高等热力学第1章基本概念

气体C
ptr
理想气体温标
将气体温度计的盛气小泡浸没在大 气压下的饱和水与饱和蒸汽的混合物 中，当温度改变时通过改变水银柱内 水银量 ( 增加或减少 ) ，控制盛气小泡 的气体体积保持不变，记录下该固定 点温度ts与此时的压力ps； 再把盛气小泡浸没在大气压下冰水 混合物中，保持气体容积不变，记录 下该固定点温度ti和小泡内压力pi； 然后再用温度计测量某一目标的温 度，将温度计盛气小泡与目标接触， 记录下温度t与小泡内的压力p。
Q2 (t 2 , t 3 ) Q3
Q1 (t1 , t 3 ) Q3
Q1 Q1 Q2 Q3 Q2 Q3
因此有：
(t1 , t 3 ) (t1 , t 2 ) (t 2 , t 3 )
f (t 2 ) f (t 3 )
f (t1 ) (t1 , t 2 ) f (t 2 )
摄氏温标：将标准大气压下水的冰点和沸点之间 的温度等分为100份，并以冰点作为零点。
华氏温标：水的冰点与沸点分别定义为 32 ℉ 和 212℉。 ts ti
t
t 100 80 60 A 40 20 0 测温参数x C A-任意的 B-线性的 C-抛物线的
B
x xi t ( x)(C) 100 xs xi
关于热力系统



重点掌握开口系、闭口系、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。 系统与外界的作用都通过边界，看是否有 质量交换、热量传递、功的传递及其他形 式能量传递。
简单可压缩系统

