第三讲：热力学基本概念2-平衡态、准静态、几种热力过程
热力学基础
绝 热 壁
Q T 恒温热源
Q 1 dQ
2
积分与过程有关
功与热量的异同
热量是过程量
(1)都是过程量：与过程有关； (2)等效性：都会使系统能量发生变化， (3)功与热量的物理本质不同 .
二、热力学第一定律
某一过程，系统从外界吸热 Q，对外界做 功A，系统内能从初始态 E1变为 E2，
Q E2 E1 A
P
1(P1 ,V1 ,T1)
绝 热 等温
dP P )T 等温曲线的斜率：( dV V dP P 绝热曲线的斜率： ( )Q dV V ＞1
2(P2 ,V2 ,T2)
O
V1
V
物理原因：
这表明：从同一状态出发，膨胀同一体积， 绝热过程比等温过程的压强下降得更多一些。 P 绝热曲线
Cm dT
定容摩尔热容CV,m 1mol气体，保持体积不变，吸(或放)热dQV，温度升 高(或降低)dT，则定容(定体)摩尔热容为 dQV CV , m M dT 1 M i i 热一： dQV 2 RdT pdV RdT 2 i CV , m R 2
CV , m
S
说明
O (1) 准静态过程是一个理想过程； (2) 除一些进行得极快的过程（如爆炸过程）外，大多数情 况下都可以把实际过程看成是准静态过程； (3) 准静态过程在状态图上可用一条曲线表示, 如图.
V
内能: 物体分子无规则运动的总和
M i RT 理想气体的内能 E 2
理想气体的内能是温度的单值函数。 内能是状态函数(state-dependent quantity)
2. 热力学平衡状态 （equilibrium state of thermodynamics)
§1.0-§1.3 热力学基本概念-热与功
表1.2 一些物质的临界参量
物 He H2 N2 O2 H2O CH4 C2 H 4 C6H6 C2H5 OH 质 Tc/K 5.26 33.3 126.2 154.4 647.4 190.7 283.1 562.6 516.3 pc/MPa 0.229 1.30 3.39 5.04 22.12 4.64 5.12 4.92 6.38 Vm,c/10-6m3·mol-1 58 65 90 74 56 99 124 260 167
相变化过程与饱和蒸气压 相变化过程：一定条件下聚集态的变化过程。
气体 (T,p) 汽化 液体 液化 凝固 熔化 (T,p) 固体(α) (T,p) 升华 凝华 晶型转化 (T,p) 固体(β)
饱和蒸气压：
在一定温度下，当液（或 固）体与其蒸汽达成液（或 固）汽两相平衡时，汽相的压 力称为该液（或固）体在该温 度下的饱和蒸气压。
焦耳实验
或: 整个系统(双球） dV＝0
气体 真空 图1-1气体向真空膨胀 （自由膨胀）
(3) 对抗恒定外压过程
p1,V1 Psu p2,V2 Psu
T1
T1
膨胀过程的功：
W = − ∫V psu dV
V2
1
= −psu(V2 −V) 1
压缩过程的功：
p2,V2 Psu
T1p1,V1Psu NhomakorabeaT1
W = − ∫V psu dV
第一节 热力学基本概念
0.系统和环境
系统: 热力学研究的对象(微粒组成的宏观集合体)。 环境: 与系统通过物理界面(或假想的界面)相 隔开并与系统密切相关的周围部分。
第三讲：热力学基本概念2-平衡态、准静态、几种热力过程
状态公理：对组元一定的闭口系， 独立状态参数个数 N=n+1
工程热力学
状态公理 State postulate l
闭口系： 不平衡势差 状态变化 能量传递 消除一种 达到某一 消除一种能量 不平衡势差 方面平衡 传递方式 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
p
工程热力学
p外 dl
W = pA dl =pdV 1kg工质 w =pdv
准静态过程的容积变化功
mkg工质：W =pdV 1kg工质：w =pdv
W pdV
1
2
w pdv
1
2
p 1 工程热力学 2
p外
注意： 上式仅适用于 准静态过程
示功图indicator (p-V) diagram g
工程热力学
准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间 （外部作用时间） 外部作用时间
>>
恢复平衡所需时间 （驰豫时间） 驰豫时间
Relaxation time
有足够时间恢复新平衡 准静态过程
工程热力学
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） 外部作
p v R gT
pV mRgT
pV nRT
T K
摩尔质量
2 3 p Pa N/m v m /kg
热力学中的热力学过程与热平衡
热力学中的热力学过程与热平衡热力学是研究物质能量转换和能量传递规律的科学，其中热力学过程和热平衡是重要的概念。
本文将详细介绍热力学中的热力学过程和热平衡的概念及其特性。
一、热力学过程的定义和特征热力学过程是指物质系统中的能量和物质间的能量传递过程，常涉及气体的膨胀、压缩、加热和冷却等过程。
热力学过程可以分为四类：等温过程、绝热过程、等容过程和等压过程。
1. 等温过程：在等温过程中，系统的温度保持不变。
当系统吸收热量时，体积增大；当系统释放热量时，体积减小。
等温过程符合理想气体的状态方程：PV=常数。
