01第1章基本概念-电子版

第一章基本概念及定义
§1－1热能和机械能相互转换的
过程
蒸汽动力装置——电厂汽轮机车间
燃气动力装置——内燃机
燃气动力装置——燃气轮机装置
名词定义：
工质：
实现热能和机械能相互转化的媒介物质。

热源（高温热源）：
工质从中吸取热能的物系。

可恒温可变温冷源（低温热源）：
接受工质排出热能的物系。

可恒温可变温
不同点：构造和工作特性不同。

相同点：
•存在某一种媒介物质以获得能量；（如内燃机中混合气，蒸汽机中的水）
•存在能提供热能的能量源；•余下的热能排向环境介质。

比较各种热机
工质热源冷源
共同本质：由媒介物通过吸热—膨胀作功—排热
§1－2热力系统
为了研究问题方便，热力学中常把分析对象从周围物体中分割出来，研究它与周围物体之间的能量和物质的传递。

热力系统（热力系）：
人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统
外界：热力系统以外的部分
边界：系统与外界之间的分界面
系统及边界示例•汽车发动机
•汽缸-活塞装置
á边界可以是固定的，也可以是移动的
á边界可以是实在的，也可以是假想的
热力系统可以分为几种类型呢？
闭口系（closed system）
（控制质量CM）—没有质量越过边界
开口系（open system）
（控制体积CV）
—通过边界与外界有质量交换
按系统与外界有无质量交换
判断：质量保持不变的系统一定是闭口系统（）
绝热系（adiabatic system）—与外界无热量交换;
孤立系（isolated system）—
与外界无任何形式的质能交换。

按系统与外界能量交换形式
我们主要研究什么系统？
简单可压缩系（simple compressible system）
—由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交换容积变化功的有限物质系统。

注意：
1）闭口系与系统内质量不变的区别；
2）孤立系与绝热系的关系。

§1－3工质的热力学状态及其基本状态参数
热力学状态：
工质在热力变化过程中某一瞬间呈现出来的宏观物理状况，简称状态。

状态参数：
描述工质所处状态的宏观物理量。

如温度、压力等。

状态参数的特性：
1．状态参数是宏观量，只有平衡态才有状态参数，系统有多
个状态参数，如
0dx =∫v S
H U T V p ,,,,,2．状态参数是系统的单值函数。

物理上—与过程无关；
数学上—其微量是全微分。

1212a b dx dx =∫∫
基本热力学参数
一、温度：物体冷热程度的标志温度是广延量还是强度量呢？
热力学绝对温标
符号为T ，单位为K (称“开尔文”)。

规定水的三相点为基准点，并规定此点的温度为273.16K
{}{}C K 273.15t T =−D
定义：
单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强） 压力计
测量工质压力的仪器
二、压力：
á
由于压力计的测压元件处于某种环境压力的作用下，因此压力计所测得的压力是工质的真实压力p （或称绝对压力）与环境压力p b 之差，叫做表压力p e 或真空度p v 绝对压力、表压力、真空度及大气压力之间的关系
)
()(时当时当b v b b e
b p p p p p p p p p p <−=>+=书33页1-9
§1－4 平衡状态、状态方程式、坐标图
一、平衡状态（thermodynamic equilibrium state）1．定义：无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态•热平衡（thermal equilibrium）：
在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界处处温度相等。

•力平衡（mechanical equilibrium）：
在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界处处压
力相等。

•热力平衡的充要条件
—系统同时达到热平衡和力平衡。

±思考题（选学）
•平衡状态与均匀状态之间的关系？•平衡状态与稳定状态之间的关系？
²平衡状态与均匀状态之间的关系
³平衡状态是相对时间而言的，均匀状态是相对空间而言的
³对于处于热力平衡态下的气体、液体（单相），如果不计重力的影响，则系统内部各处的性质是均匀一致的，各处的温度、压力、比体积等状态参数相同。

如果考虑重力影响，则系统中的压力和密度将沿高度而有所差别。

³对于气液两相并存的热力平衡系统，气相和液相的密度不同，因而系统不是均匀的。

³本书在未加特别说明之处，一律把平衡状态下的单相物系当作是均匀的，各处的状态参数相同。

²平衡状态与稳定状态之间的关系
³就平衡而言，不存在不平衡势是其本
质，而状态参数不随时间变化只是其现象
³平衡必稳定，稳定不一定平衡
二、状态方程式
对于简单可压缩热力系统，当它处于平衡状态时，其压力、温度、比体积等参数服从一定的关系式，这样的关系式叫做状态方程式。

状态方程式是平衡状态下基本状态参数p、v、T 之间的关系状态方程式的具体形式取决于工质的性质
理想气体的状态方程式：T
R pv g =
p v 1D p 1v 1T s D
2T 2s 2p T
D 3p 3T 3O O O 状态参数坐标图
一简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点，如：
á只有平衡态才能在状态坐标图上用点表示，不平衡态没有确定的热力学状态参数，无法在图上表示
绝热自由膨胀过程
能在状态坐标图上
表示吗？
§1－5 工质的状态变化过程
（热力过程）
á就热力系本身而言，热力学仅对平衡状态进行描述。

á“平衡”意味着宏观是静止的
á而要实现能量交换，热力系又必须通过状态的变化即过程来完成，“过程”意味着变化，意味着平衡被破坏。

á“平衡”和“过程”这两个矛盾的概念怎样统一起来呢？这就需要引入准平衡过程。

一、准静态过程(quasi-static process)
或叫做准平衡过程(quasi-equilibrium process)定义：热力系所经历的一系列状态都无限接近平衡状态
进行条件：
推动过程进行的势差无限小（压差、温差）
活塞移动得如此缓慢，致使其移动某一距离所经历的时间大于驰豫时间，气体内部的不均匀性及时消除，此过程可视为准平衡过程。

工程中，活塞移动速度小于10米/秒，气体状态趋于均匀的速度一般为数百米/秒量级。

建立准平衡过程概念的好处：
1)有确定的状态参数变化描述过程
2)在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程
二、可逆过程( reversible process)
定义：
如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向运行时，能使系统和外
界都返加到原来的状态，而不留下任何
变化，则这一过程称为可逆过程，否则
为不可逆过程。

二、可逆过程( reversible process)
可逆过程是否就是准静态过程？
准平衡过程只要求系统内部平衡，而有无外部机械摩擦对系统内部平衡无影响，所以准平衡过程可以有耗散效应。

p
F α
f p b
既然一切实际过程都不可逆，为什么还要
研究可逆过程呢？
1、可逆过程不会产生任何能量损失，因而可逆过程可作为实际过程能量转换效果的标准和极限；
2、热力学中通常把实际过程当作可逆过程进行分析计算，然后再用一些经验系数加以修正；
3、可逆过程还有一个最突出的优点
热力学中以热和功代表外界的作用。

可逆过程的引入，使得系统与外界功量和热量的交换能用系统的参数来计算，而无需考虑往往不知道情况的外界参数，从而使问题简化，而只需把注意力放在系统，即系统内工质的状态及状态的变化描述上
§1－6 过程功和热量
功的力学定义：
功是力和力方向上位移的乘积。

∫==−2
121Fdx W Fdx
W δ 功的热力学定义：
功是热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物一、功(work)的定义和可逆过程的功。