第一章 基本概念

本章重点 热力系统 工质状态与状态参数 基本状态参数p,v,T 平衡状态 准静态过程，可逆过程 状态方程与坐标图 功和热量； 热力循环：正循环和逆循环。

§1-1 热力系统 1、系统与边界 热力系统(热力系、系统)：将所要研究的对象与周围环境分隔出来，这种人为分隔出来的研究对象，称为~。这种研究对象指特定物质或空间。 外界：热力系以外的所有物质。 边界(界面)：热力系统与外界分开的界面。 系统与外界的作用都通过边界

§1-1 热力系统

2、边界特性 热力系的选取完全是按照人为的目的进行的。 真实、虚构 固定、活动

3、热力系统分类 是否传质 开口系 闭口系 是否传热 非绝热系 绝热系 是否传功 非绝功系 绝功系 是否传热、功、质 非孤立系 孤立系 ⑴以系统与外界关系划分： 有 无 是否传质 开口系 闭口系 是否传热 非绝热系 绝热系 是否传功 非绝功系 绝功系 是否传热、功、质 非孤立系 孤立系

热力系统 1 2 3 4 m Q W 1  开口系 1+2  闭口系 1+2+3  绝热闭口系 1+2+3+4  孤立系 非孤立系＋相关外界 ＝孤立系

⑵热力系统其它分类方式 物理化学性质 均匀系 非均匀系 单元系 其它分类方式 工质种类 多元系 单相 相态 多相

§1-2 工质状态和状态参数 1、状态定义：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 §1-2 工质状态和状态参数 1、状态定义：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 2、状态参数定义：描述热力系状态的物理量，如p，v，T，u ， h ， s等。 3、状态参数的特征： ⑴状态确定，则状态参数也确定，反之亦然 ⑵状态参数的积分特征：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关 ⑶状态参数的微分特征：全微分

状态参数的积分特征 状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。 数学上： a 1 2 b 例：温度变化

状态参数的微分特征 设 z =z (x , y) dz是全微分 充要条件： 可判断是否是状态参数

4、强度参数与广延参数 强度参数：与物质的量无关的参数 如压力 p、温度T 广延参数：与物质的量有关的参数可加性 如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S 比参数： 比熵 比容 比内能 比焓 单位：/kg 具有强度参数的性质

§1-3 基本状态参数 压力 p、温度 T、比容 v （容易测量） 1、压力 p 1 MPa = 106 Pa ⑴ 物理中压强，单位: Pa , N/m2 ⑵常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa

⑷压力p测量 一般是工质绝对压力与环境压力的相对值 ——相对压力 注意：只有绝对压力 p 才是状态参数 示意图

⑶绝对压力与相对压力 当 p > pb 表压力 pe 当 p < pb 真空度 pv 示意图 pe pv p pb p

⑷环境压力与大气压力 环境压力指压力表所处环境 注意：环境压力一般为大气压，但不一定。 见例题1－1 大气压随时间、地点变化。 物理大气压 1atm=760mmHg 当h变化不大，ρ常数 1mmHg= ρgh=133.322Pa 当h变化大，ρ ρ(h)

⑵压力表2测得的也是A室的相对压力，但它处在B室环境中，故 已知当地大气压力pb, 及压力表1、2的读数分别为 pg1，pg2。求pg3？ 解：⑴压力表1测得的是A室的 相对压力，故 ⑵压力表2测得的也是A室的相对压力，但它处在B室环境中，故 ⑶压力表3测得的是B室的相对压力，故

⑸其它压力测量方法 高精度测量：活塞式压力计 工业或一般科研测量：压力传感器

2、温度 温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。 ⑴定义：是描述热力平衡系统冷热状况的物理量。从微观上，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。　　 温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。

特性 （体积膨胀，阻值，温差效应，光导纤维） ⑵温度的测量 物质 （水银，铂电阻，热电偶，光纤） 特性 （体积膨胀，阻值，温差效应，光导纤维） 温度计 基准点 温标：温度的数值表示法 刻度

热力学温标和国际摄氏温标  华氏温标和摄氏温标

3、比容v ［m3/kg] 工质聚集的疏密程度 物理上常用密度  ［kg/m3]