2. 绝热过程：在绝热过程中，系统与外界没有热量的交换。
绝热过程中，系统的内能保持不变。
对于理想气体，绝热过程的状态方程为：PV^γ=常数，其中γ为绝热指数。
3. 等容过程：在等容过程中，系统的体积保持不变。
等容过程下，系统对外界做功为零，因为功的计算公式为：W = PΔV，而ΔV=0。
4. 等压过程：在等压过程中，系统的压强保持不变。
等压过程下，系统对外界所做的功为W = PΔV，因为压强不变，故等压过程下做的功与体积变化有关。
二、热平衡的定义和特性热平衡是指处于相互热接触的物体之间不存在热量传递的状态。
在热平衡状态下，物体间的温度保持恒定，并且没有净热流的发生。
1. 热平衡的第一法则：如果两个物体处于热平衡状态，它们的温度必须相等。
这是热平衡的基本特性。
2. 热平衡的第二法则：热量只能从温度较高的物体传递到温度较低的物体，而不能反过来。
这是热平衡的另一个重要特性。
三、热力学过程与热平衡的关系热力学过程和热平衡之间存在密切的联系。
在自然界中，热力学过程常常通过热平衡来实现。
热力学过程是物体内部和外部能量的转化过程，而热平衡则是保持系统内部各部分之间能量平衡的状态。
例如，等温过程中，系统与外界之间通过吸热和放热来保持温度的恒定，从而实现热平衡。
在等容过程中，由于体积不变，系统对外界做功为零，故也可以达到热平衡。
工程热力学基本概念
工质：实现热能和机械能之间转换的媒介物质。
系统：热设备中分离出来作为热力学研究对象的物体。
状态参数:描述系统宏观特性的物理量。
热力学平衡态：在无外界影响的条件下，如果系统的状态不随时间发生变化,则系统所处的状态称为热力学平衡态。
压力：系统表面单位面积上的垂直作用力.温度：反映物体冷热程度的物理量。
温标:温度的数值表示法。
状态公理:对于一定组元的闭口系统，当其处于平衡状态时，可以用与该系统有关的准静态功形式的数量n加上一个象征传热方式的独立状态参数，即(n+1)个独立状态参数来确定.热力过程：系统从初始平衡态到终了平衡态所经历的全部状态。
准静态过程：如过程进行的足够缓慢，则封闭系统经历的每一中间状态足够接近平衡态，这样的过程称为准静态过程。
可逆过程：系统经历一个过程后如果系统和外界都能恢复到各自的初态，这样的过程称为可逆过程。
无任何不可逆因素的准静态过程是可逆过程.循环：工质从初态出发，经过一系列过程有回到初态，这种闭合的过程称为循环.可逆循环:全由可逆过程粘组成的循环。
不可逆循环：含有不可逆过程的循环.第二章热力学能：物质分子运动具有的平均动能和分子间相互作用而具有的分子势能称为物质的热力学能.体积功：工质体积改变所做的功。
热量：除功以外，通过系统边界和外界之间传递的能量。
焓：引进或排出工质输入或输出系统的总能量。
技术功：工程技术上将可以直接利用的动能差、位能差和轴功三项之和称为技术功。
功：物质间通过宏观运动发生相互作用传递的能量。
轴功：外界通过旋转轴对流动工质所做的功。
流动功：外界对流入系统工质所做的功。
热力学第二定律：克劳修斯说法：不可能使热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化.开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全转化为有用功而不引起其他变化.卡诺循环:两热源间的可逆循环，由定温吸热、绝热膨胀、定温放热、绝热压缩四个可逆过程组成。
卡诺定理：在温度为T1的高温热源和温度为T2的低温热源之间工作的一切可逆热机，其热效率相等，与工质的性质无关；在温度为T1的高温热源和温度为T2的低温热源之间工作的热机循环,以卡诺循环的热效率为最高.熵：沿可逆过程的克劳修斯积分,与路径无关,由初、终状态决定。
简述常见的热力学过程
简述常见的热力学过程
常见的热力学过程有等温过程、等容过程、等压过程和绝热过程。
这些过程在热力学中具有重要的作用，可以帮助我们理解物质在不同条件下的性质和行为。
等温过程是指系统与外界保持恒定温度的过程。
在等温过程中，系统的内能保持不变，热量的增加会引起系统的体积增大。
这个过程常常用于描述气体在恒温条件下的行为，例如气缸中的气体经过加热而体积膨胀的情况。
等容过程是指系统在体积不变的条件下进行的过程。
在等容过程中，系统的体积保持不变，热量的增加会导致系统的压强增加。
这个过程常常用于描述固体或液体在容器中受热的情况，例如在密闭容器中受热的水。
等压过程是指系统在压强不变的条件下进行的过程。
在等压过程中，系统的压强保持不变，热量的增加会导致系统的体积增大。
这个过程常常用于描述气体在恒压条件下的行为，例如大气中的气体受热膨胀的情况。
绝热过程是指系统与外界没有热量交换的过程。
在绝热过程中，系统的内能保持不变，热量的增加会导致系统的温度升高。
这个过程常常用于描述在绝热条件下的理想气体行为，例如在绝热容器中气体的压力和体积的变化。
通过对这些常见的热力学过程的理解，我们可以更好地理解物质在不同条件下的行为规律，为工程设计和科学研究提供重要的参考。
热力学过程的研究也有助于我们更好地利用能量资源，提高能源利用效率，实现可持续发展的目标。
希望通过对热力学过程的学习和研究，我们能够更好地认识和利用能量，为人类社会的发展做出贡献。
热力学与热平衡
热力学与热平衡热力学是研究物体热现象与能量转化规律的科学，它与自然界中的热平衡密切相关。
热平衡是指当物体间无能量交换或能量交换达到平衡时，物体间的温度保持恒定的状态。
