1课程学习 1.1热力学基本定律 1.1.1热力学基本概念及定义 第一节热力系 热力系:由界面包围着的作为研究对象的物体的总和。 按热力系与外界进行物质交换的情况可将热力系分为 闭口系(或闭系)--与外界无物质交换,为控制质量(c.m.) 开口系(或开系)一与外界之间有物质交换,把研究对象规划在一定的空间范围内,称控制 容积(c.V 按热力系与外界进行能量交换的情况将热力系分为: 简单热力系一与外界只交换热量及一种形式的准静功 绝热系一与外界无热交换 孤立系一与外界既无能量交换又无物质交换 按热力系内部状况将热力系分为 单元系一只包含一种化学成分的物质: 多元系一包含两种以上化学成分的物质 均匀系一热力系各部分具有相同的性质 均匀系一热力系各部分具有不同的性质 工程热力学中讨论的热力系: 简单可压缩系一热力系与外界只有准静功的交换,且由压缩流体构成 第二节 热力系的描述 热力系的状态、平衡状态及状态参数 *热力系的状态:热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。在热力学中我们一般取设备 中的流体工质作为研究对象,这时热力系的状态即是指气体所呈现的物理状况 *平衡状态:在没有外界影响的条件下系统的各部分在长时间内不发生任何变化的状态。处 于平衡状态的热力系各处的温度、压力等参数是均匀一致的。而温差是驱动热流的不平衡势 温差的消失是系统建立平衡的必要条件。 对于一个状态可以自由变化的热力系而言,如果系统内或系统与外界之间的一切不平衡势 都不存在,则热力系的一切可见宏观变化均将停止,此时热力系所处的状态即是平衡状态 各种不平衡势的消失是系统建立起平衡状态的必要条件 *状态参数:用来描述热力系平衡态的物理量。处于平衡态的热力系其状态参数具有确定的 值,而非平衡热力系的状态参数是不确定的 状态参数的特性 描述热力系状态的物理量可分为两类:强度量和尺度量 (1)强度量 与系统中所含物质无关,在热力系中任一点具有确定的数值的物理量。 (2)尺度量 与系统所含物质有关的物理量称为尺度量。 强度量 强度量与系统所含物质的数量无关,它不具可加性就整个系统而言,强度量对于平衡状
1 课程学习 1.1 热力学基本定律 1.1.1 热力学基本概念及定义 第一节 热力系 热力系：由界面包围着的作为研究对象的物体的总和。 按热力系与外界进行物质交换的情况可将热力系分为： 闭口系(或闭系)--与外界无物质交换，为控制质量(c.m.)； 开口系(或开系)--与外界之间有物质交换，把研究对象规划在一定的空间范围内，称控制 容积(c.v.)。 按热力系与外界进行能量交换的情况将热力系分为： 简单热力系--与外界只交换热量及一种形式的准静功； 绝热系--与外界无热交换； 孤立系--与外界既无能量交换又无物质交换。 按热力系内部状况将热力系分为： 单元系--只包含一种化学成分的物质； 多元系--包含两种以上化学成分的物质； 均匀系--热力系各部分具有相同的性质； 均匀系--热力系各部分具有不同的性质。 工程热力学中讨论的热力系： 简单可压缩系--热力系与外界只有准静功的交换，且由压缩流体构成。 第二节 热力系的描述 热力系的状态、平衡状态及状态参数 *热力系的状态：热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。在热力学中我们一般取设备 中的流体工质作为研究对象，这时热力系的状态即是指气体所呈现的物理状况。 *平衡状态：在没有外界影响的条件下系统的各部分在长时间内不发生任何变化的状态。处 于平衡状态的热力系各处的温度、压力等参数是均匀一致的。