§1-4 平衡状态 1、定义： 在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。 §1-4 平衡状态 1、定义： 　　在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。 温差 — 热不平衡势　　　　　　 压差 — 力不平衡势 化学反应 — 化学不平衡势 2、平衡的充要条件：系统内部及系统与外界之间不存在不平衡势

稳定：参数不随时间变化，但可能有外界作用。 3、平衡与稳定的比较 稳定：参数不随时间变化，但可能有外界作用。 例如，教室内与教室外 稳定不一定平衡，但平衡一定稳定

4、平衡与均匀的比较 平衡：时间上 均匀：空间上 平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的

如果系统平衡，可用一组确定的参数（压力、温度）描述 5、为什么引入平衡概念？ 如果系统平衡，可用一组确定的参数（压力、温度）描述

§1-5 状态方程、坐标图 1、状态公理 平衡状态可用一组状态参数描述其状态 想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？ §1-5 状态方程、坐标图 1、状态公理 平衡状态可用一组状态参数描述其状态 想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？ 状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数 N=n+1

n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等 =能量转换方式的数目 =各种功的方式+热量= n+1 n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等 简单可压缩系统：N = n + 1 = 2 绝热简单可压缩系统  N = ? 对不可压缩系统  N = ?

2、状态方程 基本状态参数（p,v,T)之间的关系 ⑴状态方程的一般形式

⑵状态方程的具体形式 取决于工质的性质 理想气体的状态方程 实际工质的状态方程？？？ 范德瓦尔方程、伯特洛方程等。

p 1 2 v 3、坐标图 简单可压缩系 N=2，平面坐标图 说明： ⑴系统任何平衡态可 表示在坐标图上 ⑵过程线中任意一点 为平衡态 ⑶不平衡态无法在图 上用实线表示 v 常见p-v图和T-s图

§1-6 准静态过程、可逆过程 1、准静态过程 但平衡状态是死态，没有能量交换 ⑴热力学引入准静态（准平衡）过程？ 平衡状态 状态不变化 §1-6 准静态过程、可逆过程 1、准静态过程 但平衡状态是死态，没有能量交换 ⑴热力学引入准静态（准平衡）过程？ 平衡状态 状态不变化 能量不能转换 无法简单描述 非平衡状态

⑵定义 突然去掉重物 p1 = p0+重物 最终 p2 = p0 T1 = T0 T2 = T0 p0 p . 1 . 2 p，T v

. . . p0 p 1 2 p，T v 假如重物有无限多层 p1 = p0+重物 每次只去掉无限薄一层 T1 = T0 系统随时接近于平衡态 p0 p . 1 . . 2 p，T v

定义：由一系列无限接近平衡态的状态所组成的热力过程称为准静态过程或准平衡过程。 ⑶准静态过程有实际意义吗？ 既是平衡，又是变化 既可以用状态参数描述，又可进行热功转换 疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？

准静态过程的工程条件 破坏平衡所需时间 （外部作用时间） 恢复平衡所需时间 （驰豫时间） >> 有足够时间恢复新平衡  准静态过程

例如：气缸活塞系统，气体分子运动的速度极大。 在0℃时，H2 的均方根平移运动速度达1828m/s,N2分子达 493 m/s，O2分子达461 m/s. 气体内部的压力传播速度也很大，通常达每秒几百米。 而活塞移动的速度通常不足10 m/s。 因此气体在气缸内部的体积变化过程中有足够的时间来恢复平衡，所以气缸内的气体的状态变化过程是一个准静态过程。 工程中的许多热力过程，虽然凭人们的主观标准看似乎很迅速， 但从热力学的时间标尺来衡量，过程的变化还是比较慢的， 并不会出现明显的偏离平衡态，可以当作实现准静态过程来处理。

2、可逆过程 ⑴定义 系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。 注意：可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。

当活塞逆行时，飞轮中储存的能量逐渐释放出来用于推动活塞沿工质原过程线逆向进行一个压缩过程。 若假想机器内部没有摩擦，工质内部也没有摩阻。工质膨胀对外所作的功全部用来推动飞轮，以动能的形式全部储存在飞轮中。 当活塞逆行时，飞轮中储存的能量逐渐释放出来用于推动活塞沿工质原过程线逆向进行一个压缩过程。 由于机器及工质没有任何耗散损失，过程终了将使工质及机器都回复到各自的初始状态。故是可逆过程。

