工程热力学6 工质的热力性质

116 第二部分 工质的热力性质

六 热力学函数与基本热力学关系式

前面介绍的几个热力学基本定律都是普遍性的定律，如果不把它们与由实验得来的反映物质自身性质的本征关系结合起来，将很难得到某种特殊物质的某种特殊性质。

由热力学基本定律引出的一些基本热力学状态函数（如内能U、熵S）及其为某一研究方便而设的组合函数（如焓H、自由能F、自由焓G等）许多都是不可测量，必须将它们与可测量（如压力p、体积V、温度T等）联系起来，否则我们将得不到实际的结果，解决不了诸如上一章讲的最大功计算等一些具体的问题。

我们必须研究热的性质和力的性质以及其它性质之间的关系，找到由可测量表达的与物质各种性质相应的热力学函数。

这就需要发展热力学的数学理论以将热力学基本定律应用到各种具体问题中去。

117 6.1 状态函数的数学特性

对于状态参数，当我们强调它们与独立变量的函数关系时，常称它们为状态函数。从数学上说，状态函数必定具有全微分性质。这一数学特性十分重要，利用它可导出一系列很有实用价值的热力学关系式。下面我们扼要介绍全微分的一些基本定理。

设函数),(yxfz具有全微分性质

dyyzdxxzdzxy （6-1）

则必然有

（1） 互易关系

令式（6-1）中

),(yxMxzy， ),(yxNyzx

则

yxxNyM （6-2）

互易关系与0dz等价。它不仅是全微分的必要条件，而且是充分条件。因此，可反过来检验某一物理量是否具有全微分。 118

（2） 循环关系

当保持z不变，即0dz时，由式（6-1），得

0zxzydyyzdxxz

则

xyzyzxzxy

故有 1yzxzxxyyz （6-3）

此式的功能是：若能直接求得两个偏导数，便可确定第三个偏导数。结果也很容易记忆，只需将三个变量依上、下、外次序，即))()((xzyyxzzyx循环就行了。

（3） 变换关系

将式（6-1）用于某第四个变量不变的情况，可有

dyyzdxxzdzxy

两边同除以dx，得 119 xyyzxzxzxy （6-4）

式中：yxz是函数),(yxz对x的偏导数；xz是以),(x为独立变量时，函数),(xz对x的偏导数。上面的关系可用于它们之间的变换。这一关系式对于热力学公式的推导十分重要。

（4） 链式关系

按照函数求导法则，可有下述关系：

1yyzxxz （6-5）

1yyyzxxz （6-5a）

这是在同一参数（如y）保持不变时，一些参数),,,(xz循环求导所得偏导数间的关系。若将关系式中每个偏导数视为链的一环，则链式关系的环数可随所涉及参数的个数而增减。

以上这些关系式都是针对二元函数的，即以具有两个独立状态参数的简单系统为背景。但对具有两个以上独立参数的系统即多元状态函数，其也有推广价值。 120

例题6-1 已知理想气体状态方程为RTpv，试检验v是否有全微分。

解 由状态方程得 pRTv，故有

dppvdTTvdvTp

dppRTdTpR2

于是

pRpTM),(， 2),(pRTpTN

而

2pRpRppMTT

22pRpRTTTNp

二者相等，可见v有全微分，即其为状态函数。

6.2 基本热力学关系式

6.2.1 基本热力学关系式

为简单计，以下推导全部采用比参数。由热力学第一定律，得 121 wduq （3 -18d）

对简单可压缩系统，若过程可逆，则pdvw，故

pdvduq

而由热力学第二定律

Tdsq （4-14b）

二式联立，最后得

pdvTdsdu （6-6）

式（6-6）表达了热力学基本定律对系统状态参数变化的限制，是导出其它热力学关系式的基本依据，称为基本热力学关系式。

需要指出的是：虽然式（6-6）是从可逆变化推导而来，但因为du是状态函数的变化，它只与变化前后的状态有关，而与实际过程的可逆与否无关，所以对于不可逆变化仍然适用。但若作为能量平衡方程，它只适用于可逆过程。

