2.单元系与多元系：由一种化学成分组成的系统称为单元系，纯物质就属单元系，例如，纯水、纯氧、纯氯等，无论它们是单相还是复相都是单元系。由两种以上不同化学成分组成的系统称为多元系，例如，氨气、水和冰组成的混合物属二元系统，化学反应系统及溶液等都属多元系统。但是，对于化学上稳定的混合物，例如，空气在不发生相变时，其化学组成不变，常可当作纯物质对待。3.均匀系与非均匀系：成分和相在整个系统空间呈均匀分布称为均匀系，否则为非均匀系。例如，微小水滴均匀分布在充满水蒸气的整个容器中，那么，水和水蒸气的混合物为均匀系，如果水在容器底部而水蒸气在其上部，则为非均匀系。第二节工质的热力状态及其基本状态参数一、状态与状态参数系统与外界之间能够进行能量交换（传热或作功）的根本原因，在于两者之间的热力状态存在差异。例如，锅炉中的热量传递是由于燃料燃烧生成的高温烟气与汽锅内汽水之间存在着温度差又如热力发动机中能量的转换是由于热力发动机中的高温高压工质与外界环境的温度、压力有很大的差别。这种温度、压力上的差异标志着工质物理特性数值的不同。我们把系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况，称为工质的热力状态，简称为状态。热力状态反映着工质大量分子热运动的平均特性，描述工质状态特性的各种物理量称为工质的状态参数。状态参数一旦确定，工质的状态也就确定了，状态参数发生变化，工质所处的状态也就发生变化，因此状态参数是热力系统状态的单值性函数，工质状态变化时，初、终状态参数的变化值，仅与初、终状态有关，而与状态变化的途径无关。状态参数这一特性的数学特征为点函数，表示为(1-1)1I=2循环积分pdr=o(1-2)式中工一表示工质某一状态参数。热力学中常见的状态参数有：温度（T）、压力（p）、比体积（又称比容）（）或密度（p）、热力学能（u）、恰（h）、橘（s）、拥（er）、自由能（f）、自由熔（g）等。其中温度、压力、比体积或密度可以直接或间接地用仪表测量出来，称为基本状态参数。二、基本状态参数1.温度众所周知，两个冷热状况不同的物体相互作用，冷的物体要变热，热的物体要变冷经过相当长时间，在没有其他外来影响的情况下，则物体终将达到相同的冷热状况。实践证明，如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡，这PDC一规律称为热力学第零定律。从这一定律可以推论，相互间处于热平衡的系统必然具有一个在数值上相等的热力学参数来描述这一热平衡的特性，这个参数就是温度。即：温度是描述热力平衡系统冷热状况的物理量。7
从微观上看，温度是标志物质内部大量分子热运动的强烈程度的物理量。热力学温度与分子平移运动平均动能的关系式为：mo=BT(1-3)%mw式中分子平移运动的平均动能，其中m是一个分子的质量，w是分子平移运动2的均方根速度；B-—比例常数；T—气体的热力学温度。工程上常要定量地测定系统的温度，第零定律提供了测温的依据。当被测系统与已标定过的带有数值标尺的温度计达到热平衡时，温度计指示的温度就等于被测系统的温度值。温度的数值标尺，简称温标。任何温标都要规定基本定点和每度的数值。国际单位制（SI）规定热力学温标，符号用T，单位代号为K（Kelvin），中文代号为开。热力学温标规定纯水三相点温度（即水的汽、液、固三相平衡共存时的温度）为基本定点，并指定为273.16K，每1K为水三相点温度的1/273.16。SI还规定摄氏（Celsius）温标为实用温标，符号用t，单位为摄氏度，代号为℃。摄氏温标的每1℃与热力学温标的每1K相同。它的定义式为：t=T-273.15(1-4)式中数值273.15是按国际计量会议规定的。两种温标换算，在工程上采用下式已足够准确。T=273+t(1-5)2.压力（1）压力和压力单位：垂直作用于器壁单位面积上的力称为压力（也称压强）。