第一章基本概念一、教案设计教学目标：使学生熟练掌握热力系、状态、可逆过程及平衡等基本概念，理解引入准静态过程的意义，掌握基本状态参数定义及其计算。知识点：深刻理解热力系统、外界、热力平衡状态、准静态过程、可逆过程、热力循环的概念，掌握温度、压力、比容的物理意义，掌握状态参数的特点。重点：三种典型的热力系统；P、V、T三个状态参数的物理意义；测温测压装置；绝对压力和相对压力的计算；可逆过程的判定准则。难点：对热力系统，对工质状态的描述，状态与状态参数的关系，状态参数，平衡状态，状态方程，可逆过程等抽象的热力学基本概念的理解。教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论师生互动设计：提问+启发+讨论?问：自己观察过身边的热力系统的状态变化吗？?问：你以前知道热力系统的状态变化往往伴随着系统与外界间能量的交换吗？?问：你知道温度计什么原理吗？温度计测温的理论依据你思考过吗？?问：用过压力计吗？氧气瓶上压力表读数是瓶中的真实压力吗？?问：能举出几个具体的强度量、广延量？热力过程、热力循环？?问：爆炸过程能认为是准静态过程吗？?问：你能说出过程量与状态量的区别吗？请具体举例。?1问：你遇到的哪些现象属于不可逆现象？学时分配：4学时二、基本知识3
3 第一章 基本概念 一、教案设计 教学目标:使学生熟练掌握热力系、状态、可逆过程及平衡等基本概念，理解 引入准静态过程的意义，掌握基本状态参数定义及其计算。 知 识 点：深刻理解热力系统、外界、热力平衡状态、准静态过程、可逆过程、热力循 环的概念，掌握温度、压力、比容的物理意义，掌握状态参数的特点。 重 点：三种典型的热力系统；p、v、T 三个状态参数的物理意义；测温 测压装置；绝对压力和相对压力的计算；可逆过程的判定准则。 难 点：对热力系统，对工质状态的描述，状态与状态参数的关系，状态 参数，平衡状态，状态方程，可逆过程等抽象的热力学基本概念的理解。 教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论 师生互动设计：提问+启发+讨论 ☺ 问：自己观察过身边的热力系统的状态变化吗？ ☺ 问：你以前知道热力系统的状态变化往往伴随着系统与外界间能量的交 换吗？ ☺ 问：你知道温度计什么原理吗？温度计测温的理论依据你思考过吗？ ☺ 问：用过压力计吗？氧气瓶上压力表读数是瓶中的真实压力吗？ ☺ 问：能举出几个具体的强度量、广延量？热力过程、热力循环？ ☺ 问：爆炸过程能认为是准静态过程吗？ ☺ 问：你能说出过程量与状态量的区别吗？请具体举例。 ☺ 问：你遇到的哪些现象属于不可逆现象？ 学时分配：4 学时 二、基本知识
第一节热力系统1.热力系统通常根据所研究问题的需要，人为地划定一个或多个任意几何面所围成的空间作为热力学的研究对象。这种空间内的物质的总和称为热力学系统简称为系统或热力系。系统以外的一切物质统称为外界。系统与外界的界面称为边界。系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移。系统：用界面从周围的环境中分割出来的研究对象，或空间内物体的总和。外界：与系统相互作用的环境。界面：假想的、实际的、固定的、运动的、变形的。边界阀门真空气缸活塞系统红水平假想边界依据：系统与外界的关系，系统与外界的作用：热交换、功交换、质交换。2.热力系统的分类一、按系统与外界之间的相互联系划分：?闭口系一与外界无物质交换的热力系。④开口系一与外界有物质交换的热力系。?绝热系一与外界无热量交换的热力系。?孤立系一与外界无任何联系的热力系。1）闭口系统和开口系统（按系统与外界有无物质交换）闭口系统：系统内外无物质交换，称控制质量。开口系统：系统内外有物质交换，称控制体积。2）绝热系统与孤立系统4
4 第一节 热力系统 1. 热力系统 通常根据所研究问题的需要，人为地划定一个或多个任意几何面所围成的 空间作为热力学的研究对象。这种空间内的物质的总和称为热力学系统简称 为系统或热力系。系统以外的一切物质统称为外界。系统与外界的界面称为 边界。系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移。 系统：用界面从周围的环境中分割出来的研究对象，或空间内物体的总和。 外界：与系统相互作用的环境。 界面：假想的、实际的、固定的、运动的、变形的。 依据：系统与外界的关系，系统与外界的作用： 热交换、功交换、质交换。 2. 热力系统的分类 一、按系统与外界之间的相互联系划分： ☺ 闭口系—与外界无物质交换的热力系。 ☺ 开口系—与外界有物质交换的热力系。 ☺ 绝热系—与外界无热量交换的热力系。 ☺ 孤立系—与外界无任何联系的热力系。 1）闭口系统和开口系统(按系统与外界有无物质交换) 闭口系统：系统内外无物质交换,称控制质量。 开口系统：系统内外有物质交换,称控制体积。 2）绝热系统与孤立系统
绝热系统：系统内外无热量交换（系统传递的热量可忽略不计时，可认为绝热）孤立系统：系统与外界既无能量传递也无物质交换二系统+相关外界二各相互作用的子系统之和二一切热力系统连同相互作用的外界加立系统边界系统控制界面冷空气热空气热源加热器二、根据系统内部状况划分可压缩系统：由可压缩流体组成的系统。简单可压缩系统：与外界只有热量及准静态容积变化均匀系统：内部各部分化学成分和物理性质都均匀一致的系统，是由单相组成的。非均匀系统：由两个或两个以上的相所组成的系统。单元系统：一种均匀的和化学成分不变的物质组成的系统。多元系统：由两种或两种以上物质组成的系统。单相系：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相系。复相系：由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的三相系统。注意：系统的选取方法仅影响解决问题的繁复程度，与研究问题的结果无关。思考题：孤立系统一定是闭口系统吗。反之怎样。孤立系统一定不是开口的吗。孤立系统是否一定绝热。5