而温差是驱动热流的不平衡势， 温差的消失是系统建立平衡的必要条件。 对于一个状态可以自由变化的热力系而言，如果系统内或系统与外界之间的一切不平衡势 都不存在，则热力系的一切可见宏观变化均将停止，此时热力系所处的状态即是平衡状态。 各种不平衡势的消失是系统建立起平衡状态的必要条件。 *状态参数：用来描述热力系平衡态的物理量。处于平衡态的热力系其状态参数具有确定的 值，而非平衡热力系的状态参数是不确定的。 状态参数的特性 描述热力系状态的物理量可分为两类：强度量和尺度量 （1）强度量 与系统中所含物质无关，在热力系中任一点具有确定的数值的物理量。 （2）尺度量 与系统所含物质有关的物理量称为尺度量。 强度量： 强度量与系统所含物质的数量无关，它不具可加性.就整个系统而言，强度量对于平衡状
态才有确定的参数,对于非平衡状态一般没有确定的数值 常见的强度量如压力P、温度T等 还有一些强度量是由尺度量转化而来的,尺度量对质量或是容积的微商具有强度量的性质 比容就是一个很好的例子 尺度量 把热力系视为一个整体来定义,具有可加性的物理量称为尺度量。常见的强度量如容积V、 质量m等 对于任意给定平衡及非平衡热力系,尺度量一般具有确定的值 状态参数是状态的单值函数。热力系状态一定,其状态参数的数值也一定。确定状态参数 的函数称为状态函数或点函数,具有以下数学特征: *在任意过程中,当热力系从初态1过渡到终态2时,任意状态参数的变化量均等于初、终 状态下该状态参数的差值,而与过程如何进行无关 *当热力系经历一封闭的状态变化过程而又回复到原始状态时,其状态参数的变化为零,即 状态函数是全微分。 第三节基本状态参数 简单可压缩平衡系的状态常用可测的状态参数比容ⅴ、压力P、温度T来描述的物理量,称为 基本状态参数。 密度和比容 *密度是单位容积内所含物质的质量,单位为千克每立方米。 *比容是单位质量的物质所占的容积,单位为立方米每千克 总容积V、总质量m为尺度量,但密度和比容为强度量且互为倒数,即密度*比容=1 压力 单位面积上所受到的垂直作用力称为压力。气体的压力是由气体分子运动撞击表面,而在 单位面积上所呈现的平均作用力 1.压力的测量、表压力和绝对压力 流体的压力用压力计测量,工程上常用的压力计为:弹簧压力计和U形管压力计 由于测压仪表本身处于大气压力的作用下,表上的压力并非被测系统的真实压力,而是系 统压力与当地大气压力的差值,称为表压力,用P表示 系统的真实压力,称为绝对压力,用P表示。P和P之间的关系。 压力: 定义式:p=F/A 气体的压力是气体分子运动撞击表面,在单位面积上所呈现的平均作用力 压力的法定计量单位为N/m,称为帕斯卡,符号为Pa 弹簧管压力计的基本结构:
态才有确定的参数，对于非平衡状态一般没有确定的数值. 常见的强度量如压力P、温度T等. 还有一些强度量是由尺度量转化而来的，尺度量对质量或是容积的微商具有强度量的性质， 比容就是一个很好的例子。 尺度量： 把热力系视为一个整体来定义，具有可加性的物理量称为尺度量。常见的强度量如容积V、 质量m等. 对于任意给定平衡及非平衡热力系,尺度量一般具有确定的值。 状态参数是状态的单值函数。热力系状态一定，其状态参数的数值也一定。确定状态参数 的函数称为状态函数或点函数，具有以下数学特征： *在任意过程中，当热力系从初态 1 过渡到终态 2 时，任意状态参数的变化量均等于初、终 状态下该状态参数的差值，而与过程如何进行无关。 *当热力系经历一封闭的状态变化过程而又回复到原始状态时，其状态参数的变化为零，即 状态函数是全微分。 