本文将从热力学的概念、热力学定律以及热平衡的含义和应用等方面进行论述。
一、热力学概述热力学是研究热现象与能量转化规律的一门学科，它研究物质的热力现象、热力平衡以及能量转化等规律。
热力学是一门极其重要的学科，对于了解自然界中的能量变换和守恒至关重要。
二、热力学定律热力学定律是热力学研究中的基础定律，它们对于分析热平衡状态以及能量转化具有重要的指导意义。
热力学定律主要包括以下几条：1. 热力学第一定律：能量守恒定律热力学第一定律表明能量在物体间的转换是按照一定的规律进行的。
能量可以从一个物体转移到另一个物体，但总能量守恒。
这个定律在能量转移与热平衡中起着重要的作用。
2. 热力学第二定律：熵增定律热力学第二定律是热力学中一个重要的定律，也称为熵增定律。
它说明自然界中的某些现象是不可逆的，系统的熵会不断增加。
熵是系统无序程度的度量，热力学第二定律对于研究能量转化的方向和过程具有重要的指导作用。
三、热平衡的含义和应用热平衡是指物体间无能量交换或能量交换达到平衡时，物体间的温度保持恒定的状态。
热平衡是热力学的重要概念，它在科学研究和实际应用中有着广泛的应用。
热平衡的含义：在一个封闭系统中，当物体间无能量交换或能量交换达到平衡时，物体间的温度保持恒定，称为热平衡。
在热平衡状态下，物体内部的能量转换和交换均达到平衡状态。
热平衡的应用：1. 热力学实验设计在进行热力学实验时，热平衡是一个重要的考虑因素。
为了确保实验的准确性和可重复性，需要将系统中各个物体达到热平衡状态，以消除外界干扰和温度梯度对实验结果的影响。
2. 工业生产与能源利用在工业生产和能源利用过程中，热平衡的控制对于提高能量利用效率和降低能量损失具有重要意义。
通过优化热平衡状态，可以减少系统的能量损耗，提高生产效率。
大学物理第三章热力学第一定律第四章热力学第二定律
B C AD
氮气 氦气
35
B C AD
氮气 氦气
解： 取（A+B）两部分的气体为研究系统， 在外界压缩A部分气体、作功为A的过程 中，系统与外界交换的热量 Q 0
Q E ( A) 0
36
B
氮气
C
AD
氦气
系统内能的变化为
E E A E B
5 E B RTB 2
内能：态函数,系统每个状态都对应着一定内能的数值。 功、热量：只有在状态变化过程中才有意义，状态不 变，无功、热可言。
9
五、热力学第一定律
1. 数学表式 ★ 积分形式 ★ 微分形式
Q E A
dQ dE dA
10
2. 热力学第一定律的物理意义 （1）外界对系统所传递的热量 Q , 一部分用于 系统对外作功，一部分使系统内能增加。 （2）热一律是包括热现象在内的能量转换和守恒 定律。
m i E RT M2
m i i m E RT R T末 T初） （ M2 2M
i dE RdT 2
8
注意 ：
10 作功和传热对改变系统的内能效果是一样的。 （要提高一杯水的温度，可加热，也可搅拌）
20 国际单位制中，功、热、内能单位都是焦耳（J）。 （1卡 = 4.18 焦耳) 30 功和热量都是系统内能变化的量度,但功和热本身不 是内能。
绝热线
斜 率
PV C1
dP K 绝热 dV
P V
26
K 绝热 同一点 P0，V0，T0 斜率之比 （ ） K 等温
P0 K绝热 V0 P0 K等温 V0
P
a
等温
结论：绝热线比等温线陡峭
工程热力学名词解释专题
工程热力学名词解释专题注：参考哈工大的工程热力学和西交大的工程热力学第一章——基本概念1、闭口系统：热力系与外界无物质交换的系统。
2、开口系统：热力系与外界有物质交换的系统。
3、绝热系统：热力系与外界无热量交换的系统。
4、孤立系统：热力系与外界有热量交换的系统。
5、热力平衡状态：热力系在没有外界作用的情况下其宏观性质不随时间变化的状态。
6、准静态过程：如果造成系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态，这样的过程称为准静态过程7、热力循环：热力系从某一状态开始，经历一系列中间状态后，又回复到原来状态。
8、系统储存能：是指热力学能、宏观动能、和重力位能的总和。
9、热力系统：根据所研究问题的需要，把用某种表面包围的特定物质和空间作为具体指定的热力学的研究对象，称之为热力系统。
第二章——热力学第一定律1、热力学第一定律：当热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。
或者，第一类永动机是不可能制成的。
2、焓：可以理解为由于工质流动而携带的、并取决于热力状态参数的能量，即热力学能与推动功的总和。
3、技术功：技术上可资利用的功，是稳定流动系统中系统动能、位能的增量与轴功三项之和4、稳态稳流：稳定流动时指流道中任何位置上的流体的流速及其他状态参数都不随时间而变化流动。
第三章——热力学第二定律1、可逆过程：系统经过一个过程后，如果使热力系沿原过程的路线反向进行并恢复到原状态，将不会给外界留下任何影响。
2、热力学第二定律：克劳修斯表述：不可能把热从低温物体转移到高温物体而不引起其他变化。
开尔文普朗克表述：不可能从单一热源吸热而使之全部转变为功。
3、可用能与不可用能：可以转变为机械功的那部分热能称为可用能，不能转变为机械功的那部分热能称为不可用能。
4、熵流：热力系和外界交换热量而导致的熵的流动量5、熵产：由热力系内部的热产引起的熵的产生。
