基本概念及热力学第零定律
工程热力学-01 基本概念及定义
平衡状态1
p1 v1
p
p2
2
压容图 p-v图
平衡状态2
p1
1
p2 v2
O
v2
v1
v
12
1-4 状态方程式
在平衡状态下，由气态物质组成的系统，只要知道两个独立的 状态参数，系统的状态就完全确定，即所有的状态参数的数值随之 确定。这说明状态参数间存在某种确定的函数关系，状态参数之间 存在着确定的函数关系，这种函数关系就称为热力学函数。
（2）当系统处于热力学平衡状态时，只要没有外界的影响， 系统的状态就不会发生变化。
（3）整个系统可用一组具有确定数值的温度、压力及其他参
? 数来描述其状态。
10
经验表明，确定热力学系统所处平衡状态所需的独立状 态参数的数目，就等于系统和外界间进行能量传递方式的数 目。对于工程上常见的气态物质组成的系统，系统和外界间传递 的能量只限于热量和系统容积变化所作的功两种形式，因此只需 要两个独立的状态参数即可描述一个平衡状态。
3、平衡状态、稳定状态、均匀状态
（1）关于稳定状态与平衡状态
稳定状态时，状态参数虽不随时间改 变，但它是依靠外界影响来维持的。而平 衡状态是不受外界影响时，参数不随时间 变化的状态。
85℃ 20℃
90℃
15℃
铜棒
平衡必稳定，稳定未必平衡。
（2）关于均匀状态与平衡 水
质统称为外界。 通常选取工质作为热力学系统，把高温热源、低温热源
等其他物体取作外界。
3、边界 ——热力学系统和外界之间的分界面称为边界。
边界可以是固定的，也可以是移动的； 边界可以是实际的，也可以是假想的。
3
二、热力学系统的分类 依据——有无物质或能量的交换
热力学第零定律、温度
热力学第零定律、温度1. 热力学第零定律热力学第零定律是有关热平衡的基本公理。
根据这条定律可以引出温度的概念。
现在，我们从考察热平衡现象入手来说明这个问题。
当一个单相系统与环境之间只有一种形式的功作用〈这样假定纯粹是为了讨论的方便〉，例如只有体积变化功、电功或磁功等之一时，经验表明，只要两个独立的热力学参数便可以完全地确定它的状态。
假设有系统图1-1 绝热壁及透热壁的性质A与B，它们的独立参数分别为X A、Y A必与X B、Y B。
当系统A与系统B之间以固定的刚性绝热壁相隔离〈如图l－1a所示〉时，对于它们各自的平衡状态来说，上述四个参数的取值是任意的。
如果两个系统之间以透热壁相互接触，如图1－1b所示，则原先处于平衡状态的系统A和B的参数都会发生变化，直至建立新的平衡状态为止。
这时参数X A、Y A和X B、Y B的取值都不再是任意的，它们之间存在一定的关系F AB(X A，Y A ，X B，Y B)。
也就是说，当两个系统通过透热壁相互接触并达到热平衡后，其特点是它们参数的取值受到了限制。
图1－2a表示系统A与B之间以绝热壁隔开，而它们同时又以透热壁与系统C相接触时，经过状态变化，最后系统A和B都和系统C达到了热平衡。
然后将系统A和B以绝热壁与系统C相隔离，而系统A与B之间则通过透热壁相互接触，如图1-2b所示，这时我们发现系统A与B都不会发生状态变化，表明它们之间也已达到了热平衡。
这个经验事实被总结成下述公理：若两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则他们彼此之间处于热平衡。
按照福勒〈R. H. Fowler〉在l93l年提出的建议，上述公理称之为热力学第零定律，它是引出温度概念和建立温标的基础。
图1-2 热力学第零定律示意图2. 温度当系统A与C处于热平衡时，它们参数间的限制关系为F AC(X A,Y A,X C,Y C)=0（1-1）同样，若系统B与系统C也处于热平衡，则有F BC(X B,Y B,X C,Y C)=0 （1-2）将这两个关系写成Y C的显式，可得Y C=f AC(X A,,X C) （1-3）及Y C=f BC(X B,X B,X C) （1-4）将式（1-3）与式（1-4）合并，消去变量Y C，得f AC(X A,X B,X C)= f BC(X B,Y B,X C)（1-5）根据热力学第零定律，当系统A和系统B分别与系统C处于热平衡时，它们之间也处于热平衡，因此有F AB(X A,Y A,X B,Y B)=0 （1-6）方程(1-5)与(l-6)描述的是同一个现象，因而应该是等同的，但后者没有包含参数只能取以下形式：X C。