第三节 基本状态参数 简单可压缩平衡系的状态常用可测的状态参数比容v、压力P、温度T来描述的物理量,称为 基本状态参数。 密度和比容 *密度是单位容积内所含物质的质量，单位为千克每立方米。 *比容是单位质量的物质所占的容积，单位为立方米每千克。 总容积V、总质量m为尺度量，但密度和比容为强度量且互为倒数，即密度*比容=1。 压力 单位面积上所受到的垂直作用力称为压力。气体的压力是由气体分子运动撞击表面，而在 单位面积上所呈现的平均作用力。 1.压力的测量、表压力和绝对压力 流体的压力用压力计测量,工程上常用的压力计为：弹簧压力计和U形管压力计。 由于测压仪表本身处于大气压力的作用下，表上的压力并非被测系统的真实压力，而是系 统压力与当地大气压力的差值，称为表压力，用P 表示。 系统的真实压力，称为绝对压力，用 P 表示。P 和 P 之间的关系。 压力： 定义式：p=F/A 气体的压力是气体分子运动撞击表面，在单位面积上所呈现的平均作用力。 压力的法定计量单位为 N/m ，称为帕斯卡，符号为 Pa. 弹簧管压力计的基本结构：
工作原理 利用弹簧管在内外压差作用下产生变形,从而拨动指针转动来指示工质与环境间的压差 温度及热力学第零定律 设想有两个热力系,最初都处于平衡态。将它们接触后将会怎样呢? 热力学第零定律是由经验得到的结果不可能从其它定律中推导出来。 举个例,假如有三个球队A,B,C,A和B打成1:1,而A与C踢成2:2,当B和C比赛时并 不能说它们就能打成平手,有可能B获胜或C获胜也可能两对打平。这同热力学第零定律相 同,是由经验得出的,而不可能从某个定律中推导出来 温度标尺 *概念:对温度进行定量度量,表示温度高低的尺度称为温度标,简称温标 *理论基础:热力学第零定律 *原理:物体的温度用温度计测量。当温度计与被测系统接触时,若二者不处于热平衡,则 将引起温度计中测温物质状态变化,直至二者达到热平衡时为止。这样,可利用测温物质在 两系统相互作用中所引起的某种特性变化,将被测系统温度显示出来 *摄氏温标:在1个标准大气压下,水的冰点为0度,汽点为100度,其间分为100个分度的 温度称为摄氏温度,用t表示,单位为°C *理想气体温标:取水的三相点的温度为0度,零点取三相点温度以下273.16度处,而在零 度与三相点温度间取273.16个分度,所得到的温度标尺为理想气体温度标尺,用T表示, 单位为 *两者的关系:t=T-27315 第四节状态方程式、状态参数坐标图 状态公理 热力系状态用状态参数来描述,决定平衡热力系状态独立变量的数目等于热力系与外 界交换能量的各种方式的总数。对于组成一定的闭系,与外界相互作用除表现为各种形式 的功交换外,还可能交换热量,因此,对于组成一定的闭系的给定平衡状态而言,可用n+1 个独立的状态参数限定,其中n是系统可能有的准静功形式的数目,1是考虑热交换 简单可压缩系统平衡状态参数为(n+1=1+1=)2个。 纯物质的状态方程 *纯物质:组成是同一的,化学结构是处处一致的物质 *纯物质的状态方程: 各种物质具有不同的状态方程式,是物质个性的体现 状态参数坐标图 对于简单可压缩平衡热力系,可用任意两个独立状态参数组成二维平面坐标系,即为热力 状态坐标系。图中任意一点代表某一确定的平衡状态 只有平衡状态才能在状态坐标图上用点来表示。 第五节热力工程及热力循环 热力系处于平衡态时,一切不平衡势都不存在,因而其平衡态不会发生改变。但当热力系所 处的条件变化后,热力系会在不平衡势的推动下发生连续变化,这就是热力学过程,简称热
