热力学电子教案-第1章 基本概念

行人走在独木桥上的平衡（动画） 交易者货物与秤砣的平衡（图片） 拔河比赛甲乙双方拉力的平衡（动画）
2、热工学中平衡的实例

热平衡 （动画） 图 1 - 4 力平衡 （动画） 图 1 - 5 相平衡 （动画） 图 1 - 6
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1-3
平
衡
状 态
二、平衡状态定义
平衡状态是热力系在没有外界作用的情况下宏观 性质不随时间变化的状态。
单位质量物质的热力学能称为比热力学能（热力学能）
国际单位制：J 或 J / kg 工程单位制：kcal 或 cal / kg 1 kcal = 4.1868 kJ
1状态参数
（1-12）
焓是一个组合的状态参数
单位质量物质的焓称为比焓（有时简称为焓）
(1-13 )
国际单位制：J 或 J / kg 工程单位制：kcal，比焓的单位是 kcal/kg。

1- 5 过 程 和 循 环
3、内部平衡过程的理解


“平衡” 意味着宏观静止，意味着状态没有变 化； “过程” 意味着状态变化，意味着平衡破坏。 内部平衡过程把 “ 平衡 ” 和 “ 过程 ” 这两个 矛盾的概念在一定的条件下统一了起来。 内部平衡过程条件（统一的条件）： 要求外界对热力系的作用必须缓慢到足以使热力 系内部能及时恢复被不断破坏的平衡。
比体积的倒数称为密度（ ）。 密度是单位体积的物质所具有的质量 （1-8）
比体积的单位 m3/kg
密度的单位 kg/m3
12
1- 2 状态和状态参数
3、温度
温度表示物体的冷热程度。气体温度表示分子平均移动能
（1-9）
温标： 国际温标（ SI） 热力学温标（开尔文温标、绝对温标） 用 T度） 换算关系 : 式中 t = T – T0 T0 = 273.15K （1-10）

1- 4 状态方程和状态参数坐标图


这三个v = f ( p ,T )建立了压力、温度、比体积直接测 量的基本状态参数之间的关系称为状态方程。 状态方程也可以写为隐函数的形式： F（p,v,T）= 0 （1-17）
二、状态参数坐标图


任意两个相互独立的状态参数所构成的平面坐标系中 的任意一点就代表热力系的某一平衡（均匀）状态。 热力系的不平衡（不均匀）状态，是无法这样表示。 常用坐标图有p - v 图、T - s图、H - s图、Log - H图 25
1MPa = 106Pa 1atm = 101325Pa 1at = 1kgf/cm2 = 98066.5Pa 1mmHg = 133.3224Pa 1mmH2O = 9.80665Pa
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at(kgf/cm2) mmHg mmH2O
1- 2
状态和状态参数
（1-7）
2、比体积
比体积就是单位质量的物质所占有的体积
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3）压力的种类及相互关系
Pg = P - Pb P v = Pb - P P = Pb + Pg P = P b – Pv
1- 2
状态和状态参数
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gz
1- 2
状态和状态参数
4）压力的测量 压力计、真空表、U形管压力计、斜管式 微压计
用U形管压力计，其换算关系如下：
Pg （Pv） = 5）压力单位及换算
第一章
基 本 概念
1
1-1
1. 热 力 系
热 力 系
一、热力系 外界 界面
具体指定的热力学研究对象 各种各样热动设备的统一称谓
选取原则： 依据研究任务而定
可大可小 大要有边 小要有界
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1-1
热 力 系
2. 外界 - 热力系之外那些与热力系有直接 作用的物体 种类：热作用源、功作用源、物质作用 源 3. 界面 - 热力系与外界的分界面 特征： 真假之分、动静之别、能质可传

二、功、热符号
单位质量：功 - w 热量 - q
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1- 6
功 和 热 量
三、功和热量正负的热力学规定：
热力系对外界作功为正（W > 0） 外界对热力系作功为负（W < 0） 热力系从外界吸热为正（Q > 0） 热力系向外界放热为负（Q < 0）
四、功、热的单位
国际单位制 ： W、 Q - J ( k J ) ；
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1- 2
6、熵
状态和状态参数
熵是一个导出的状态参数。对简单可压缩 均匀系，它可以由其它状参数按下列关系 式导出：
（1-14）
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1- 2
状态和状态参数
单位质量的物质的熵称为比熵（简称为熵）：
（1-15）
国际单位制： J / K 或 J / (k g.k)
工程单位制： kcal 或 kcal / (k g.k)
w、 q – J / kg (kJ/kg) 工程单位制 ： W - k g f . m Q - kcal w - k g f . m/kg q– kcal/kg
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1- 6
功 和 热 量
五、功和热量的特征
1、功和热量都不是状态量，不能说热力系在某一状态 下具有多少功、具有多少热量 2、功和热量都是过程量，它们数值的大小与所经历的 具体过程路线有关。
二、常用的六个状态参数