6、卡诺定理:工作再两个恒温热源（1T和2T）之间的循环，不管采用什么工质，如果是可逆的，其热效率均为121TT-，如果不是可逆的，其热效率恒小于121TT-。
工程热力学各章重点
第一章基本概念1.基本概念热力系统：用界面将所要研究的对象与周围环境分隔开来，这种人为分隔的研究对象，称为热力系统，简称系统。
边界：分隔系统与外界的分界面，称为边界。
外界：边界以外与系统相互作用的物体，称为外界或环境。
闭口系统：没有物质穿过边界的系统称为闭口系统，也称控制质量。
开口系统：有物质流穿过边界的系统称为开口系统，又称控制体积，简称控制体，其界面称为控制界面。
绝热系统：系统与外界之间没有热量传递，称为绝热系统。
孤立系统：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换，称为孤立系统。
单相系：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相系。
复相系：由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的三相系统。
单元系：由一种化学成分组成的系统称为单元系。
多元系：由两种以上不同化学成分组成的系统称为多元系。
均匀系：成分和相在整个系统空间呈均匀分布的为均匀系。
非均匀系：成分和相在整个系统空间呈非均匀分布，称非均匀系。
热力状态：系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况，称为工质的热力状态，简称为状态。
平衡状态：系统在不受外界影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，系统内外同时建立了热的和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。
状态参数：描述工质状态特性的各种物理量称为工质的状态参数。
如温度（T）、压力（P）、比容（υ）或密度（ρ）、内能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能（f）、自由焓（g）等。
基本状态参数：在工质的状态参数中，其中温度、压力、比容或密度可以直接或间接地用仪表测量出来，称为基本状态参数。
温度：是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量，其物理实质是物质内部大量微观分子热运动的强弱程度的宏观反映。
热力学第零定律：如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡。
压力：垂直作用于器壁单位面积上的力，称为压力，也称压强。
相对压力：相对于大气环境所测得的压力。
能源科学的热力学基础
讲授:卢小平
绪论 热力学是通过研究能量传递及转化规律，从而 研究宏观过程运动变化规律的理论，它不涉及物质 的微观结构。 它是从能量转化的观点出发，依据在大量实践 中总结出来的几条基本宏观定律，运用严密的逻辑 推理而形成的一整套完整的热现象理论。
热力学基本概念
一 热力学系统与外界
( p a / v 2 )(v b) RT (1mol)
六、热力学过程
把系统的状态随时间的变化经过称为热力学过程，简称为过程。 1、准平衡过程 如果过程进行的非常缓慢，致使系统在过程进行中所经历的每一 个状态都可以看成是平衡态，这样的过程称为准平衡过程。
2、可逆过程
无耗散的准平衡过程是可逆过程 。
作为闭口系统来研究时的热力学第一定律表达式
q u w
作为开口系统来研究的稳定流动能量方程式
q h wt
可得
wt w ( p2v2 p1v1 )
对可逆过程，
wt pdv ( p2v2 p1v1 )
pdv d( pv)
1 1
2
1 2
2
vdp
U CV dT U 0
CV nR 1
C p CV nR
Cp CV
Cp
nR 1
在一定温度范围内，CV、Cp和γ可看成常数 ,故积分得
U CV T U 0
三、理想气体的多方过程
当理想气体系统经历某一个过程，设其热容量位质量工质的可逆过程 ,
q du pdv
q u pdv
1
2
开口系统的稳定流动能量方程
m1 m2 m
（1）流动功
推动工质流动所作的功，也称为推进功。
热力学统计物理各章重点总结
热力学统计物理各章重点总结3.准静态过程和非准静态过程准静态过程：进行得非常缓慢的过程，系统在过程汇总经历的每一个状态都可以看做平衡态。
非准静态过程，系统的平衡态受到破坏4.内能、焓和熵内能是状态函数。
当系统的初态A和终态B给定后，内能之差就有确定值，与系统由A到达B所经历的过程无关;表示在等压过程中系统从外界吸收的热量等于态函数焓的增加值。
这是态函数焓的重要特性克劳修斯引进态函数熵。
定义:5.热容量：等容热容量和等压热容量及比值定容热容量:定压热容量:6.循环过程和卡诺循环循环过程（简称循环）：如果一系统由某个状态出发，经过任意一系列过程，最后回到原来的状态，这样的过程称为循环过程。
系统经历一个循环后，其内能不变。
理想气体卡诺循环是以理想气体为工作物质、由两个等温过程和两个绝热过程构成的可逆循环过程。
7.可逆过程和不可逆过程不可逆过程：如果一个过程发生后,不论用任何曲折复杂的方法都不可能使它产生的后果完全消除而使一切恢复原状。