工作原理 利用弹簧管在内外压差作用下产生变形，从而拨动指针转动来指示工质与环境间的压差。 温度及热力学第零定律 设想有两个热力系，最初都处于平衡态。将它们接触后将会怎样呢？ 热力学第零定律是由经验得到的结果不可能从其它定律中推导出来。 举个例，假如有三个球队 A，B，C，A 和 B 打成 1:1，而 A 与 C 踢成 2:2，当 B 和 C 比赛时并 不能说它们就能打成平手，有可能 B 获胜或 C 获胜也可能两对打平。这同热力学第零定律相 同，是由经验得出的，而不可能从某个定律中推导出来。 温度标尺 *概念：对温度进行定量度量，表示温度高低的尺度称为温度标，简称温标。 *理论基础：热力学第零定律 *原理：物体的温度用温度计测量。当温度计与被测系统接触时，若二者不处于热平衡，则 将引起温度计中测温物质状态变化，直至二者达到热平衡时为止。这样，可利用测温物质在 两系统相互作用中所引起的某种特性变化，将被测系统温度显示出来。 *摄氏温标：在1个标准大气压下，水的冰点为0度，汽点为100度，其间分为100个分度的 温度称为摄氏温度，用t表示，单位为°C。 *理想气体温标：取水的三相点的温度为0度，零点取三相点温度以下273.16度处，而在零 度与三相点温度间取273.16个分度，所得到的温度标尺为理想气体温度标尺，用T表示， 单位为K。 *两者的关系：t＝T－273.15 第四节 状态方程式、状态参数坐标图 状态公理 热力系状态用状态参数来描述，决定平衡热力系状态独立变量的数目等于热力系与外 界交换能量的各种方式的总数。对于组成一定的闭系，与外界相互作用除表现为各种形式 的功交换外，还可能交换热量，因此，对于组成一定的闭系的给定平衡状态而言，可用n+1 个独立的状态参数限定,其中n是系统可能有的准静功形式的数目,1是考虑热交换。 简单可压缩系统平衡状态参数为（n+1=1+1=）2个。 纯物质的状态方程 *纯物质：组成是同一的，化学结构是处处一致的物质。 *纯物质的状态方程： 各种物质具有不同的状态方程式，是物质个性的体现。 状态参数坐标图 对于简单可压缩平衡热力系，可用任意两个独立状态参数组成二维平面坐标系，即为热力 状态坐标系。图中任意一点代表某一确定的平衡状态。 只有平衡状态才能在状态坐标图上用点来表示。 第五节 热力工程及热力循环 热力系处于平衡态时，一切不平衡势都不存在，因而其平衡态不会发生改变。但当热力系所 处的条件变化后，热力系会在不平衡势的推动下发生连续变化，这就是热力学过程，简称热
力过程 准平衡过程 现在考察一下在有限压差作用下的气体膨胀作功过程 最初,热力系与外界已建立平衡,现移去一块重物,情况会怎样呢? 这时看到活塞缓慢上移,一段时间后,重新到达平衡。 若同时移去四块,则活塞上移的速度加快 通过上面的例子,可知移去重物质量愈大,突然移去后引起热力系内部的不平衡愈明显 若将总质量为m的重物分成n小块(m=nDm),然后依次移去一小块Dm,则随n增加,Dm 减小所引起的热力系内部不平衡性也减小。当n的数目极大而使Dm为一微小质量时,其所 造成热力系内部的不平衡小到可以忽略。此时,热力系所经历的一系列状态都无限接近于 平衡状态,称这种过程为准平衡过程。同时,由于推动活塞运动的不平衡力极小,活塞移 动是无限缓慢的,这种过程又叫准静过程。 可见,热力系实施准平衡过程的条件是推动过程进行的不平衡势为无限小。在上述例子中, 热力系内外的压差为无限小,即 其中p为热力系内部的压力;pm为外界环境的压力 由上分析,可得到以下结论:热力系的一切变化过程都是在不平衡势推动下进行的,没有 不平衡就没有变化,也就没有过程。当不平衡势为无限小时所进行 的极限过程为准平衡过程。 