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1、第一章 基本概念,Basic Concepts,1-1 热力系统,热力系统(热力系、系统)：人为地 研究对象,1、系统的定义,Thermodynamic system,system,A quantity of matter or a region in space chosen for study,1-1 热力系统,外界：系统以外的所有物质,2、系统、外界与边界,边界(界面)：系统与外界的分界面,系统与外界的作用都通过边界,surroundings,boundary,边界特性,真实、虚构,固定、活动,fixed、movable,real、,imaginary,热力系统分类,以系统与外界关系划分
2、：,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,Types of System,开口系,绝热系,孤立系,Isolated system,闭口系,Adiabatic system,1 开口系,1-1 热力系统,非孤立系相关外界孤立系,1+2 闭口系,1+2+3 绝热闭口系,1+2+3+4 孤立系,热力系统其它分类方式,其它分类方式,物理化学性质,均匀系 非均匀系,工质种类,多元系,单元系,相态,多相,单相,简单可压缩系统,最重要的系统,简单可压缩系统,只交换热量和一种准静态的容积变化功,容积变化功,压缩功膨胀功,Si
3、mple compressible system,1-2 状态和状态参数,状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况,状态参数：描述热力系状态的物理量,状态参数的特征：,1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然,2、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,3、状态参数的微分特征：全微分,State and state properties,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：,点函数、态函数,1,2,a,b,例：温度变化,山高度变化,point function,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
4、否是状态参数,Total differentials,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：,比容,比内能,比焓,比熵,单位：/kg/kmol 具有强度参数的性质,Intensive properties,Extensive properties,强度参数与广延参数,速度,动能,高度,位能,内能,温度,应力,摩尔数,（强）,（强）,（强）,（强）,（广）,（广）,（广）,（广）,Velocity,Kinetic Energy,Height,Potential Energ
5、y,Temperature,Internal Energy,Stress,Mol,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(pressure)物理中压强，单位:Pa(Pascal),N/m2,常用单位Units：1 kPa=103 Pa 1bar=105 Pa 1 MPa=106 Pa 1 atm=760 mmHg=1.013105 Pa 1 mmHg=133.3 Pa 1 at=1 kgf/cm2=9.80665104 Pa,Basic state properties,压力p测量,示意图,绝对压力与环境压力的相对值 相对压力,U-tube manomet
6、er,Bourdon Tube,绝对压力与相对压力,示意图,当 p pb,表压力 pe,当 p pb,真空度 pv,pb,pe,p,pv,p,relative pressure,absolute pressure,Gage pressure,Vacuum pressure,环境压力与大气压力,指压力表所处环境,环境压力Environmental pressure,大气压力Atmospheric pressure,大气压随时间、地点变化,物理大气压 1atm=760mmHg,当h变化不大，常数,1mmHg=gh=133.322Pa,当h变化大，(h),见习题14,Other Pressure M
7、easurement Devices,高精度测量：活塞压力计 piston manometer,工业或一般科研测量：压力传感器 Pressure transducers Piezoelectric effect,1-3 基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v（容易测量）,2、温度 T(Temperature),Basic state properties,温度T 的一般定义,传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量,微观：衡量分子平均动能的量度 T 0.5 m w 2,1)同T,0.5mw 2 不同，如碳固体和碳蒸气,2)0.5mw 2总0,T 0,1951年核磁共振法对 氟化锂晶体的实验
8、发现负的开尔文温度,3)T=0 0.5mw 2=0 分子一切运动停止，零点能,温度的热力学定义,热力学第零定律（R.W.Fowler in 1931）如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。,温度测量的理论基础B 温度计,The Zeroth Law of Thermodynamics,如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。,If two bodies are in thermal equilibrium with a third body,they are also in thermal equilibrium with each
9、 other.,为什么叫做热力学第零定律,热力学第零定律 1931年 T热力学第一定律 18401850年 E热力学第二定律 18541855年 S热力学第三定律 1906年 S基准,温度的热力学定义,处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量 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,Temperature measurement,温度计,物质（水银，铂电阻）,特性（体积膨胀，阻值）,基准点,刻度 Scale,温标 Temperature scale,Reference state,温标Temperature scale,热力学温
10、标（绝对温标）Kelvin scale（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）,摄氏温标Celsius scale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）,华氏温标Fahrenheit scale(German,G.Fahrenheit,1686-1736),朗肯温标Rankine scale(W.Rankine,1820-1872),常用温标之间的关系,绝对K,摄氏,华氏F,朗肯R,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,671.67,37.8,100,0,32,-459.67,0,459.