压力、比体积和温度称为基本状态参数
6
1-
2
状态和状态参数
1、压力
1）压力定义
压力是单位面积上承受的垂直作用力
（1-1）
2）压力的微观解释 气体的大量分子在紊乱的热运动对中容器 壁频繁碰撞的结果。
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1- 2
状态和状态参数
绝对压力 P 表压力 Pg 大气压力 Pb 真空度 Pv （1-2） （1-3） （1-4） （1-5）

4、内部平衡过程和内部不平衡过程动画
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1- 5 过 程 和 循 环
二、循环
循环是封闭的过程。 循环是这样的过程： 热力系从某一状态开始，经过一系列中间 状态后，又回复到原来状态。 循环也有内平衡循环和内不平衡循环。
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1- 6

功 和 热 量
一、功、热定义
热力系通过界面和外界进行的机械能的交换量 称为作功量，简称功。 热力系通过界面和外界进行的热能的交换量 称为传热量，简称热量。 总 质 量：功 - W 热量 - Q


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1-3
平
衡
状 态
五、平衡（均匀）状态引入的益处
1、整个热力系的平衡（均匀）状态可以用一个 平衡（均匀）状态点来代表，而这就为用数 学上的几何点代表热力系的一个平衡（均 匀）状态奠定了物理基础。 2、平衡（均匀）状态的连续过渡可以运用微积 分等高等数学工具进行分析计算。
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1- 4 状态方程和状态参数坐标图
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1-2
状态和状态参数
状态参数特性
1. 状态参数是热力系状态的单值函数；
2. 状态参数的值仅取决于给定的状态而与达到 这一状态的途径无关； 3. 状态参数的这一特性在数学上的表现是它是 点函数，它的微分是全微分，全微分的循环 积分恒等于零。
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1- 3 平 衡 状 态
一、平衡状态的实例
1、生活中平衡的实例
国际单位制（SI）：Pa(帕) 1Pa = 1N/m2 工 程 常 用：MPa（兆帕） 1MPa = 106Pa
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（1-6）
表1-1 某些其他压力单位与SI压力单位的换算关系
单位名称 单位符号
MPa 标准大气压 工程大气压（公斤 力每平方厘米） 毫米汞柱（0。C） 毫米水柱（4。C） atm
换算 关系
三、平衡状态与稳定状态区别
平衡状态 宏观性质不随时间变化没有外界作用 — 宏观静态。 稳定状态 宏观性质不随时间变化定有外界作用 — 宏观动态。 平衡必定是稳定的，稳定未必平衡。
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1-3

平
衡
状 态
四、平衡状态与均匀状态区别
平衡状态强调宏观性质的时间特性－各时刻一样 均匀状态强调宏观性质的空间特性－各空间一样 平衡状态未必是均匀的，均匀状态未必是平衡的 单相流体（气体、液体）当忽略重力场作用时， 平衡即稳定，稳定即平衡。 任何热力系，原来平衡，而又没有外界作用，它 将一直保持这种平衡状态；原来是非平衡，当不 平衡势消失，热力系也就达到了平衡状态。
1- 5 过 程 和 循 环
一、过程
过程是指热力系从一个状态向另一个状态 变化时所经历的全部状态的总合。
1、内部平衡过程（准平衡过程）

热力系从一个平衡（均匀）状态连续经历一系列（无数 个）平衡的中间状态过渡到另一个平衡状态，这样的过 程称为内平衡过程或准平衡过程或准静态过程。 内平衡过程在状态参数坐标中表示为一条连续的曲线， 内不平衡过程不能这样表示。 26
六、状态量与过程量的区别和联系

区别： 状态量 T、 P、 V、 U、 H、 S — 储 存 量 过程量 Q、W — 交换量 联系：过程量的传递必然引起状态量的变化， 状态量的变化必然引起过程量的传递。 例如孤立系内部进行的过程
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1- 2
状态和状态参数
4、热力学能
热力学能是指组成热力系的大量微观粒子本身具有 的能量（不包括热力系宏观运动的能量和外场作用 的能）。 热力学能包括： 分子动能、分子位能、 分子化学能、原子能等 对于气体，分子动能包括分子的移动能、转动能和 分子内部的振动能。
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状态和状态参数
（1-10）
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1-1
热 力 系
二、热力系的类型

按热力系内部特征的不同分：
单元系、多元系
单相系、复相系
均匀系、非均匀系
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1-1