第一章,热力学基本规律
一．几个基本概念：1.孤立系，闭系和开系：与其他物质既没有物质交换也没有能量交换的系统叫做孤立系；与外界没有物质交换但有能量交换的系统叫做闭系；与外界既有物质交换也有能量交换的系统叫做开系。
2.平衡态：经验表明，一个孤立系统，不论其初态多么复杂，经过足够长的时间后，将会达到这样的状态，系统的各种宏观性质在长时间内不会发生任何变化，这样的状态称为热力学平衡态。
3.准静态：所谓准静态过程，它是进行的非常缓慢的过程，系统所经历的每一个状态都可以看做是平衡态。
4.可逆过程与不可逆过程：如果一个过程发生后，无论用任何曲折复杂的方法都不可能把它留下的后果完全的消除而使一切恢复原状，这过程称为不可逆过程；反之，如果一个过程发生后，它所产生的影响可以完全消除而令一切恢复原状，这过程称为可逆过程。
5.理想气体：我们把严格遵从玻意耳定律、焦耳定律和阿氏定律的气体称为理想气体。
二．热力学定律1.热平衡定律（即热力学第零定律）：如果物体A和物体B各自与处在同一状态C达到平衡，若令A与进行热接触，他们也将处在热平衡，这个实验事实称为热平衡定律。
2.热力学第一定律：自认界的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成另一种形式，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不变。
第一定律也可以表述称为第一类永动机是不可能制成的。
3.热力学第二定律：1）克氏表述：不可能把热量从低温物理传到高温物体而不引起其他变化。
2）开氏表述：不可能从单一热源吸热使之完全变成有用功而不引起其他变化。
热力学第二定律也可表述为第二类永动机是不可能制成的。
关于热力学第二定律有几点需要说明：在两个表述中所说的不可能，不仅指【1】在不引起其他变化的条件下，直接从单一热源吸热而使之完全变成有用的功，或者直接将热量从低温物体送到高温物体是不可能的。
而且指【2】不论用多么复杂的方法，在全部过程终了时，其最终的唯一后果是从单一热源吸热而将之完全变成有用功，或者热量从低温物体传到高温物体是不可能的。
大学物理热学总结I：基本假设与理论
大学物理热学总结I：基本假设与理论二、平衡态理论⑤利用细致平衡原理进一步阐释：就得到用力学算出故两物体如果都和第三物体温度一样，则它们平均动能都和第三个物体一样，由等式传递性它们平均动能一样，从而温度一样。
分子多次碰撞平均动能互相交换，最终平衡。
爱因斯坦扩散方程①布朗运动：大颗粒在液体中受液体分子无序碰撞产生的运动。
是在无序驱动力下的运动。
②流体中斯托克斯公式：f=-6πaηvf：阻力a：物体半径η：粘滞系数v：运动速度③布朗粒子平均能量无序却动力长时间平均值为0 :粒子运动距离平方的平均值。
D：爱因斯坦扩散系数ηT：温度较复杂，略。
无。
麦克斯韦分布律（重点）①数学概率论基础知识，重点是概率密度函数的概念、高斯分布（即正态分布）以及泊松分布（略）。
②数学上多重积分、广义积分知识（略）。
①气体分子通过碰撞达到并维持平衡态②平衡态时分子的位置与速度的概率密度函数不随时间变化③分子位置均匀分布，速度分量为高斯分布①速度分布（y、z方向完全相同）：综合公式：②速率分布①确定函数：(1)由于平衡态各向同性，这个函数有旋转不变性，也就是速度分布只和速率有关：(2)方向独立：设每个方向分布函①无量纲速率：定义任意速率值，系数u是无量纲速率。
这样得到无量纲速率分布②麦克斯韦速率分布的实验检验：两个同心圆筒，外层转动，内层分子泰勒展开，得故几率其中为偏移率波尔兹曼分布能量按自由度均分原理准理想气体：分子只有动能，没有势能，分子可以有大小与结构。
理想气体、准理想气体。
①波尔兹曼分布：有势能的系统，势能影响粒子的空间分布。
设坐标(x,y,z)=r则有其中由积分确定，对r的范围积分，结果应该为1。
进一步结论：麦克斯韦分布表现动能影响粒子在动量空间的分布：波尔兹曼分布表现势能影响粒子在几何空间的分布，二者可以综合：②能量按自由度均分原理。
在平衡态下，非相对论粒子的每一个自由度有平均能量。
