01基本概念及定义

2020年1月16日第一章基本概念及定义1第一章基本概念及定义1-1热力学系统1-2热力学系统的状态及基本状态参数1-3平衡状态和状态参数坐标图1-4状态方程式1-5准静态过程和可逆过程1-6可逆过程的功1-7热量1-8热力循环2020年1月16日第一章基本概念及定义21-1热力学系统热力学系统（热力系统、热力系、系统）——人为选定的某些确定的物质或某个确定空间中的物质。外界—系统之外与系统能量转换过程有关的一切其他物质。边界—分割系统与外界的界面。在边界上可以判断系统与外界间所传递的能量和质量的形式和数量。边界可以是实际的、假想的、固定的或活动的。2020年1月16日第一章基本概念及定义3闭口系统——与外界无质量交换的系统（控制质量）。开口系统——与外界有质量交换的系统（控制容积、控制体）。绝热系统——与外界无热量交换的系统。孤立系统——与外界既无能量（功量、热量）交换，又无质量交换的系统。＊热源——具有无限热量储存能力的假想热力系统，其作用只是与其他系统交换热量。一般情况下，交换热量后其温度不发生变化。高温热源：向其他系统供热的热源；低温热源：吸收其他系统放出热量的热源。系统的选取，取决于分析问题的需要及分析方法上的方便。系统的分类：2020年1月16日第一章基本概念及定义41-2热力学系统的状态及基本状态参数热力学状态：热力学系统所处的宏观状况。状态参数：描述系统热力学状态的宏观物理量。基本状态参数：可以直接测量得到的状态参数（p、v、T）。导出状态参数：由基本状态参数计算得到的状态参数（u、h、s等）。状态参数仅决定于状态。对应某一确定状态，就有一组状态参数。反之，一组确定的状态参数就可以确定一个状态。其数值仅决定于状态，而与达到该状态的途径无关。因此，状态参数的变化（以压力p为例）可表示为：122,1ppp状态参数的微增量具有全微分的性质，即2,11221dpppp2020年1月16日第一章基本概念及定义5一、比体积v——单位质量物质占有的体积。描述系统内部物质分布状况的参数。基本状态参数：m3/kgmVv密度和比体积互为倒数，即vVm1kg/m32020年1月16日第一章基本概念及定义6二、压力ebppp绝对压力p：流体的真实压力。相对压力(表压力pe、真空度pv)：压力计(真空表)显示的压力。(压强)p——流体在单位面积上的垂直作用力。描述流体物质组成的热力系统内部力学状况的参数。vbppp压力的单位：Pa，工程上常用MPa(1MPa＝106Pa)。其他还在应用的压力单位有bar(巴)、atm(标准大气压)、mmHg(毫米汞柱，0℃)及mmH2O(毫米水柱，4℃)等2020年1月16日第一章基本概念及定义7三、温度t＝T－273.15KT——表征物体的冷热程度，是描述系统热状况的参数。按气体分子运动学说，气体的温度为气体分子平均移动动能的量度。热力学温标的基本温度为热力学温度T，采用水的固相、液相和汽相三相共存状态的温度作为定义热力学温标的固定点，规定该点的热力学温度为273.16 K。热力学温度单位K为水的三相点温度的1/273.16。热力学温标也用摄氏温度t来表示。单位为℃(摄氏度)。摄氏温度的定义为2020年1月16日第一章基本概念及定义81-3平衡状态和状态参数坐标图平衡状态：在没有外界影响的条件下，热力系统的宏观状况不随时间变化的状态。平衡条件：热平衡——系统内具有均匀一致的温度。力平衡——系统内具有确定不变的压力分布。化学平衡系统状态变化，取决于系统和外界间的能量传递。状态公理表明，确定系统平衡状态所需的独立状态参数的数目等于系统和外界间进行能量传递方式的数目。对于常见的气态物质组成的系统，没有化学反应时，它和外界间传递的能量只有热量和系统容积变化功，因此只要有两个独立的状态参数即可确定系统的状态。2020年1月16日第一章基本概念及定义91-4状态方程式状态方程式：三个基本状态参数(p、v、T)之间的函数关系，即：F(p，v，T)＝0显函数形式：T＝f1(p，v)，p＝f2(v，T)，v＝f3(p，T)Rg＝R/M—气体常数，M—摩尔质量。对n(mol)理想气体：pV＝RT对m(kg)理想气体：pV＝RgT理想气体：相互之间没有作用力的质点组成的可压缩流体。理想气体状态方程式（克拉贝龙方程）：对1mol理想气体：pVm＝RTR＝8.314510J/(mol·K)—摩尔气体常数；Vm—摩尔容积，m3/mol。