可逆过程：如果一个过程发生后，它所产生的后果可以完全消除而令一切恢复原状。
8.自由能：F和G定义态函数：自由能F，F＝U－TS定义态函数：吉布斯函数G，G=U-TS+PV，可得GA－GB3－W1定律及推论1.热力学第零定律－温标如果物体A和物体B各自与外在同一状态的物体C达到热平衡，若令A与B进行热接触，它们也将处在热平衡。
三要素：（1）选择测温质；（2）选取固定点；（3）测温质的性质与温度的关系。
（如线性关系）由此得的温标为经验温标。
2.热力学第一定律－第一类永动机、内能、焓热力学第一定律：系统在终态B和初态A的内能之差UB-UA等于在过程中外界对系统所做的功与系统从外界吸收的热量之和，热力学第一定律就是能量守恒定律.UB-UA=W+Q.能量守恒定律的表述：自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，可以从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在传递与转化中能量的数量保持不变。
热力学基础
p1V1 p2V2 恒量 T1 T2
（质量不变）
p,V , T p0 ,V0 , T0 (标准状态)
标准状态：
p0 1.01325 10 Pa
5
m V0 Vmol M
其中：
T0 273.15 K
Vmol 22.4 10 m
3
3
m 为气体的总质量。
M 为气体的摩尔质量。
H m T
式中ｍ是磁化强度，Ｈ是磁场强度，ａ是与物质有关的 常数，式又称为居里（Curie）定律．
五、与物态方程有关的三个系数
定压膨胀系数
1 V ( )p V T
表示在压强不变的条件下，温度升高1K所引起的物体体积 的相对变化．
定容压强系数
1 p ( )V p T
１准静态过程和非静态过程 ２可逆过程和不可逆过程
1 准静态过程和非静态过程
如果过程进行得非常缓慢，致使系统在过程进行
中所经历的每一个状态都可以看成是平衡态，这 样的过程称为准静态过程．反之，若过程进行中 系统平衡态被破坏的程度大到不可忽略时，这样 的过程称为非静态过程．通常准静态过程又叫平 衡过程，非静态过程又叫非平衡过程．
热力学基本概念
体系(System)与环境(Surroundings) 系统的状态(State)与状态函数(State Function) 系统的过程(Process)与途径(Path) 体系的性质(Property) 热力学平衡态(thermodynamic equilibrium state )
热力学系统的宏观状态是由一些独立的物理量 完全确定的． 可以用这些物理量的连续函数来描述系统的状 态，如简单系统的自由能F(T,V)，当系统的温 度T和体积V确定时，系统的状态就完全确定了.
工程热力学-1第一章 基本概念
例1－2 P23 可逆过程功的计算关键：找到p和v之间的关系
三、过程热量
系统与外界之间依靠温差传递的能量称为热量。 符号：Q ；单位：J 或kJ。
单位质量工质所传递的热量用q 表示，单位为 J/kg 或 kJ/kg。
热量正负的规定： 系统吸热：q > 0 系统放热：q < 0
热量和功量都是系统与外界在相互作用的过程 中所传递的能量，都是过程量而不是状态量
热量如何表达？
热量是否可以用类似于功的
？ 式子表示？
Entropy
引入“熵”
清华大学刘仙洲教授 命名为“熵”
在可逆过程中，系统与外界交换的热量与功量
的计算公式具有相的形式。
功量：
热量：
w pdv
qqTTds?
2
w 1 pdv
2
q 1 Tds
条件 准静态或可逆
可逆
s 称为比熵。比熵同比体积 v 一样是工质的状态 参数。
比熵的定义式：ds q
T
（可逆过程）
比熵的单位为J/ (kg·K) 或 kJ/ (kg·K)
对于质量为m的工质，
Q TdS
2
Q 1 TdS
S为质量为 m 的工质的熵，单位是 J/K。
示热图
2
w 1 pdv
2
q 1 Tds
在可逆过程中单位 质量工质与外界交换 的 热 量 可 以 用 T-s 图 （温熵图）上过程曲 线下的面积来表示。
消除一种 不平衡势差
达到某一 方面平衡
消除一种能量 传递方式
状态公理 对于组成一定的物质系统，该系统平衡态的
独立状态参数有 n +1
n－表示系统与外界进行准静功交换的数目
热力学系统的变化与状态过程与状态函数
热力学系统的变化与状态过程与状态函数热力学是研究物体和能量之间的相互转化关系的学科，其中涉及到热力学系统的变化、状态过程以及状态函数。
本文将就这几个方面进行详细讨论。
1. 热力学系统的变化
热力学系统是由一定量物质组成的，与外界有能量、物质和粒子交换的物质集合。
系统的变化包括内能的变化以及能量和物质的交换。
内能是系统的微观粒子间的相互作用能量，可以通过热量和功的形式进行交换。
2. 状态过程
状态过程是热力学系统从一个状态到另一个状态的过程，可以分为准静态过程和非准静态过程。
准静态过程是指系统各部分之间始终处于平衡状态，并且缓慢可逆地进行状态变化。
非准静态过程则是系统内部存在不平衡，无法逆转进行状态变化。
3. 状态函数
状态函数是描述系统状态的物理量，它的值只取决于系统所处的状态，与系统的变化路径无关。
常见的状态函数有内能、压强、温度、体积等等。
内能是系统状态的一个基本函数，它是系统微观粒子间的相互作用能量，可以通过热量和功的形式进行变化。
压强和温度是描述系统宏观性质的状态函数，可以通过物质和能量的交换来改变系统