11、67,491.67,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,559.67,温标的换算,Temperature Measurement Devices,日常：水银温度计，酒精温度计，thermometer工业：热电偶 Thermocouple 热电阻 Resistance temperature detector 辐射温度计Radiation thermometer计量：铂电阻温度计 Platinum,1-3 基本状态参数,压力 p、温度 T、比容 v（容易测量）,3、比容 v(specific volume),Basic state properties,m3/kg,工质聚集的疏密程度,物理
12、上常用密度density,kg/m3,1-4 平衡状态Equilibrium state,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。,A system in equilibrium experiences no changes when it is isolated from it surroundings.,Many types of Equilibrium,1、热平衡Thermal equilibrium:if the temperature is the same throughout the entire,温差 Tempera
13、ture differential,热不平衡势Unbalanced potentials,Many types of Equilibrium,2、力平衡Mechanical equilibrium:if there is no change in pressure at any point of the system with time The variation of pressure as a result of gravity in most thermodynamic system is relatively small and usually disregarded,压差 Press
14、ure differential,力不平衡势Unbalanced potentials,Many types of Equilibrium,3、相平衡Phase equilibrium:when the mass of each phase reaches an equilibrium level and stays there,4、化学平衡Chemical equilibrium:if its chemical composition does not change with time.That is,no chemical reactions occur.,1-4 平衡状态Equilibr
15、ium state,温差 热不平衡势 压差 力不平衡势 相变 相不平衡势 化学反应 化学不平衡势,平衡的本质：不存在不平衡势,In an equilibrium state there are no unbalanced potentials,平衡Equilibrium与稳定Steady,稳定：参数不随时间变化,稳定但存在不平衡势差,去掉外界影响，则状态变化,若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,平衡Equilibrium与均匀Even,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,为什么引入平衡概念？,如果系统平衡，可用一组确切的参数
16、（压力、温度）描述,但平衡状态是死态，没有能量交换,能量交换,状态变化,破坏平衡,如何描述,1-5 状态方程、坐标图,平衡状态可用一组状态参数描述其状态,状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数 N=n+1,想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？,状态公理State postulate,闭口系：,而不平衡势差彼此独立,独立参数数目N=不平衡势差数=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,简单可压缩系统的独立变量数,简单可压缩系统：N=n+1=,绝热简单可压缩系统 N=?,2,只交换热量和一种准静态的容积变化功,The state
17、of a simple compressible system is completely specified by two independent properties,状态方程Equation of state,简单可压缩系统：N=2,状态方程 基本状态参数（p,v,T)之间 的关系,状态方程的具体形式,理想气体的状态方程,实际工质的状态方程？,取决于工质的性质,The Ideal-Gas Equation of State,座标图diagram,简单可压缩系统 N=2，平面坐标图,p,v,1）系统任何平衡态可 表示在坐标图上,2）过程线中任意一点 为平衡态,3）不平衡态无法在图 上用实线
18、表示,常见p-v图和T-s图,2,1,1-6 准静态过程、可逆过程,平衡状态,状态不变化,能量不能转换,非平衡状态,无法简单描述,热力学引入准静态（准平衡）过程,quasi-static,or quasi-equilibrium,一般过程 Process,p1=p0+重物,p，T,p0,T1=T0,突然去掉重物,最终,p2=p0,T2=T0,p,v,1,2,.,.,准静态过程Quasi-static process,p1=p0+重物,p，T,p0,T1=T0,假如重物有无限多层,每次只去掉无限薄一层,p,v,1,2,.,.,.,系统随时接近于平衡态,准静态过程有实际意义吗？,既是平衡，又是变化