对于t个平动自由度、r个转动自由度、s个振动自由度的分子，其能量为：注单原子分子t=3 r=s=0刚性双原子分子t=3 r=2 s=0非刚性双原子分子t=3 r=2 s=11、以地球表面附近重力势能为例。
热力学第零定律
P
a v2
v
b
RT
这就是1mol 实际气体的 范德瓦耳斯状态方程。
对m千克的实际气体
V
m v
v
M V
M
m
P
m2 M2
a V2
V
m M
b
m M
RT
当修正常数 a=0, b=0时,它就过渡到理想气体
状态方程,所以它的适用范围更大。
平衡态下状态参量不随时间变化
在 P—V 图上一个点表示一个平衡态。
4.状态方程(equation of state) 状态参量之间的函数关系 f (P,V,T) = 0
理想气体状态方程: PV NkT 或 P nkT PV M RT νRT μ
摩尔气体常数 R 8.31J mol -1 K1 阿伏加德罗常数 N A 6.021023mol -1 波尔兹曼常数 k R 1.381023 J K 1
从物质的微观结构出发，用统计平均的方 法，研究热现象及规律的微观本质。
·两种方法相辅相成。
三.几个概念
1.宏观量与微观量
(1)宏观量 (macroscopic quantity) ·表征系统整体性质的物理量 ·可直接测量(如体积、压强)
广延量：有累加性(如质量、能量) 强度量：无累加性(如温度、压强)
2.考虑分子之间的相互作用力
当气体的压强比较大时,分子的 数密度大,分子之间的距离小， 分子之间的作用力不能忽略了。
范氏微观简化模型：
f
斥力
合力
r0
O
sr
10 -9m
d
引力
热力学第零定律内容和意义
热力学第零定律内容和意义热力学第零定律，又称熵定律，是热力学的一个基本定律。
由于它是热力学的基础，因此也被称为“热力学第零定律”。
热力学第零定律内容是：在一定温度条件下，同种物质当量的两个热力系统，其熵相等。
简单地说，就是在不考虑其他因素的情况下，保持温度不变的情况下，两个热力系统的熵相等。
熵是物理学中的一个重要概念，指的是一个热力系统的无序程度。
它是热量的函数，可以衡量热力系统的热量分布、温度分布和熵的大小。
热力学第零定律强调了热力系统的熵的不变性。
热力学第零定律的意义在于，它提供了一种新的方法来描述热力系统的变化，即考虑熵的变化。
它明确表明，保持温度不变的情况下，两个热力系统的熵相等，这意味着熵是一个不变量，这是热力学第零定律最重要的意义。
热力学第零定律的另一个重要意义在于：它可以作为一种把热力系统物理量转化为熵的方法，是热力学的基础，也是发展热力学的基础。
熵的概念被广泛应用于传热学、流体力学和物理化学等领域，也是构成热力学的基本概念。
热力学第零定律还能够解释物质的热力行为，以及它们之间的相互作用。
它能够揭示物质的真实物理性质，使人们能够深入研究物质的性质和物质的变化，从而更好地理解和控制物质的变化和变化过程。
热力学第零定律还能够帮助我们更好地理解物质的本质，因为热力学第零定律揭示了物质的热力性质和变化，从而使我们能够更好地把握其本质。
此外，它还可以帮助我们更好地研究物质的变化规律，以及物质之间的相互作用，从而更好地掌握物质的性质和变化。
热力学第零定律提供了一种新的视角，使人们可以更好地理解物质的本质，以及物质之间的变化规律。
它为研究物质的性质提供了一个重要的基础，为热力学和物理学的发展提供了重要的基础，使我们更好地理解物质的本质，开发有效的技术手段，从而更好地掌握物质的变化，更有效地利用物质的能量，从而有效控制物质的变化。
综上所述，热力学第零定律内容是：在一定温度条件下，同种物质当量的两个热力系统，其熵相等。
工程热力学(讲义)
1 课程学习1.1 热力学基本定律1.1.1 热力学基本概念及定义第一节热力系热力系：由界面包围着的作为研究对象的物体的总和。
按热力系与外界进行物质交换的情况可将热力系分为：闭口系(或闭系)--与外界无物质交换，为控制质量(c.m.)；开口系(或开系)--与外界之间有物质交换，把研究对象规划在一定的空间范围内，称控制容积(c.v.)。
按热力系与外界进行能量交换的情况将热力系分为：简单热力系--与外界只交换热量及一种形式的准静功；绝热系--与外界无热交换；孤立系--与外界既无能量交换又无物质交换。
按热力系内部状况将热力系分为：单元系--只包含一种化学成分的物质；多元系--包含两种以上化学成分的物质；均匀系--热力系各部分具有相同的性质；均匀系--热力系各部分具有不同的性质。