工程热力学中最常见、最重要的热力系统 • 因为热能动力装置常用工质都是可压缩 流体（水蒸气、空气、燃气等） • 系统与外界只交换热量和一种准静态的 体积变化功（膨胀功和压缩功） • 体积变化功只与工质的压力和体积的变 化量有关 • 工程热力学中讨论的大部分系统都是简 单可压缩系统
p T Ttr p tr
p T ( p) 273 .16 lim (K ) p 0 ptr
tr
理想气体温标
气体的维里方程为：
T
2 3 PV RT (1 B p C p D p
)
气体A
气体B
如左图所示，所有气体 压力当p→0时，其PV性质 都趋于一相同的特性。 特别是定容式温度计内 装的气体量趋于零时，所 有气体的温度指示趋于同 一数值，这说明理想气体 定容式温度计与气体性质 无关。
理想气体温标
国际温标规定，以水的三相点作为绝对温标的基准温度点。 用单固定点作为温标基准的同时，必须要给出温标的单位才 能最终确定温标具体数值。水的三相点的温度Ttr=273.16，水 的三相点 (固、液、汽三相共存 ) 的压力为 ptr，则定容式气体 温度计的读数用下式表示：
T p Ttr ptr p p T Ttr 273.16 ptr ptr
c0 2 M R Tt 0
R kB NA
c0 M kB Tt 0 N A
2
国际温标及其发展
理想气体温度计的主要缺点：
温度特别低的情况下，气体会冷凝，偏离理想气体的 性质； 在高温下发生离解； 容积随温度的升降会张缩，不易准确测定； 不适于实验室或工业过程中的实际温度测量。
温度的测量
温度计的工作原理：当一个物体的温度改变时， 物体的其它性质也随之改变，可根据这些性质中 的某些参数测量物体的温度，指明温度的数值。
温度计的分类： 气体温度计、膨胀式温度计、电 阻温度计、热电偶和光学温度计等。
温度计分类
温度计
气体温度计
膨胀式温度计
测温参数
压力或体积
体积
测温范围/℃
-270-1100
-200~750(液) -30~600(固)
接触式测温
电阻温度计 热电偶 光学温度计
电阻 热电动势 辐射强度
-200~800
-200~1300 -50-2000
非接触式测温
一等标准铂电阻温度计其精度可达0.001℃ 电厂过热器气温等一般采用热电偶测温
温标
温标：为量度物体温度而赋予温度的数值。
外推ptr→0时不同气体对目标物体温度的测量的一致性，并 获得温度测量值。下式定义理想气体温标(开氏)：
T ( p ) 273.16 lim
ptr 0
p (V 为常数) ptr
温标
热力学温标、摄氏温标、兰氏温标、和华氏温标的关系
热力学温度
1854 年 ， 开 尔 文 提 议 将 水 三 相 点 (triple point) 的 温 度 ， Ttr=273.16K，作为热力学温度的基准，于 1954年被第十届国 际计量大会采纳。同时用K表示理想气体绝对温标的单位。 受水中氢氧同位素的影响，不同三相点瓶结果差异达50 μK。 目前国际上通过波尔兹曼常数kB来确定热力学温度。
国际温标及其发展 ITS-90温标
3He和4He
e-H2 e-H2(或He) e-H2(或He) Ne O2 Ar Hg H2O Ga In Sn Zn Al Ag Au Cu
VP TP VP(或CVGT) VP(或CVGT) TP TP TP TP TP MP FP FP FP FP FP FP FP
因此：
t ti
ts ti p 1 ps / pi 1 pi
重复上面的温度测量过程，不同的是需从盛气小泡中取出 一部分气体，使小泡内的压力进一步降低，更加接近理想气 体的性质，分别得出更低压力下的p、t、ti、 pi、 ts、ps。
理想气体温标
t、ti、ts不变，ps /pi和p/pi同步变化，t=f(p/pi)。 随着小泡内的气体不断被取走当p→0时，pi→0与ps→0。 根据前述理想气体一致性特性，此时虽然pi→0与ps→0，但 冰点和沸点的温度对所有气体都趋于ti与ts ，而任意测量的温 度特性对应的温度应该有 p→0、 t→tc的特性，并且不论使用 任何气体，在p→0、 pi →0、ps →0都有t→tc ，这就是A、B、 C三种气体当小泡内测量压力 p→0时趋于一致性的结果，即 理想气体温度计与气体性质无关。 存在一个普遍情况，经多次改变定容式气体温度计内的气 体量，使得冰点和沸点时气体温度计的读数pi与ps不断减小， 达到pi→0与ps →0的目的。结果发现即使pi →0与ps →0时，其 比值ps / pi总是为一固定数值不变： ps / pi =1.3661
温度
温度是表征物体冷热程度的物理量。 微观意义：是物质微观热运动的宏观体现，与分 子平均动能成正比
3kBT mv
2
式中：T是热力学温度，K； kB=1.38054×10-23 J/K，波尔兹曼常 数； v为分子移动的均方根速度。
事实上确定分子的平均速度是非常困难的； 温度还需一个更严谨的定义，这就有赖于热力 学第零定律。
由此可以断定：
(t 2 , t 3 )
三个恒温热源间的卡诺循环
QL f (t L ) QH f (t H )
QL TL QH TH
直接用函数f(t)=T作为温标
理想气体温标
气体压力p→0时，气体呈现出理想气体特性，利 用理想气体定压下体积随温度变化的特性或定容 下压力随温度变化的特性，作为度量温度变化的 标准，这种温标称为理想气体温标。 理想气体温标是一种经验温标； 气体温度计有定容式和定压式，定容式温度计的 测量原理：
需要有一种简单、容易再现，便于使用的二级标 准温度计 。
国际温标及其发展
国际计量委员会于1968年开始采用国际实用温标（IPTS68），以取代早期的温度标度。
1990年开始使用1990年国际温标，以取代1968年国际实用 温标（IPTS-68）。
1990年国际温标明确规定了：（1）容易复现的固定点的 气体温标温度和用以检定仪器的二级参考温度；（2）二 级温度标准的仪器仪表的度数用于根据固定点进行内插的 公式。为了完整起见，这是列出了规定的热力学温标固定 温度点。（ITS-90）将适用于温度测量和内插的方法概括 为四个分区。
国际温标及其发展 ITS-90温标
从0.65到5.0K根据 3He和 4He的蒸气压测量，后者又进一步 分为两段。每一段用 12 项多项式 (polynomial) 表示蒸气压与 温度的关系。 从 3.0 到 24.5561K 用氦气定容气体温度计测量，该温度计 3 到 5K 用氦气的蒸气压测定一个温度点、一个氢气的三相点 温度和一个氖气的三相点温度，共三个固定点标定。 从 13.8033 到 1234.93 Ｋ按照技术规范用在表中的固定点标 定的标准铂电阻温度计测量，并在四个子分区内用状态方程 作进一步校正，也可更加细分这些分区。 高于 1234.93K 通过测量可见光谱的辐射强度，与 Ag ， Au 或 Cu 凝固点同波长辐射强度比较，并且根据普朗克黑体辐 射方程确定的温度值。
B
毛细管
L
盛气小泡 A
水银柱
定容式气体温计示意图
理想气体温标 理想气体温标
根据理想气体温度计的原理，在1标准大气压下经过冰点(角 标i)和沸点(角标s)标定后，其压力和温度关系如下：
t ti p pi ts ti ps pi
p / pi 1 t ti ts ti p s / p i 1
第一章 基础概念
什么是工质？

定义：实现能量转化的媒介物质
制冷工程中又称为制冷剂 对工质的要求:
1）膨胀性 3）热容量 5）对环境友善 2）流动性 4）稳定性，安全性 6）价廉，易大量获取

物质三态中气态最适宜作为工质
什么是热力系统？



被人为地分割出来，作为热力学研究对象 的有限物质系统 外界：系统以外的所有物质 边界(界面)：系统与外界的分界面