状态。
体积是系统的另一个状态函数，它可以通过改变容器的大小来
改变系统状态。
总之，热力学系统的变化涉及到内能的变化以及能量和物质的交换，而状态过程则是系统从一个状态到另一个状态的过程。
状态函数是描
述系统状态的物理量，它的值只取决于系统所处的状态，与变化路径
无关。
研究热力学系统的变化与状态过程以及状态函数，可以帮助我
们更好地理解系统的特性和行为。
工程热力学概念整理
⼯程热⼒学概念整理⼯程热⼒学与传热学概念整理⼯程热⼒学第⼀章、基本概念1.热⼒系：根据研究问题的需要，⼈为地选取⼀定范围内的物质作为研究对象，称为热⼒系（统），建成系统。
热⼒系以外的物质称为外界；热⼒系与外界的交界⾯称为边界。
2.闭⼝系：热⼒系与外界⽆物质交换的系统。
开⼝系：热⼒系与外界有物质交换的系统。
绝热系：热⼒系与外界⽆热量交换的系统。
孤⽴系：热⼒系与外界⽆任何物质和能量交换的系统3.⼯质：⽤来实现能量像话转换的媒介称为⼯质。
4.状态：热⼒系在某⼀瞬间所呈现的物理状况成为系统的状态，状态可以分为平衡态和⾮平衡态两种。
5.平衡状态：在没有外界作⽤的情况下，系统的宏观性质不随时间变化的状态。
实现平衡态的充要条件：系统内部与外界之间的各种不平衡势差（⼒差、温差、化学势差）的消失。
6.强度参数：与系统所含⼯质的数量⽆关的状态参数。
⼴延参数：与系统所含⼯质的数量有关的状态参数。
⽐参数：单位质量的⼴延参数具有的强度参数的性质。
基本状态参数：可以⽤仪器直接测量的参数。
7.压⼒：单位⾯积上所承受的垂直作⽤⼒。
对于⽓体，实际上是⽓体分⼦运动撞击壁⾯，在单位⾯积上所呈现的平均作⽤⼒。
8.温度T：温度T是确定⼀个系统是否与其它系统处于热平衡的参数。
换⾔之，温度是热⼒平衡的唯⼀判据。
9.热⼒学温标：是建⽴在热⼒学第⼆定律的基础上⽽不完全依赖测温物质性质的温标。
它采⽤开尔⽂作为度量温度的单位，规定⽔的汽、液、固三相平衡共存的状态点（三相点）为基准点，并规定此点的温度为273.16K。
10状态参数坐标图：对于只有两个独⽴参数的坐标系，可以任选两个参数组成⼆维平⾯坐标图来描述被确定的平衡状态，这种坐标图称为状态参数坐标图。
11.热⼒过程：热⼒系从⼀个状态参数向另⼀个状态参数变化时所经历的全部状态的总和。
12.热⼒循环：⼯质由某⼀初态出发，经历⼀系列状态变化后，⼜回到原来初始的封闭热⼒循环过程称为热⼒循环，简称循环。
13.准平衡过程：由⼀系列连续的平衡状态组成的过程称为准平衡过程，也成准静态过程。
大学物理热力学基本概念
当一个科学家发现，自然界的结构有 这么多不可思议的奥妙，他会有一个触 及灵魂的震动。而这个时候的感觉，我 想是和最真诚的宗教信仰很接近的。
－－－杨振宁结构框图热力学Fra bibliotek统 内能变化的
两种量度
功 热量
等值过程
热力学
应用
第一定律 （理想气体）
热力学
绝热过程 循环过程
第二定律 （对热机效率的研究） 卡诺循环
p C T
等压 dp 0
V C T
热一律
QV E
Qp E pV
内能增量 M
E CVT
M
E CVT
等温 dT0 pVC QT A
0
绝热
dQ 0
pV C1
V1TC2
AE
p1T C3
实用文档
M
E CVT
过程
功A
等体
0
等压
pV
等温
绝热
M RT lnV2
V1
M RT ln p1
p2
M
CV T
2
2
Cp i 2 1
CV
i
泊松比
单原子分子气体 双原子刚性分子
Cp5 2R2.8 0 Jm-o 1K l1 Cp7 2R2.1 9Jm-o 1K l1
实用文档
1.67 1.40
讨论： 为什 Cp么 CV?
设系统 T1 由 T2 (T2T1)，无论何 E种 相过 同程 。
若 V cA 0Q 1E
3)相互关系：互相补充，相辅相成 热力学－ 宏观理论，基本结论来自实验事实，普遍可靠，
但不能解释其本质 解释 验证
统计物理－ 微观理论，揭示热现象本质
准静态过程、平衡态、理想气体的状态方程
7
§11.2 平衡态与准静态过程 理想气体状态方程
一. 系统和外界
• 热力学系统
热力学所研究的具体对象，简称系统。
Gas 活塞
系统是由大量分子组成，如 气缸中的气体。
• 外界 系统以外的物体
• 系统与外界可以有相互作用
例如：做功、热传递、质量交换等
• 系统的分类
(4) 热平衡定律或热力学第零定律 如果两个系统分别与处于确定状态的第三个系统达到热平 衡，则这两个系统彼此也将处于热平衡。
热力学第零定律表明，处在同一平衡态的所有热力学系 统都有一个共同的宏观性质；这个决定系统热平衡的宏 观性质的物理量定义为温度。
11
四. 准静态过程
热力学过程 系统从某状态开始经历一系列的中间状态
微观理论 （统计物理学）
热现象
微观量
微观粒子 力学规律 统计平均方法 揭露本质
缺点 二者关系
有局限、不深刻
无法自我验证
热力学验证统计物理学， 统计物理学揭示热力学本质
5
第11章 热力学基础
6
§11.1 热力学的研究对象和研究方法
热力学是研究热现象的宏观理论 —— 根据实验总结出来的热力学定律，用严密的逻 辑推理的方法，研究宏观物体的热力学性质 —— 从能量转换的观点研究物质的热学性质及其宏 观规律 —— 不涉及物质的微观结构 —— 主要理论基础是热力学的三大定律
龙方程的气体；
(2) 实际气体在压强不太高，温度不太低的条件下，可当作 理想气体处理。且温度越高、压强越低，精确度越高.