工程热力学中讨论的热力系：简单可压缩系--热力系与外界只有准静功的交换，且由压缩流体构成。
第二节热力系的描述热力系的状态、平衡状态及状态参数*热力系的状态：热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。
在热力学中我们一般取设备中的流体工质作为研究对象，这时热力系的状态即是指气体所呈现的物理状况。
*平衡状态：在没有外界影响的条件下系统的各部分在长时间内不发生任何变化的状态。
处于平衡状态的热力系各处的温度、压力等参数是均匀一致的。
而温差是驱动热流的不平衡势，温差的消失是系统建立平衡的必要条件。
对于一个状态可以自由变化的热力系而言，如果系统内或系统与外界之间的一切不平衡势都不存在，则热力系的一切可见宏观变化均将停止，此时热力系所处的状态即是平衡状态。
各种不平衡势的消失是系统建立起平衡状态的必要条件。
*状态参数：用来描述热力系平衡态的物理量。
处于平衡态的热力系其状态参数具有确定的值，而非平衡热力系的状态参数是不确定的。
状态参数的特性描述热力系状态的物理量可分为两类：强度量和尺度量（1）强度量与系统中所含物质无关，在热力系中任一点具有确定的数值的物理量。
热力学四大定律
热力学共有四大定律第零定律：热平衡定律(zeroth law of thermodynamics )第一定律：能量守恒定律，“热”是一种能量。
第二定律：熵函数的引出及过程变化方向的熵判据在一个封闭系统（closed system)里操作，总熵量有增无减：只能不变或增加，不能减少。
第三定律：决对零度达不到，在绝对温度0K（相当于－273.15摄氏度）下，所有物质的熵都等于0。
热力学第零定律如果两个热力系的每一个都与第三个热力系处于热平衡，则它们彼此也处于热平衡。
热力学第零定律于1930年由福勒(R.H.Fowler)正式提出，比热力学第一定律和热力学第二定律晚了80余年。
虽然这么晚才建立热力学第零定律，但实际上之前人们已经开始应用它了。
因为它是后面几个定律的基础，在逻辑上应该排在最前面，所以叫做热力学第零定律。
如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。
这一结论称做“热力学第零定律”。
热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和温度的测量方法。
定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。
它为建立温度概念提供了实验基础。
这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。
而温度相等是热平衡之必要的条件。
热力学中以热平衡概念为基础对温度作出定义的定律。
通常表述为：与第三个系统处于热平衡状态的两个系统之间，必定处于热平衡状态。
图中A热力学第零定律示意图、B热力学第零定律示意图、C 热力学第零定律示意图为3个质量和组成固定，且与外界完全隔绝的热力系统。
将其中的B、C用绝热壁隔开，同时使它们分别与A发生热接触。
待A与B和A与C都达到热平衡时，再使B与C发生热接触。
这时B和C的热力状态不再变化，这表明它们之间在热性质方面也已达到平衡。
热力学基础知识
二、压力 垂直作用在单位面积上的力称为压力，以符号P表示，这就 是物理学上所称的压强.按分子运动论的观点，压力是气体的 大量分子向容器壁面撞击所产生的平均结果。若气体作用在 器壁面积A上的垂直作用力为F，那么该壁上的压力为: P＝F/A 压力通常用各种压力计来测定。这些压力计的测量原理部是 建立在力的平衡的基础上。由于压力计本身处于大气压力Pb 作用下，因此压力计上测得的压力是工质的真实压力和大气 压力Pb的差值，是一个相对压力，称为表压力或工作压力， 用符号Pg表示，而工质的实际压力称绝对压力，用P表示。 P, Pg 和Pb之间的关系是： P＝Pb+Pg
热力学基础识
樟洋电厂 运行部
第一节
热力学定律
