1基本概念

1.2 热力状态参数


基本状态参数与导出状态参数；强度性 参数与广延性状态参数 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
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
1.5 准平衡过程和可逆过程 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
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？
可逆过程的定义
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。 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。
可逆过程的实现
准静态过程
无不平衡势差
+ 无耗散效应 = 可逆过程
耗散效应 通过摩擦使功 变热的效应 (摩阻，电阻， 非弹性变性， 磁阻等）
第一章 基本概念
基本要求:进一步加深对热力学重 要的基本概念和定律的理解和掌握， 承上启下，为进一步深入学习和研 究打下深厚的基础。
主要研究内容:


热力学系统 热力状态参数 热力平衡状态 平衡的判据 准平衡(准静态)过程和可逆过程 热量和功
1.1热力学系统
系统、边界、环境的热力学定义与性质 如何正确的选择与划分热力学系统 热力学系统的性质（闭口、开口、绝热、 孤立系统） 例：系统内质量保持不变则一定是闭口 系统（ ） 开口系统由于存在着冷热流体的交换，所 以不可能是绝热系统（ ）
准静态过程的工程条件
恢复平衡所需时间 （驰豫时间）
破坏平衡所需时间 （外部作用时间）
>>
Relaxation time 有足够时间恢复新平衡 准静态过程
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）
完全可逆、内可逆与外可逆
完全可逆
可逆 例： 内部可逆，外部不可逆 常见 外部可逆，内部不可逆
0℃
90 ℃
内可逆 外不可逆
1.6 热量与功量 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，在温度的推 动下，以微观无序运动方式传递的能 量。
不平衡势差
不可逆根源 耗散效应：
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。
1.3.2 实现平衡的条件

平衡的条件: 系统内部、系统内外热势差、力势差、 化学势差消失。即：
平衡的条件依系统具体条件而定。如： 绝热系统、刚性容器、热力平衡下的化学 反应系统。
1.4 平衡的判据：
无外界影响的情况下，系统是否处于平衡 可以用系统状态参数判断;判断有两种情况： 孤立系统、处于压力(或容积)、温度不变的外 界。 孤立系统
dz
1
2

1, a
2
dz dz z2 z1
1,b
2
1
a
2
dz 0
b
例：温度变化
山高度变化
状态参数的微分特征
设 z =z (x ,
y)
dz是全微分
z z dz dx dy x y y x
z z 充要条件： xy yx
>>
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
p
1.
准静态容积变化功的说明
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， 功是过程量
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
2 2
可判断是否 是状态参数
1.3 平衡状态 1.3.1 平衡状态



定义：指没有外界影响的条件下,系统的宏 观性质不随时间变化的状态。 平衡与运动的关系：热动平衡、平衡在时 间和空间上的相对性。 系统与外界的关系：无外界影响的孤立系 统；有外界影响的非孤立系统。


状态不变是现象，无势差是本质 变化的推动力是势差，平衡的关键在 于系统内外、系统内部势差的消失。 平衡与稳定、均匀的区别 稳定未必平衡；不平衡一定不均匀， 但平衡不一定均匀。
孤立系统熵增原理不但指出了系统自发 过程的方向,而且确定了实现平衡的条件.
孤立系统 自发过程必然使孤立系统的熵增加,即:

平衡时孤立系统熵达到最大值,即:
简单可压缩系统


系统与外界只交换膨胀功与热量
当系统经历一无限小过程时,则有:
环境的熵变为:
由此得到:
如果系统经历的是一准平衡过程,则有: 最后得到: 对于热力学能和体积不变的系统,则有: 对于热力学能和体积不变的不可逆过 程熵将增加,达到平衡时熵取极大值.
对于定温定压过程有: 据：
若定义:G=H-TS 称吉布斯函数,可以推出对 于定温定压过程有: 即：对于定问温定压过程下的封闭系统 自发过程朝着吉布斯函数减少的方向进行， 平衡态时达到最小值。
讨论:



引入热力平衡态解决了热力分析中的 什么问题? 解释平衡态与稳定态的联系与区别,不 受外界影响的系统稳定态是否是平衡 态? 进行任何热力分析是否都要选取热力 系统?
对于熵和体积不变的系统,则有: 对于熵和体积不变的封闭系统进行的自 发过程,热力学能将减少,最终达到平衡态时 热力学能取最小值。 若引入焓的定义式，则有：
•对于定温过程
若系统进行的是与热源保持热平衡的 定温过程,则有:
令:F=U-TS: 称亥姆霍兹函数,则有:
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对于定温定容过程,则有:
即：对于定问温定容过程下的封闭系 统自发过程朝着亥姆霍兹函数减少的方向 进行，平衡态时达到最小值。
摩擦损失Friction Loss的影响 若有f 存在，就存在损失 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W’’<W’
p 1 2 p外
则外界、活塞、 系统不能同时恢 复原态。
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 2 p外
功的热力学定义
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。 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。