(3) 混合理想气体的状态方程为
pV m RT M
其中 p pi
i
工程热力学-基本概念-过程
例二：热量传递的准静态过程
把一温度为T 的固体与一温度为T0 的恒温热源接触
温度T固体
T0 温度热源
由于在热传导过程中， 固体温度处处不同，它 不满足热学平衡条件 ，因而经过的每一个中间 状态都不是平衡态，故该过程不是准静态过程。
问题：前面的结果能否用准静态实现？
要使实现相同的结果过程是准静态过程，应要求任一瞬时，物体中各 部分间温度差均在非常小的范围ΔT之内(ΔT <<T，其中 T 为这一瞬 时物体平均温度)。
问题：准静态过程一定是可逆的吗？ 问题：自然界的功转化为热（自发转化）的现 象（耗散现象）除了摩
擦过程外还有哪些过程？
耗散过程
机械功、电磁功自发转化为热量的过程统称为耗散过程。 除摩擦过程外，其它耗散过程的例子还有： 液体或气体流动时克服黏性力作功转化为热量； 电流克服电阻作的功转化为热量； 日光灯镇流器工作时，由于硅钢片的磁滞使电磁功转化为热量； 电介质电容器工作时发热。
方法：采用一系列温度彼此相差 ΔT 的恒温热源，这些热源的温 度从 T1 逐步增加到T0 使物体依次与一系列热源接触。
T1 T1 T T1 2T
T0 T T0
在这样的过程中，中间经历的每一个状态都可认为是平衡态， 因而整个过程可认为是准静态过程。
总结
准静态过程要求经历的每一个中间状态都是平衡态，只有系统内部各 部分之间及系统与外界之间都始终同时满足力学、热学、相、化学平 衡条件的过程才是准静态过程。 而在实际过程中的“满足”常常是有一定程度的近似的。 只要系统内部各部分(或系统与外界)间的压强差、温度差，以及同一成分在 各处的浓度之间的差异分别与系统的平均压强、平均温度、平均浓度之比很 小时，就可认为系统已分别满足力学、热学、相、化学平衡条件了。
《工程热力学》名词解释
名词解释范围1、热力系统、（闭口系统、开口系统、绝热系统、孤立系统、简单可压缩系统）2、热力学能、过程热量3、平衡状态、准静态过程、可逆过程4、理想气体5、推动功（流动净功）、膨胀功、技术功6、比热容7、热力学第一定律8、总储存能9、稳定流动10、绝热节流11、热力学第二定律12、卡诺定理13、熵增原理14、临界压力与临界压力比15、绝热滞止、滞止参数16、干度、相对湿度、含湿量1.热力系统：热力学分析中选取的，由某种界面包围的特定物质或空间作为研究对象称为热力学系统2.闭口系统：与外界无物质交换，但可以有功和热交换的系统3.开口体统：与外界既有物质交换，又有能量交换的系统4..孤立系统：系统与外界既无能量交换又无物质交换5..绝热系统：系统与外界无热量交换6.高温热源：在工程热力学中，把热容量很大并且再放出有限热量时自身温度及其他热力学参数没有明显改变的物体称为高温热源7.低温热源：在工程热力学中，把热容量很大且在吸收有限热量时自身温度及其它热力学参数没有明显改变的物体称为低温热源。
8.温度：温度是用来标志物体冷热程度的物理量。
在气体分子中，气体的温度是组成气体的大量分子平均移动动能的度量9.表压力：当绝对压力高于大气压力时，压力表指示的数值称为表压力10.真空度：当工质的绝对压力低于大气压力时，测压仪表指示的数值称为真空度11.平衡状态：在没有外界作用的情况下，工质的宏观性不随时间的变化而变化的状态称为平衡状态12.准平衡过程：为了便于对实际过程进行分析和研究，假设过程中系统所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态，这种过程称为准平衡过程，又称为准静态过程13.可逆过程：如果系统完成了某一过程之后，再沿着原路逆行而回复到原来的状态，外界也随之回复到原来的状态，而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程14.体积功：工质在体积变化时所作的功称为体积功，它是热力学的一种基本功量15.技术功：开口系统与外界所交换的能量总量16.流动功：工质在流过热工设备时，必须受外力推动，这种推动工质流动而作的功称为流动功，也称为推进功。
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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， 非弹性变性， 磁阻等）
无不平衡势差 耗散效应 Dissipative effect 不平衡势差 不可逆根源 耗散效应
工程热力学
irreversibility
Frequently encountered irreversibilities
工程热力学
平衡态种类 Many types of Equilibrium
1、热平衡Thermal equilibrium : if the temperature is the same throughout the entire
温差 Temperature differential 热不平衡势Unbalanced U b l d potentials t ti l
RgT
工程热力学
座标图diagram
简单可压缩系统 N=2，平面坐标图 平面坐标图 说明： p 1）系统任何平衡态可 1
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 上用实线表示
2
常见p-v图和T-s图
工程热力学
v
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
工程热力学
平衡状态
E ilib i Equilibrium 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
.