一、热力学第零定律 定义：与第三个系统处于热平衡的两个系统，彼此也处于 热平衡。 热力学第零定律是进行体系测量的基本依据。1）、 可以通过使两个体系相接触，并观察这两个体系的性质是 否发生变化而判断这两个体系是否已经达到平衡。2）、 当外界条件不发生变化时，已经达成热平衡状态的体系， 其内部的温度是均匀分布的，并具有确定不变的温度值。 3）、一切互为平衡的体系具有相同的温度，所以，一个 体系的温度可以通过另一个与之平衡的体系的温度来表达； 或者也可以通过第三个体系的温度来表达。
t，c
w0 q2 T2 1 1 q1 q1 T1
即：
q2 q1 T2 T1
对于任意的可逆循环， 如图所示循环1A2B1。假 如用一组可逆绝热线将它分 割成无数个微元循环，当绝 热线间隔极小时，例如绝热 线ad与 bc 间隔极小，ab 段温度差极小，接近于定温 过程，同理cd段也是定温 过程，那么微元循环abcda。 就是由两个可逆绝热过程与 两个可逆定温过程组成的微 小卡诺循环。
工程热力学 基 本 概 念
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。
工程热力学基本知识点
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;如工程上常用测压仪表测定系统中工质的压力即为相对压力;比容：单位质量工质所具有的容积,称为工质的比容;密度：单位容积的工质所具有的质量,称为工质的密度;强度性参数：系统中单元体的参数值与整个系统的参数值相同,与质量多少无关,没有可加性,如温度、压力等;在热力过程中,强度性参数起着推动力作用,称为广义力或势;广延性参数：整个系统的某广延性参数值等于系统中各单元体该广延性参数值之和,如系统的容积、内能、焓、熵等;在热力过程中,广延性参数的变化起着类似力学中位移的作用,称为广义位移; 准静态过程：过程进行得非常缓慢,使过程中系统内部被破坏了的平衡有足够的时间恢复到新的平衡态,从而使过程的每一瞬间系统内部的状态都非常接近平衡状态,整个过程可看作是由一系列非常接近平衡态的状态所组成,并称之为准静态过程; 可逆过程：当系统进行正、反两个过程后,系统与外界均能完全回复到初始状态,这样的过程称为可逆过程;膨胀功：由于系统容积发生变化增大或缩小而通过界面向外界传递的机械功称为膨胀功,也称容积功;热量：通过热力系边界所传递的除功之外的能量; 热力循环：工质从某一初态开始,经历一系列状态变化,最后又回复到初始状态的全部过程称为热力循环,简称循环;2.常用公式状态参数:1212xxdx-=⎰⎰=0dx状态参数是状态的函数,对应一定的状态,状态参数都有唯一确定的数值,工质在热力过程中发生状态变化时,由初状态经过不同路径,最后到达终点,其参数的变化值,仅与初、终状态有关,而与状态变化的途径无关;温 度 ：1．BT w m =22式中22w m —分子平移运动的动能,其中m 是一个分子的质量,w 是分子平移运动的均方根速度； B —比例常数；T —气体的热力学温度;2．t T +=273压 力 ：1．nBT w m n p 322322==式中P —单位面积上的绝对压力；n —分子浓度,即单位容积内含有气体的分子数VNn =,其中N 为容积V 包含的气体分子总数; 2．fFp =F —整个容器壁受到的力,单位为牛N ；f —容器壁的总面积m 2;3．g p B p +=P >BH B p -=P <B式中 B —当地大气压力P g —高于当地大气压力时的相对压力,称表压力；H —低于当地大气压力时的相对压力,称为真空值; 比容: 1．mV v = m 3/kg式中 V —工质的容积m —工质的质量2．1=v ρ 式中 ρ—工质的密度kg/m3v —工质的比容m 3/kg热力循环:⎰⎰=w q δδ或∑=∆0u ,⎰=0du循环热效率:12121101q q q q q q w t -=-==η 式中 q 1—工质从热源吸热；q 2—工质向冷源放热；w 0—循环所作的净功;制冷系数：212021q q q w q -==ε 式中 q 1—工质向热源放出热量；q 2—工质从冷源吸取热量；w 0—循环所作的净功;供热系数：211012q q q w q -==ε 式中 q 1—工质向热源放出热量q 2—工质从冷源吸取热量w 0—循环所作的净功第二章 气体的热力性质 1.