对1kg理想气体：pv＝RgT2020年1月16日第一章基本概念及定义101-5准静态过程和可逆过程热力过程——热力学状态连续变化的历程。非准静态过程——由一系列不平衡状态组成的过程。准静态过程——由一系列无限接近平衡状态的准静态组成的过程。准静态过程进行的条件：推动过程进行的作用无限小。2020年1月16日第一章基本概念及定义11实际过程是否可以作为准静态过程来处理取决于弛豫时间。弛豫时间：气体平衡状态被破坏后恢复平衡所需的时间。大部分实际过程可近似看做准静态过程。因为气体分子热运动平均速度可达每秒数百米以上，气体压力传播速度也达每秒数百米，因而在一般工程设备的有限空间内，气体的平衡状态被破坏后恢复平衡所需的时间，即弛豫时间非常短。例如，内燃机的活塞运动速度仅每秒十余米，与其中的气体分子热运动的平均速度相比相差一个数量级，机器工作时气体工质内部能及时地不断建立平衡状态，因而工质的变化过程很接近准静态过程。准静态过程应用的条件2020年1月16日第一章基本概念及定义12可逆过程——热力学系统进行一个热力过程后，能沿原过程逆向进行，使系统和有关的外界都返回原来的初始状态，不留下任何变化的热力过程。摩擦、涡流以及温差传热等均为不可逆因素。可逆过程=无耗散的准静态过程。2020年1月16日第一章基本概念及定义131-6可逆过程的功功的定义（力学）：W＝Fx功的热力学定义：热力学系统和外界间通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物。功是过程量；功是传递的能量（瞬时量）。直接由系统容积变化与外界间发生作用而传递的功称为容积变化功（膨胀功或压缩功）。由气缸和活塞所包围的热力系统进行一个微元过程，如活塞所受推力F，位移dx,则系统对外界作的膨胀功为：xFWdδ2020年1月16日第一章基本概念及定义14对可逆过程，F=pA,所以系统由状态1到状态2进行一个可逆过程时，系统与外界的功量交换：212121dδVpWWvpmVpmVpmwwdddδδ单位质量气体：2121dvpw以及功量在p-v图上的表示：功的符号：系统对外作功为正；外界对系统作功为负。VpxpAWddδxFWdδ2020年1月16日第一章基本概念及定义151-7热量热量的定义：热力学系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。热量是过程量；热量是传递的能量（瞬时量）。热量是物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的能量；而功则是物体间通过有规则的微观运动或宏观运动发生相互作用而传递的能量。热量符号：系统吸热时热量为正，系统放热时热量为负。热量与功量的类比：势（势参数）：推动能量传递的作用力，如p,T。状态坐标：其变化可作为衡量某种能量传递作用的标志，如v。2020年1月16日第一章基本概念及定义16功量：势：p状态坐标:V热量势：T状态坐标:？取描述热量传递的状态坐标为熵：S,单位为J/K。VpWdδVpWd2121STQdδSTQd2121sTmSTmSTmQqdddδδ2121dsTq因此有对1kg工质：和，2020年1月16日第一章基本概念及定义17比热容及用比热容计算热量质量热容(比热容)c——1kg物质温度升高1K(或1℃)所需的热量，即热量是过程量。定容过程的比热容称为比定容热容cV：VVTqcdδTcqVVdδ和定压过程的比热容称为比定压热容cp：ppTqcdδTcqppdδ和TqcdδJ/(kg·K)2020年1月16日第一章基本概念及定义18摩尔热容——1mol物质温度升高1K(或1℃)所需要的热量，用Cp,m及CV,m表示，单位为J/(mol·K)。容积热容——标准状态下1m3的气体温度升高1 K(或1 ℃)所需要的热量，用Cp及CV表示，单位为J/(m3·K)。三种热容的关系：Cp,m=(22.4×10-3m3/mol)×Cp=Mcp热量的计算：Tcqqdδ2121212020年1月16日第一章基本概念及定义191-8热力循环热力循环（循环）——封闭的热力过程。系统由初始状态出发，经过一系列中间状态回到初始状态的热力过程。adccbaδδδ循环净功量：循环净热量：adccbaqqqδδδ正循环—顺时针进行的循环，热机循环。逆循环—逆时针进行的循环，制冷(热泵)循环。