-F力宁(1-6)式中F-整个容器壁受到的力：单位为牛顿（N)f一一容器壁的总面积（m）。分子运动学说把气体的压力看做是大量气体分子撞击器壁的平均结果，表示为：2,ma号nBT(1-7)=号n2-号”式中P—单位面积上的压力：V，其中N为体积V包含n——分子浓度，即单位体积内含有气体的分子数，n=V的气体分子总数。式（1-7）把压力的宏观量与微观量联系起来，阐明了气体压力的本质，并揭示了气体压力与温度之间的内在联系。PDGSI规定压力单位为帕斯卡（Pa），即1Pa=1N/m2。工程上还曾采用其他压力单位，如巴（bar）、标准大气压（atm）、工程大气压（at）、毫米水柱（mmHzO）和毫米汞柱（mmHg）等单位。各种压力的换算关系参看附表5。8
（2）相对压力与绝对压力：根据式（1-6）、式（1-7）计算的压力是气体的真正压力，这种压力称为气体的绝对压力。工程上常用测压仪表测定系统中工质的压力。这些仪表的结构原理是建立在力的平衡原理上，也就是利用液柱的重力或各种类型弹簧的变形，以及用活塞上的载重来平衡工质的压力，因此不能直接测得绝对压力，而只能测出气体的绝对压力与当地大气压力的差值，这种压力称为相对压力。如图1-5所示，当用U形压力计测量风机人口段及出口段气体的压力时，压力计指示的压力即为相对压力。由于大气压力随地理位置及气候条件等因素而变化，因此，绝对压力相同的工质，在不同的大气压力条件下，压力表指示的相对压力并不相同。在本书中如不注明是“相对压力或表压力”，都应理解为“绝对压力”，注意只有绝对压力才是状态参数。图1-5中风机入口段气体的绝对压力小于外界大气压力，相对压力为负压，又称真空值：风机出口段气体的绝对压力大于外界大气压力，相对压力为正压，又称表压力；如果气体的绝对压力与大气压力相等，相对压力便为零。绝对压力与相对压力和大气压力之间关系如图1-6所示。出口段正压大气压力B0-负压0绝对真空图1-5U形压力计测压图1-6各压力间的关系当p>B时p=B+p(1-8a)p<B时p=B-H(1-86)式中B—当地大气压力；P一一高于当地大气压力时的相对压力，称表压力；H一一低于当地大气压力时的相对压力，称为真空值。3.比体积和密度工质所占有的空间称为工质的体积，单位质量工质所占有的体积称为工质的比体积。如工质的体积为V，质量为m，那么比体积则为V(m3/kg)(1-9)0mm单位体积的工质所具有的质量，称为工质的密度。即m(kg/m3)(1-10)p=VPDC显然，工质的比体积与密度互为倒数。即pU=1(1-11)从式（1-11）可知，比体积与密度不是两个独立的状态参数，如二者知其一，则另一9
个也就确定了。三、强度性参数与广延性参数描述系统状态特性的各种参数，按其与物质数量的关系，可分为两类：1.强度性参数：如温度T、压力P，系统中单元体的参数值与整个系统的参数值相同，与质量多少无关，没有可加性。当强度性参数不相等时，便会发生能量的传递：如在温差作用下发生热量传递，在力差作用下发生功的传递。可见，强度性参数在热力过程中起着推动力作用，称为广义力或势，一切实际热力过程都是在某种势差推动下进行的。2.广延性参数：如系统的体积V、热力学能U、熔H和摘S等，整个系统的某广延性参数值等于系统中各单元体该广延性参数值之和。它们与系统中质量多少有关，具有可加性。在热力过程中，广延性参数的变化起着类似力学中位移的作用，称为广义位移。如传递热量必然引起系统摘的变化；系统对外作膨胀功必然引起系统体积的增加。广延性参数除以系统的总质量。即得单位质量的广延性参数或称比参数，如比体积V、比热力学能u、比熔h、比s等。习惯上常将“比”字省略，简称为热力学能、焙、等，比参数没有可加性。