（2）可逆过程的实现 准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程 通过摩擦使功 变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变形，磁阻等） 无不平衡势差 耗散效应 不平衡势差 不可逆根源 耗散效应

⑶引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的理想化过程， 但并非最优过程，可逆过程是最优过程。 可逆过程的功与热完全可用系统内工质 的状态参数表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。 实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按理想情况（可逆过程）处理， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以修正。

§1-7 功 量 1、定义 ⑴力学定义: 力  在力方向上的位移 ⑵热力学定义 指热力系通过边界和外界进行的机械能的交换量。J，J/kg

例：火力发电装置 过热器 汽轮机 锅 炉 发电机 凝汽器 给水泵

其他形式的功：拉伸功，表面张力功，电功等 2、功的表达式 ⑴功的一般表达式 ⑵热力学最常见的功  容积变化功 ：膨胀功或压缩功。 其他形式的功：拉伸功，表面张力功，电功等

p 3、示功图 1 . W mkg工质： W W =pdV . p 2 V dV 1kg工质： w =pdv p p外 1 2

W =pdV

§1-8 热 量 与 熵 1、热量定义： 热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分（不确切）。 §1-8 热 量 与 熵 1、热量定义： 热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分（不确切）。 另一定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温差的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。

热 量 如 何 表 达 ？ 热量是否可以用类似于功的式子表示？ ？ 引入“熵”

热量与容积变化功 能量传递方式 容积变化功 传热量 性质 过程量 过程量 推动力 压力 p 温度 T 标志 dV , dv dS , ds 能量传递方式 容积变化功 传热量 性质 过程量 过程量 推动力 压力 p 温度 T 标志 dV , dv dS , ds 公式 条件 准静态或可逆 可逆

2、熵（ Entropy）的定义 ⑴定义 reversible 熵的简单引入 广延量 [kJ/K] 比参数 [kJ/kg.K] ds: 可逆过程 qrev除以传热时的T所得的商 清华大学刘仙洲教授命名为“熵”

⑵熵的说明 ①熵是状态参数 ②符号规定 系统吸热时为正 Q > 0 dS > 0 ③熵的物理意义：熵体现了可逆过程 传热的大小与方向 ④用途：判断热量方向 计算可逆过程的传热量

⑶示功图与温熵图(示热图) p T Q W V S 示功图 温熵(示热)图

§1-9 热力循环 要实现连续作功，必须构成循环 1、定义： 热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为循环。 2、分类： 可逆 §1-9 热力循环 要实现连续作功，必须构成循环 1、定义： 热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为循环。 2、分类： 可逆 正向循环 热力过程性质 按循环的效果 逆向循环 不可逆

3、正循环 p T 1 2 1 2 V S 净效应：对外作功 净效应：吸热（消耗热） （1）定义：正循环：状态坐标图上顺时针方向进行，热能 机械能 所有的热力发动机如汽车、船舶、飞机的动力装置和其他输出动力的装置（如蒸汽动力）——动力循环（热机循环）属于正循环。 p T 1 2 1 2 V S 净效应：对外作功 净效应：吸热（消耗热）

⑵动力循环的评价指标： 热效率 T1 Q1 W Q2 T2

4、逆循环 p T 1 2 1 2 V S 净效应：对内作功 净效应：放热 （1）定义： 逆循环：逆时针方向，机械能 热能 逆循环：逆时针方向，机械能 热能 所有的制冷机（如冰箱、空调等）和其他输出热能的装置（如热泵等）——制冷循环（热泵循环） p T 1 2 1 2 V S 净效应：对内作功 净效应：放热

（2）逆循环的评价指标 逆循环：净效应（对内作功，放热） T0 ①制冷循环：制冷系数 Q1 W Q2 T2

②制热循环：制热系数 T1 Q1 W Q2 T0

本章作业（P19） 思考题： 1-3、1-7、1-8、1-10 习题： 1-1、1-4、1-5、1-6、1-9（第五版） 1-1、1-2、1-3、1-6、1-8（第四版）