5 绝热系统：系统内外无热量交换 (系统传递的热量可忽略不计时，可认 为绝热) 孤立系统：系统与外界既无能量传递也无物质交换 =系统+相关外界=各相互作用的子系统之和= 一切热力系统连同 相互作用的外界 二、根据系统内部状况划分 可压缩系统：由可压缩流体组成的系统。 简单可压缩系统：与外界只有热量及准静态容积变化 均匀系统：内部各部分化学成分和物理'性质都均匀一致的系统，是由单相组 成的。 非均匀系统：由两个或两个以上的相所组成的系统。 单元系统：一种均匀的和化学成分不变的物质组成的系统。 多元系统：由两种或两种以上物质组成的系统。 单相系：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相系。 复相系：由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的三相系 统。 注意: 系统的选取方法仅影响解决问题的繁复程度，与研究问题的结果无关。 思考题： 孤立系统一定是闭口系统吗。反之怎样。 孤立系统一定不是开口的吗。 孤立系统是否一定绝热
第二节工质的热力状态与状态参数1.状态与状态参数状态：热力系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况。状态参数：描述工质状态特性的各种状态的宏观物理量。如：温度（)、压力（P)、比容（u）或密度（p）、内能（u)、烩（h）、炳（s)、自由能（f)、自由烩（g）等。状态参数的数学特性：1. jdx=X2-Xi1表明：状态的路径积分仅与初、终状态有关，而与状态变化的途径无关。2.dx=0表明：状态参数的循环积分为零2.基本状态参数：可直接或间接地用仪表测量出来的状态参数。如：温度、压力、比容或密度1：温度：宏观上，是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量。微观上，是大量分子热运动强烈程度的量度mw2=BT2mw2式中一分子平移运动的动能，其中m是一个分子的质量，2W是分子平移运动的均方根速度；B一比例常数；一气体的热力学温度。热力学第零定律：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。摄氏度与热力学温度的换算：T=273+16
6 第二节 工质的热力状态与状态参数 1. 状态与状态参数 状态：热力系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况。 状态参数：描述工质状态特性的各种状态的宏观物理量。 如：温度（T）、压力（P）、比容（υ）或密度（ρ）、内能（u）、焓（h）、 熵（s）、自由能（f）、自由焓（g）等。 状态参数的数学特性: 1． 1 2 1 2 dx = x − x 表明：状态的路径积分仅与初、终状态有关，而与状态变化的途径无关。 2． dx =0 表明：状态参数的循环积分为零 2.基本状态参数：可直接或间接地用仪表测量出来的状态参数。 如：温度、压力、比容或密度 1． 温度：宏观上，是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量。 微观上,是大量分子热运动强烈程度的量度 BT mw = 2 2 式中 2 2 mw —分子平移运动的动能，其中 m 是一个分子的质量， w 是分子平移运动的均方根速度；B—比例常数； T—气体的热力学温度。 热力学第零定律：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。 摄氏度与热力学温度的换算： T = 273 + t
2.压力：垂直作用于器壁单位面积上的力，称为压力，也称压强。F式中：F一整个容器壁受到的力，单位为牛顿（N）：-f一容器壁的总面积（m）。微观上：分子热运动产生的垂直作用于容器壁上单位面积的力。2,m2_2,nBTp=323式中：P一单位面积上的绝对压力；n一分子浓度，即单位容积内含有气体N的分子数n=其中N为容积V包含的气体分子总数。V压力单位：MPa压力测量依据：力平衡原理相对压力：相对于大气环境所测得的压力。工程上常用测压仪表测定的压力。以大气压力为计算起点，也称表压力。(P> PB)p=P+Pg( P,)p=Pb-Pr式中P一当地大气压力P一高于当地大气压力时的相对压力，称表压力；P，一低于当地大气压力时的相对压力，称为真空值。注意：只有绝对压力才能代表工质的状态参数3．比容：比容：单位质量工质所具有的容积。密度：单位容积的工质所具有的质量。Vm/kgV=m关系：pv=1式中：p一工质的密度kg/m2，v一工质的比容m/kg7
7 2．压力： 垂直作用于器壁单位面积上的力，称为压力，也称压强。 f F p = 式中：F—整个容器壁受到的力，单位为牛顿（N）； f—容器壁的总面积（m 2）。 微观上：分子热运动产生的垂直作用于容器壁上单位面积的力。 nBT mw p n 3 2 3 2 2 2 = = 式中：P—单位面积上的绝对压力；n—分子浓度，即单位容积内含有气体 的分子数 V N n = ，其中 N 为容积 V 包含的气体分子总数。 压力测量依据：力平衡原理 压力单位：MPa 相对压力：相对于大气环境所测得的压力。工程上常用测压仪表测定的压力。 以大气压力为计算起点，也称表压力。 p = pb + pg （P> b p ） p = pb − pv （P< b p ） 式中 b p —当地大气压力 Pg—高于当地大气压力时的相对压力，称表压力； v p —低于当地大气压力时的相对压力，称为真空值。 注意：只有绝对压力才能代表工质的状态参数 3．比容: 比容：单位质量工质所具有的容积。 密度：单位容积的工质所具有的质量。 m V v = m 3 /kg 关系： v =1 式中： —工质的密度 kg/m3 ，v —工质的比容 m 3 /kg