基本概念理想气体：气体分子是由一些弹性的、忽略分子之间相互作用力引力和斥力、不占有体积的质点所构成;比热：单位物量的物体,温度升高或降低1K1℃所吸收或放出的热量,称为该物体的比热;定容比热：在定容情况下,单位物量的物体,温度变化1K1℃所吸收或放出的热量,称为该物体的定容比热;定压比热：在定压情况下,单位物量的物体,温度变化1K1℃所吸收或放出的热量,称为该物体的定压比热;定压质量比热：在定压过程中,单位质量的物体,当其温度变化1K1℃时,物体和外界交换的热量,称为该物体的定压质量比热;定压容积比热：在定压过程中,单位容积的物体,当其温度变化1K1℃时,物体和外界交换的热量,称为该物体的定压容积比热;定压摩尔比热：在定压过程中,单位摩尔的物体,当其温度变化1K1℃时,物体和外界交换的热量,称为该物体的定压摩尔比热;定容质量比热：在定容过程中,单位质量的物体,当其温度变化1K1℃时,物体和外界交换的热量,称为该物体的定容质量比热;定容容积比热：在定容过程中,单位容积的物体,当其温度变化1K1℃时,物体和外界交换的热量,称为该物体的定容容积比热;定容摩尔比热：在定容过程中,单位摩尔的物体,当其温度变化1K1℃时,物体和外界交换的热量,称为该物体的定容摩尔比热;混合气体的分压力：维持混合气体的温度和容积不变时,各组成气体所具有的压力;道尔顿分压定律：混合气体的总压力P 等于各组成气体分压力P i 之和;混合气体的分容积：维持混合气体的温度和压力不变时,各组成气体所具有的容积;阿密盖特分容积定律：混合气体的总容积V 等于各组成气体分容积V i 之和;混合气体的质量成分：混合气体中某组元气体的质量与混合气体总质量的比值称为混合气体的质量成分;混合气体的容积成分：混合气体中某组元气体的容积与混合气体总容积的比值称为混合气体的容积成分;混合气体的摩尔成分：混合气体中某组元气体的摩尔数与混合气体总摩尔数的比值称为混合气体的摩尔成分;对比参数：各状态参数与临界状态的同名参数的比值;对比态定律：对于满足同一对比态方程式的各种气体,对比参数r p 、r T 和r v 中若有两个相等,则第三个对比参数就一定相等,物质也就处于对应状态中; 2.常用公式 理想气体状态方程： 1．RT pv =式中 p —绝对压力 Pa v —比容m 3/kgT —热力学温度 K 适用于1千克理想气体;2．mRT pV =式中 V —质量为m kg 气体所占的容积 适用于m 千克理想气体; 3．T R pV M 0=式中 V M = M v —气体的摩尔容积,m 3/kmol ；R 0=MR —通用气体常数,J/kmol ·K适用于1千摩尔理想气体; 4．T nR pV 0=式中 V —nK mol 气体所占有的容积,m 3；n —气体的摩尔数,Mmn =,kmol适用于n 千摩尔理想气体;5．通用气体常数：R 083140=RJ/Kmol ·KR 0与气体性质、状态均无关;6．气体常数：RMM R R 83140==J/kg ·K R 与状态无关,仅决定于气体性质;7．112212p v p v T T =比热：1．比热定义式：dTqc δ=表明单位物量的物体升高或降低1K 所吸收或放出的热量;其值不仅取决于物质性质,还与气体热力的过程和所处状态有关;2．质量比热、容积比热和摩尔比热的换算关系：04.22'ρc Mcc ==式中 c —质量比热,kJ/Kg ·k 'c —容积比热,kJ/m 3·kM c —摩尔比热,kJ/Kmol ·k3．定容比热：vv vvT u dT du dTq c ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂===δ 表明单位物量的气体在定容情况下升高或降低1K 所吸收或放出的热量; 4．定压比热：dTdh dTq c pp==δ 表明单位物量的气体在定压情况下升高或降低1K 所吸收或放出的热量; 5．梅耶公式：R c c v p =- R c c v p 0''ρ=- 0R MR Mc Mc v p ==-6．