热力循环 封闭的热力过程称为热力循环。此时,热力系从某一初态出发经历一系列状态变化后又 回到初态,如下图中的封闭过程1-2-3-4-1。系统实施热力循环的目的是通过热力系的状态 变化实现预期的能量转换 工程上最常见的是两类循环:热机循环和制冷机(或热泵)循环。 热机循环的工作原理如左图,其目的是实现热功转换,即从高温热源取得热量Q,而对外 作功W。为对外输出有效功量,循环膨胀功应大于压缩功。其循环过程表示在p-V图上 为顺时针方向 制冷机(或热泵)循环的目的在于将热量从低温物体取出并排向高温物体如左图所示,为 此需要消耗外功,故循环在p-V图上沿1-4-3-2-1进行。 通常称热机循环为正循环,制冷机或热泵循环称为逆循环。 循环指标 *正循环 (1)循环净作功量: (2)循环的经济性 循环的经济性用热效率来衡量 *逆循环 1)循环净功量: (2)循环的经济性 循环的经济性用工作系数来衡量
力过程。 准平衡过程 现在考察一下在有限压差作用下的气体膨胀作功过程。 最初，热力系与外界已建立平衡，现移去一块重物，情况会怎样呢？ 这时看到活塞缓慢上移，一段时间后，重新到达平衡。 若同时移去四块，则活塞上移的速度加快。 通过上面的例子，可知移去重物质量愈大，突然移去后引起热力系内部的不平衡愈明显。 若将总质量为m的重物分成n小块（m=nDm），然后依次移去一小块Dm，则随n增加，Dm 减小所引起的热力系内部不平衡性也减小。当n的数目极大而使Dm为一微小质量时，其所 造成热力系内部的不平衡小到可以忽略。此时，热力系所经历的一系列状态都无限接近于 平衡状态，称这种过程为准平衡过程。同时，由于推动活塞运动的不平衡力极小，活塞移 动是无限缓慢的，这种过程又叫准静过程。 可见，热力系实施准平衡过程的条件是推动过程进行的不平衡势为无限小。在上述例子中， 热力系内外的压差为无限小，即 其中 p 为热力系内部的压力；psurr为外界环境的压力。 由上分析，可得到以下结论：热力系的一切变化过程都是在不平衡势推动下进行的，没有 不平衡就没有变化，也就没有过程。当不平衡势为无限小时所进行 的极限过程为准平衡过程。 热力循环 封闭的热力过程称为热力循环。此时，热力系从某一初态出发经历一系列状态变化后又 回到初态，如下图中的封闭过程 1-2-3-4-1。系统实施热力循环的目的是通过热力系的状态 变化实现预期的能量转换。 工程上最常见的是两类循环：热机循环和制冷机(或热泵)循环。 热机循环的工作原理如左图，其目的是实现热功转换，即从高温热源取得热量Q，而对外 作功W。为对外输出有效功量，循环膨胀功应大于压缩功。其循环过程表示在p－V图上， 为顺时针方向。 制冷机（或热泵）循环的目的在于将热量从低温物体取出并排向高温物体如左图所示，为 此需要消耗外功，故循环在p－V图上沿1-4-3-2-1进行。 通常称热机循环为正循环，制冷机或热泵循环称为逆循环。 循环指标 *正循环 （1） 循环净作功量： （2）循环的经济性 循环的经济性用热效率来衡量 *逆循环 （1）循环净功量： （2）循环的经济性 循环的经济性用工作系数来衡量：