由焓的定义 pvuh 得

vdppdvdupvddudh)(

将式（6-6）代入上式，可得

vdpTdsdh （6-7）

同样，由自由能的定义 Tsuf 可得

pdvsdTdf （6-8）

由自由焓的定义 Tshg 可得

vdpsdTdg （6-9） 122 以上式（6-7）～（6-9）为基本热力学关系式用组合参数表达的形式，故式（6-6）～（6-9）可统称为基本热力学关系式。

6.2.2 特性函数

基本热力学关系式（6-6）～（6-9）分别为以特定参数为独立变量的状态函数),(vsu、),(psh、),(vTf、),(pTg的全微分表达式。这些函数有一个很重要的性质，就是它们的偏导数各给出一个状态函数。

对于函数),(vsu，将其全微分解析式

dvvudssudusv

与式（6-6）作对比，即得

Tsuv （6-10）

pvus （6-11）

同样，由于式（6-7）是函数),(psh的全微分，则有

Tshp （6-12）

vphs （6-13） 123 式（6-8）是函数),(vTf的全微分，有

sTfv （6-14）

pvfT （6-15）

式（6-9）是函数),(pTg的全微分，有

sTgp （6-16）

vpgT （6-17）

正因为如此，只需知道上述函数中的任意一个函数，就可确定出所有的状态函数。如已知),(vTf，则由式（6-14）可得),(vTs；由式（6-15）可得),(vTp即状态方程；由自由能的定义Tsuf可得

vTfTfvTu),(

由焓的定义pvuh可得

vvfTfTfvThTv),(

由自由焓的定义pvfTshg可得

vvffvTgT),(

124 由此可见，若状态函数的独立参数选择适当，则可由这个函数及其偏导数得到所有的状态函数，从而将工质的平衡性质完全确定。这样的函数称为特性函数。

特性函数包含了系统平衡状态的所有信息，它的自变量是特定的。一经变换虽然还是状态函数，但由于信息丢失而不再是特性函数了，这一点需特别注意。除了上面已给出的),(vsu、),(psh、),(vTf、),(pTg这四个特性函数，还可通过基本热力学关系式寻找其它的特性函数。如将式（6-6）写成

dvTpduTds1 （6-18）

则可知 ),(vus也是特性函数；将式（6-7）写成

dpTvdhTds1 （6-19）

则可知 ),(phs也是特性函数，等等。

特性函数为联系各热力学函数的枢纽。在许多实际问题中，常采用vT,或pT,这些可测量作独立变量，所以),(vTf和),(pTg是两个最重要的特性函数。

6.2.3 麦克斯韦关系

由于基本热力学关系式（6-6）～（6-9）是各特性函数的全微分表达式，故可对它们应用互易关系式（6-2），因此 125 可得

vsspvT （6-20）

pssvpT （6-21）

vTTpvs （6-22）

pTTvps

（6-23）

这四个关系式称为麦克斯韦关系。借助它们可将包含不可测量熵s的关系式代换成用可测量p、v、T表达的关系式。

6.3 热系数

状态函数的某些偏导数具有明确的物理意义，能表征工质的一定的热力性质，且可由实验测定，因而成为研究工质热力性质的重要数据，称为热系数。常用的热系数有：热膨胀系数、定温压缩系数、绝热压缩系数、压力温度系数、定容比热、定压比热和绝热节流系数等。

126 1. 热膨胀系数

ppTvv1 （6-24）

热膨胀系数表征物质在定压下的体积随温度变化的性质，单位为1K。

2. 定温压缩系数

TTpvv1 （6-25）

定温压缩系数表征物质在恒定温度下的体积随压力变化的性质。由于所有物质的Tpv均为负值，故在定义式中引入负号，而使T为正值。其单位为1Pa。