比热比： vp vp vp Mc Mc c c c c ===''κ1-=κκRc v 1-=κnRc p道尔顿分压定律：VT ni i n p p p p p p ,1321⎥⎦⎤⎢⎣⎡=++++=∑=阿密盖特分容积定律：PT ni i n V V V V V V ,1321⎥⎦⎤⎢⎣⎡=++++=∑=质量成分：ii m g m=1211nn i i g g g g =+++==∑容积成分： ii V r V=1211nn i i r r r r r ==++==∑ 摩尔成分： i i n x n =1211nn i i x x x x x ==+++==∑容积成分与摩尔成分关系：i i i nr x n==质量成分与容积成分：i i i i i i i i m n M M M g x r m nM M M====i i i ii i i M Rg r r r M R ρρ===折合分子量：111ni in ni i i i i i i n Mm M x M r M nn=======∑∑∑1211211nn i i niM g g g g M M M M ===+++∑折合气体常数：0010001nnii ni i ii i i R m n R R nRM R g R M mmm========∑∑∑001122n nR R R M r M r M r M ==+++12121n n r r r R R R =+++11ni i ir R==∑分压力的确定i i i Vp p r p V==i i i i i i i R Mp g p g p g p M R ρρ=== 混合气体的比热容：121nn n i ii c g g c g c ==+=∑12c +g c +混合气体的容积比热容：121'''nn n i i i c r r c rc ==+=∑12c'+r c'+混合气体的摩尔比热容：11n ni i i i i i i Mc M g c x M c ====∑∑混合气体的热力学能、焓和熵 1ni i UU ==∑ 或1ni i i U m u ==∑1n i i H H ==∑ 或 1ni i i H m h ==∑1n i i S S ==∑ 或 1ni i i S m s ==∑ 范德瓦尔Van der Waals 方程()2a p v b RTv ⎛⎫+-= ⎪⎝⎭ 对于1kmol 实际气体()02M M a p V b R T V ⎛⎫+-= ⎪⎝⎭ 压缩因子：id v pvz v RT==对比参数： r c TT T =, r cpp p =,r cv v v =第三章 热力学第一定律 1.基本概念热力学第一定律:能量既不能被创造,也不能被消灭,它只能从一种形式转换成另一种形式,或从一个系统转移到另一个系统,而其总量保持恒定,这一自然界普遍规律称为能量守恒与转换定律;把这一定律应用于伴有热现象的能量和转移过程,即为热力学第一定律;第一类永动机：不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机,称为第一类永动机;热力学能：热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和;外储存能：也是系统储存能的一部分,取决于系统工质与外力场的相互作用如重力位能及以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量宏观动能;这两种能量统称为外储存能;轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功称为轴功;流动功或推动功：当工质在流进和流出控制体界面时,后面的流体推开前面的流体而前进,这样后面的流体对前面的流体必须作推动功;因此,流动功是为维持流体通过控制体界面而传递的机械功,它是维持流体正常流动所必须传递的能量; 焓：流动工质向流动前方传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量;对于流动工质,焓=内能+流动功,即焓具有能量意义；对于不流动工质,焓只是一个复合状态参数;稳态稳流工况：工质以恒定的流量连续不断地进出系统,系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定,不随时间变化,称稳态稳流工况;技术功：在热力过程中可被直接利用来作功的能量,称为技术功;动力机：动力机是利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备;压气机：消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备称为压气机;节流：流体在管道内流动,遇到突然变窄的断面,由于存在阻力使流体压力降低的现象;2.