【例1-1】容器被分隔成AB两室，如图1-7所示，已知当地大气压pb=0.1013MPa，气压表1的读数为Pgi=0.294MPa，气压表2的读数为O3Pg2=0.04MPa，求气压表3的读数为多少MPa【解】PA=P+Pgi=0.1013+0.294=0.3953MPaPA-PBPg2P=pA—Pg2=0.3953—0.04=0.3553MPa图1-7例1-1图Pg3=pB-pb=0.3553-0.1013=0.254MPa第三节平衡状态、状态公理及状态方程一、平衡状态用状态参数描述系统状态特性，只有在平衡状态下才有可能，否则系统各部分状态不同就不可能用确定的参数值描述整个系统的特性，平衡的概念是工程热力学的基本概念前面已经讨论过热平衡的概念，指出温度差是热传递的推动力，对相互处于热平衡的系统间不再有热传递，它们必然具有相同的温度。下面再考惠一个具有压力差而膨胀做功的例子。p-dp如图1-8所示，一个带有活塞的气缸，内部储存着压力稍高于外界压力的气体，开始时活塞在内外压差dp作用下向右移动，气体膨胀，并对外作图1-8系统作膨胀功功，直至压力下降至与外界压力相等时为止。此后如果没有新的外力作用，气缸中的气体将始终保持这一状态，而不再发生宏观变化，这PDG时系统即处在力的平衡状态中。若组成热力系统各部分之间没有热量传递，系统就处于热平衡；各部分之间没有相对位移，系统就处于力平衡，同时具备热和力平衡的系统就处于热力平衡状态。如果系统内10
还存在化学反应，则还应包括化学平衡。系统在不受外界影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间变化，系统内外同时建立了热和力平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。如果是有化学反应的系统，还要考虑化学平衡。可见欲使系统达到热力平衡，系统内部及相联系的外界，起推动力作用的强度性参数，如温度、压力等都必须相等，否则在某种势差作用下平衡将被破坏。显然，完全不受外界影响的系统是不存在的，因此平衡状态只是一个理想的概念。对于偏离平衡状态不远的实际状态按平衡状态处理将使分析计算大为简化。二、状态公理描述系统特性的参数有许多，它们之间有内在的联系。当某些参数确定后，系统平衡状态便完全确定，所有其他状态参数也随之有确定的值。例如，刚性容器中的某种气体，当加热时温度从T升高至Tz，其压力也随之由PI升高至P2，其他参数的变化（如△u、△h、s等）也完全被确定，也就是说，在这一限定条件下，系统只有一个独立参数，当这个独立参数确定后，系统平衡状态便完全确定了，所有其他参数也随之有了确定的值。那么，在一定的限定条件下，确定系统平衡状态的独立参数究竟需要几个呢？实践经验表明，对于纯物质系统，与外界发生任何一种形式的能量传递都会引起系统状态的变化，且各种能量传递形式可单独进行，也可同时进行，于是归纳出一条状态公理，即确定纯物质系统平衡状态的独立参数=n十1(1-12)式中n表示传递可逆功的形式，而加1表示能量传递中的热量传递。例如，对除热量传递外只有胀功（容积功）传递的简单可压缩系统，n=1，于是确定系统平衡状态的独立参数为1十1一2。所有状态参数都可表示为任意两个独立参数的函数。三、状态方程根据状态公理，纯物质可压缩系统的三个基本状态参数有如下函数关系：p=fi(T,)PtT=f2(p,u)1U=f(p,T)以上三式建立了温度、压力、比体积这三个基本状态参数之间的函数关系，称为状态方程。它们也可合并写成如下隐函数形式：F(P,U,T)=O(1-13)0图1-9pv图既然简单可压缩系统的平衡状态可由任意两个独立参数确定，因此，人们常采用由两个参数构成的平面坐标系来描述工质的状态和分析状态变化过程。如图1-9所示的P图，图中每一个点代表一个确定的平衡状态。第四节准静态过程与可逆过程PDC系统与外界在传递能量的同时，系统工质的热力状态必将发生变化。例如，锅炉中高温烟气由于与水发生热交换，烟气温度由高温降到低温；又如进人汽轮机的高温高压水蒸11