19、,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,Relaxation time,准静态过程的工程应用,例：活塞式内燃机 2000转/分 曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程,活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s,压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s,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）,一般的工程过程都可认为是准静态过程,具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”,准静态过程的容积变化功,p,
20、p外,f,初始：pA=p外A+f,A,如果 p外微小,可视为准静态过程,dl,以汽缸中mkg工质为系统,mkg工质发生容积变化对外界作的功,W=pA dl=pdV,1kg工质,w=pdv,dl 很小，近似认为 p 不变,Moving Boundary Work,准静态过程的容积变化功,p,p外,2,mkg工质：,W=pdV,1kg工质：,w=pdv,1,上式仅适用于准静态过程,示功图indicator(p-V)diagram,p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,mkg工质：,W=pdV,1kg工质：,w=pdv,W,准静态容积变化功的说明,p,V,.,1,2,.,2）p-V 图上用面积表
21、示,3）功的大小与路径有关，过程量Path function,4）统一规定：dV0，膨胀 对外作功（正）dV0，压缩 外内作功（负）,5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）,6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数,7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别,摩擦损失Friction Loss的影响,若有f 存在，就存在损失,p,p外,2,1,系统对外作功W，外界得到的功W W,若外界将得到的功W 再返还给系统，系统得到的功WW,则外界、活塞、系统不能同时恢复原态。,摩擦损失Friction Loss的影响,若 f 0,p,p外,2,1,系统对外作功W，外界得到的功W W,若外界将得到的功
22、W 再返还给系统,则外界、活塞、系统同时恢复原态。,可逆reversible过程的定义,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。,A process that can reversed without leaving any trace on the surroundings.That is,both the system and the surroundings are returned to their initial states at the end of the reverse process.,可逆过程只是指可能性，并不是指必
23、须要回到初态的过程。,可逆过程的实现,准静态过程+无耗散效应=可逆过程,无不平衡势差,通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）,不平衡势差不可逆根源 耗散效应,耗散效应,irreversibility,Dissipative effect,Heat transfer,常见的不可逆过程,不等温传热,T1,T2,T1T2,Q,节流过程(阀门）,p1,p2,p1p2,Frequently encountered irreversibilities,Throttler,常见的不可逆过程,混合过程,自由膨胀,真空,Frequently encountered irreversibilit
24、ies,Unrestrained expansion,Mixing process,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。,完全可逆、内可逆与外可逆,完全可逆可逆 内部可逆，外部不可逆,常见,90,0,例：,内可逆外不可逆,Totally reversible,Internally reversible,外部可逆，内部不可逆,Ex
25、ternally reversible,1-7 功 量 Work,1、力学定义:力 在力方向上的位移,2、热力学定义I,热力学定义II,功的力学定义Definition of Work of Mechanics,The product of a force and the distance through which this force acts,力 在力方向上的位移,But,功的热力学定义I,当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。,Work is done by a system if the sole effect on the sur
26、roundings could be the raising of a weight.,功的热力学定义II,Work is an energy interaction between a system and its surroundings,if the energy crossing the boundary of a closed system is not heat,it must be work.,功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。,功的表达式,功的一般表达式,热力学最常见的功 容积变化功,其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等,1-8 热