2 V
4）统一规定：dV>0，膨胀 对外作功（正） dV<0，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
工程热力学
摩擦损失Friction Loss的影响
若有f 存在，就存在损失 存在 就存在损失 系统对外作功W，外界得到的功 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W’’<W’ p 1 工程热力学 2 p外 则外界、活塞、 系统不能同时恢 复原态 复原态。
想确切描述某个热力系，是 否需要所有状态参数 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
工程热力学
状态公理 State postulate l
闭口系： 不平衡势差 状态变化 能量传递 消除一种 达到某一 消除一种能量 不平衡势差 方面平衡 传递方式 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
p
工程热力学
p外 dl
W = pA dl =pdV 1kg工质 w =pdv
准静态过程的容积变化功
mkg工质：W =pdV 1kg工质：w =pdv
W pdV
1
2
w pdv
1
2
p 1 工程热力学 2
p外
注意： 上式仅适用于 准静态过程
示功图indicator (p-V) diagram g
绝热简单可压缩系统 N = ?
工程热力学
状态方程
E Equation ti of f state t t
状态方程 基本状态参数（p,v,T)之间 的关系 简单可压缩系统 N = 2 简单可压缩系统：
v f ( p,T)
工程热力学
f ( p,v,T) 0
状态方程的具体形式
理想气体状态方程 1．理想气体状态方程 （ideal-gas equation; Clapeyron’s equation）
p 1. W mkg工质：
W =p p dV
V 1kg g工质：
.
2 p外
W pdV
1
2
p 1 2
w =pdv
w p pdv
1
2
工程热力学
准静态容积变化功的说明
p 1.
w W 1）单位为 [kJ] 或 [kJ/kg] 2） p-V 图上用面积表示 3）功的大小与路径有关， 过程量Path function
热力学引入准静态（准平衡）过程 quasi-static or quasi-equilibrium quasi-static,
工程热力学
一般过程 般过程 Process
p1 = p0+重物 重物 T1 = T0 突然去掉重物 最终 p2 = p0
p0
p
T2 = T0
1.
.
p，T
工程热力学
2 v
准静态过程Quasi Quasi-static static process
p v R gT
pV mRgT
pV nRT
T K
摩尔质量
2 3 p Pa N/m v m /kg
Rg —气体常数 （gas constant） J/(kg K) R—通用气体常数 R 8.3145J/(mol K) （universal(molargas constant )
>>
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 程问题具体分析 “突然”“缓慢” 具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”
工程热力学
准静态过程的容积变化功
M i Boundary Moving B d Work W k
以汽缸中mkg工质为系统 初始：pA = p外A +f dl 很小，近似认为 p 不变 如果 p外微小 可视为准静态过程 mkg工质发生容积变 A f 化对外界作的功
工程热力学
准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间 （外部作用时间） 外部作用时间
>>
恢复平衡所需时间 （驰豫时间） 驰豫时间
Relaxation time
有足够时间恢复新平衡 准静态过程
工程热力学
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） 外部作
p1 = p0+重物 重物 T1 = T0 假如重物有无限多层 每次只去掉无限薄一层 系统随时接近于平衡态
p0
p
1.
. .
p，T
工程热力学
2 v
准静态过程有实际意义吗？
既是平衡，又是变化 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？ 缓慢，工程上怎样处理？
常见的不可逆过程
Heat transfer
T1 Q T2
工程热力学
不等温传热
节流过程 流过 (阀门） Throttler
T1>T2
p1 p1>p2
p2
Frequently encountered irreversibilities
R MRg
实际工质的状态方程？？？
工程热力学
状态方程的具体形式
g ; imperfect p g )的状态方程 2. 实际气体( (real gas; gas) 范德瓦尔方程
a p 2 vb v
（a,b为物性常数）
RgT
R-K方程
a p 0.5 v b T v(v b)
（a,b为物性常数）
工程热力学
平衡态种类 M Many types of f Equilibrium
2、力平衡 力平衡Mechanical equilibrium : if there is no change in pressure at any point of the system with time Th variation The i ti of f pressure as a result lt of f gravity in most thermodynamic system is relatively l i l small ll and d usually ll disregarded di d d 压差 Pressure differential 力不平衡势Unbalanced potentials
工程热力学
简单可压缩系统的独立变量数
只交换热量和一种准静态的容积变化功 简单可压缩系统：N = n + 1 = 2
The state of a simple compressible system is completely specified by two independent p p properties p
A process th that t can reversed d without ith t leaving l i 注意 any y trace on the surroundings. g That is, both the system and the surroundings are 可逆过程只是指可能性，并不 returned to their initial states at the end of the reverse process. 是指必须要回到初态的过程。
摩擦损失Friction Loss的影响
若f＝0 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 则外界、活塞、系统同时恢复原态。 p 1