强度量: 强度量与系统所含物质的数量无关,它不具可加性.就整个系统而言,强度量对于平衡状 态才有确定的参数,对于非平衡状态一般没有确定的数值 常见的强度量如压力P、温度T等 还有一些强度量是由尺度量转化而来的,尺度量对质量或是容积的微商具有强度量的性质, 比容就是一个很好的例子 尺度量 把热力系视为一个整体来定义,具有可加性的物理量称为尺度量。常见的强度量如容积V、 质量m等. 对于任意给定平衡及非平衡热力系,尺度量一般具有确定的值。 压力: 定义式:p=F/A 气体的压力是气体分子运动撞击表面,在单位面积上所呈现的平均作用力 压力的法定计量单位为N/m,称为帕斯卡,符号为Pa 弹簧管压力计的基本结构 工作原理 利用弹簧管在内外压差作用下产生变形,从而拨动指针转动来指示工质与环境间的压差 1.12能量与热力学第一定律 第一节热力学第一定律的实质 能量转换与守恒定律的内容和意义 *内容:“自然界一切物质都具有能量。能量不可能创造,也不可能消灭,而只能在一定 条件下从一种形式转化为另一种形式。在转换中,能量的总量恒定不变 *意义:能量的转换反映了运动由一种形式转变为另一种形式的无限能力,能量守恒反映 了物质世界中运动不灭的事实 热力学第一定律 *实质:能量守恒一热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热力学中的应用,确定了热 力过程中各种能量在量上的相互关系。 *含义:在任何发生能量传递和转换的热力过程中,传递和转换前后能量的总量维持恒定 *应用范围:热力学第一定律是对参与过程的各种能量进行量的分析的基本依据,是一个 普遍的自然规律,存在于一切热力过程中,并贯穿于过程的始终 第二节功 热力系与外界传递能量的方式 作功和传热一热力系与环境之间在不平衡势的作用下发生能量交换所实施的热力过 *热力学定义:功是物系间相互作用而传递的能量。当系统完成功时,其对外界的作用可 用在外界举起重物的单一效果来表示
== 强度量： 强度量与系统所含物质的数量无关，它不具可加性.就整个系统而言，强度量对于平衡状 态才有确定的参数，对于非平衡状态一般没有确定的数值. 常见的强度量如压力P、温度T等. 还有一些强度量是由尺度量转化而来的，尺度量对质量或是容积的微商具有强度量的性质， 比容就是一个很好的例子。 尺度量： 把热力系视为一个整体来定义，具有可加性的物理量称为尺度量。常见的强度量如容积V、 质量m等. 对于任意给定平衡及非平衡热力系,尺度量一般具有确定的值。 压力： 定义式：p=F/A 气体的压力是气体分子运动撞击表面，在单位面积上所呈现的平均作用力。 压力的法定计量单位为 N/m ，称为帕斯卡，符号为 Pa. 弹簧管压力计的基本结构： 工作原理 利用弹簧管在内外压差作用下产生变形，从而拨动指针转动来指示工质与环境间的压差。 1.1.2 能量与热力学第一定律 第一节 热力学第一定律的实质 能量转换与守恒定律的内容和意义 *内容：“自然界一切物质都具有能量。能量不可能创造，也不可能消灭，而只能在一定 条件下从一种形式转化为另一种形式。在转换中，能量的总量恒定不变。” *意义： 能量的转换反映了运动由一种形式转变为另一种形式的无限能力，能量守恒反映 了物质世界中运动不灭的事实。 热力学第一定律 *实质：能量守恒—热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热力学中的应用，确定了热 力过程中各种能量在量上的相互关系。 *含义：在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传递和转换前后能量的总量维持恒定”。 *应用范围: 热力学第一定律是对参与过程的各种能量进行量的分析的基本依据，是一个 普遍的自然规律，存在于一切热力过程中，并贯穿于过程的始终。 第二节 功 热力系与外界传递能量的方式 作功和传热—热力系与环境之间在不平衡势的作用下发生能量交换所实施的热力过 程。 功 *热力学定义: 功是物系间相互作用而传递的能量。当系统完成功时，其对外界的作用可 用在外界举起重物的单一效果来表示