27、量与熵Heat and Entropy,Heat is defined as the form of energy that is transferred between two systems(or its surroundings)by virtue of a temperature difference.,热量定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。,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,公式,条件 准静态或可逆 可逆,熵（Entropy）的定
28、义,reversible,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”,广延量 kJ/K,熵的说明,1、熵是状态参数,3、熵的物理意义：熵体现了可逆过程 传热的大小与方向,2、符号规定,系统吸热时为正 Q 0 dS 0系统放热时为负 Q 0 dS 0,4、用途：判断热量方向 计算可逆过程的传热量,示功图与示热图,p,V,W,T,S,Q,示功图,温熵(示热)图,1-9 热力循环Cycle,要实现连续作功，必须构成循环,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热力循环。,A system is said to have u
29、ndergone a cycle if it returns to its initial state at the end of the process,循环和过程Cycle and process,循环由过程构成,不可逆循环,可逆,过程,不可逆,循环,可逆循环,正循环,p,V,T,S,净效应：对外作功,净效应：吸热,顺时针方向,2,1,1,2,逆循环,p,V,T,S,净效应：对内作功,净效应：放热,逆时针方向,2,1,1,2,热力循环的评价指标,正循环：净效应（对外作功，吸热）,W,T1,Q1,Q2,T2,动力循环：热效率,热力循环的评价指标,逆循环：净效应（对内作功，放热）,W,T0,Q
30、1,Q2,T2,制冷循环：制冷系数,制热循环：制热系数,第一章 小 结 Summary,基本概念：热力系 平衡态 准静态、可逆 过程量、状态量、状态参数 功量、热量、熵 p-V图、T-S图 循环、评价指标,第一章 讨论课 Discussion,热力系,种类：,闭口系、开口系、绝热系、孤立系,热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。,一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。,例1：绝热刚性容器向气缸充气,试分别选取闭口系和开口系，画出充气前后边界，标明功和热的方向。,(1)以容器内原有气体为系统,闭口系,功量：,气体对活塞作功W,W,Q,热量：,气体通过活塞从外界吸热Q,(
31、2)以容器内残留的气体为系统,闭口系,功量：,残留气体对放逸气体作功W,W,Q,热量：,残留气体从放逸气体吸热Q,(3)以放逸气体为系统,闭口系,功量：,W+W,热量：,Q+Q,W,Q,W,Q,(4)以容器为系统,开口系,功量：,W,热量：,Q,W,Q,(5)以气缸活塞为系统,开口系,功量：,W+W,热量：,Q+Q,W,Q,W,Q,思考题7,有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？,不对。关键看是否引起外界变化。,可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到初态。,可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。,可逆过程与准静态过程的区别和联系,可逆过程一定是准静态过程准静态过程不一
32、定是可逆过程,可逆过程准静态过程无耗散,可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。,判断是否准静态与可逆（1）,以冰水混合物为热力系,90,0,缓慢加热,外部温差传热,准静态过程,系统内部等温传热，无耗散,内可逆,外不可逆,判断是否准静态与可逆（2）,蒸汽流经减压阀进入汽轮机,典型的不可逆过程，因有漩涡，产生耗散,是不是准静态，取决于开度,判断是否准静态与可逆（3）,带活塞的气缸中，水被缓慢加热,缓慢加热，每一时刻水有确定的温度,准静态加热,火与水有温差,外不可逆,以水为系统,内可逆,以水活塞为系统,活塞与壁面无摩擦,内可逆,活塞与壁面有摩擦,内不可逆,判断是否准静态与可逆（
33、4）,电或重物,电或重物带动搅拌器加热容器中气体,电功,热,机械功,热,耗散,是否准静态，看加热快慢,但不可逆,有用功 useful work,气缸中气体膨胀对外作功，准静态过程,气体对外作功,若不考虑摩擦，外界得到功,但外界得到的有用功,pb,p,可逆过程与准静态过程的功,加热A腔中气体，B被压缩，B中理想气体,B,A,1）以B中气体为系统,绝热，无摩擦,缓慢压缩,准静态,无摩擦,可逆,B中气体（理想气体，可逆，绝热）,B得到的功,遵循,可逆过程与准静态过程的功,加热A腔中气体，B被压缩，B中理想气体,B,A,2）以A中气体为系统,绝热，无摩擦,缓慢加热,准静态,无摩擦,内可逆,3）以A腔为系统,4）以AB腔为系统,电功耗散为热,不可逆,电功耗散为热,不可逆,自由膨胀过程,刚性，绝热,真空,A,B,B中没有气体，不能取做系统,以A中原有气体为系统,A中气体非准静态,A中气体没有作功,没有作功对象,后进去的对先进去的气体作功了吗？,气体混合过程,刚性，绝热，pApB,A,B,非准静态过程，非可逆过程,取A或B中气体为系统,可逆热力学没法计算,相互有功的作用,取AB气体为系统，无功,灵活处理功的计算,充气球,若准静态过程,若取进入气球的气体为系统,但pV的关系不知？,若看外部效果，pb不变,外界得到功pbV=气体作功,第一章 完End of Chapter one,
