由度、状态方程； 过程、准静态过程、可逆过程、循环、正循环、逆循环、可逆 循环、不可逆循环； 压力、绝压、表压、真空度、温度、温标、比容； 过程量、状态量， p – V 图、T – S 图； 等等。
自由膨胀
p1
p1>p2
p2
• • •• ★★★ ★ • • ★★ • ★ • • •★ ★ • •• ★ ★ •• • • ★★ ★
T2
不等温传热
(阀门）节流过程
混合过程
1.3 热力过程
热力循环：
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。 意义：要实现连续热功转换，必须构成循环。 分类： <循环方向> 正循环，逆循环 <是否包含不可逆过程> 不可逆循环，可逆循环
平衡状态
非平衡状态
状态不变化
状态变化
能量不能转换
无法简单描述
热力学引入 准静态过程
准静态（准平衡）过程：
有足够时间恢复新平衡 准静态过程 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）
1.3 热力过程
一般过程：
p1 = p0+重物重量/A T1 = T0
p
1
2
p-v图
v
1.2 热力状态
平衡与稳定：
稳定：参数不随时间变化。 稳定但可以存在不平衡势差，去掉外界影响， 则状态变化。 稳定不一定平衡，但平衡一定稳定。
平衡与均匀：
平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的。 平衡：时间上 均匀：空间上
1.3 热力过程
准静态（准平衡）过程的引入：
1.1 热力系统
热力系统选取的人为性：
热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，但选取不当将 不便于分析。
举例：
锅 炉
过热器
汽轮机 发电机
凝 汽 器 给水泵
1.1 热力系统
热力系统的分类：
系统与外界是否传质： 系统与外界是否传热： 系统与外界是否传功： 系统物理化学性质是否均匀： 系统工质种类是否单一： 系统工质相态是否单一： 开口系 非绝热系 非绝功系 / / / / / / / 闭口系 绝热系 绝功系 孤立系 非均匀系 多元系 多相系
计，热电偶，热电阻，辐射温度计，铂电阻温度计。
温度计组成：物质特性、基准点、刻度。 温标：温度的数值表示法。四种常用温标
1.2 热力状态
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。
具体表述如下： 1.可以通过使两个体系相接触，并观察这两个体 系的性质是否发生变化而判断这两个体系是否已经达到平衡。 2.当外界条件不发生变化时，已经达成热平衡状态的体系，其内部的 温度是均匀分布的，并具有确定不变的温度值。 3.一切互为平衡的体系具有相同的温度，所以，一个体系的温度可以 通过另一个与之平衡的体系的温度来表达；或者也可以通过第三个 体系的温度来表达。 意义：热力学第零定律用来作为进行体系测量的基本依据，其重要
2 掌握热力学第零定律
1.1 热力系统
基本概念：
热力系统(热力系、系统)： 作为研究对象的人为指定范围内的物质。 边界（控制面）：系统和外界之间的分界面。 外界：系统之外的物质。


边界：