常用公式 外储存能： 宏观动能：221mc E k =重力位能：mgz E p =式中g —重力加速度;系统总储存能：1．p k E E U E ++=或mgz mc U E ++=2212．gz c u e ++=221 3．U E = 或u e =没有宏观运动,并且高度为零热力学能变化： 1．dT c duv =,⎰=∆21dT c u v适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程 2．)(12T T c u v -=∆适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程用定值比热计算 3．1020121221t c t c dt c dt c dt c u t vmt vmt v t v t t v ⋅-⋅=-==∆⎰⎰⎰适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程用平均比热计算 4．把()T f c v =的经验公式代入⎰=∆21dT c u v 积分;适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程用真实比热公式计算 5．∑∑====+++=ni i i ni i n u m U U U U U1121由理想气体组成的混合气体的热力学能等于各组成气体热力学能之和,各组成气体热力学能又可表示为单位质量热力学能与其质量的乘积; 6．⎰-=∆21pdv q u适用于任何工质,可逆过程; 7．q u =∆适用于任何工质,可逆定容过程8．⎰=∆21pdv u适用于任何工质,可逆绝热过程;9．0=∆U适用于闭口系统任何工质绝热、对外不作功的热力过程等热力学能或理想气体定温过程;10．W Q U -=∆适用于mkg 质量工质,开口、闭口,任何工质,可逆、不可逆过程; 11.w q u -=∆适用于1kg 质量工质,开口、闭口,任何工质,可逆、不可逆过程 12.pdv q du -=δ适用于微元,任何工质可逆过程 13．pv h u ∆-∆=∆热力学能的变化等于焓的变化与流动功的差值; 焓的变化： 1．pV U H+=适用于m 千克工质2．pv u h +=适用于1千克工质 3．()T f RT u h =+=适用于理想气体4．dT c dhp =,dT c h p ⎰=∆21适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程5．)(12T T c h p -=∆适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程,用定值比热计算 6221211201t t t t t p p p pmpm t h c dt c dt c dt c t c t ∆==-=⋅-⋅⎰⎰⎰适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程用平均比热计算 7．把()T f c p =的经验公式代入⎰=∆21dT c h p 积分;适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程,用真实比热公式计算 8.∑∑====+++=ni i i n i i n h m H H H H H1121由理想气体组成的混合气体的焓等于各组成气体焓之和,各组成气体焓又可表示为单位质量焓与其质量的乘积;9．热力学第一定律能量方程CVS dE W m gz C h m gz C h Q ++⎪⎭⎫⎝⎛++-⎪⎭⎫ ⎝⎛++=δδδδ11211222222121适用于任何工质,任何热力过程;10．s w gdz dc q dh δδ---=221 适用于任何工质,稳态稳流热力过程 11．s w q dh δδ-=适用于任何工质稳态稳流过程,忽略工质动能和位能的变化;12．⎰-=∆21vdp q h适用于任何工质可逆、稳态稳流过程,忽略工质动能和位能的变化; 13．⎰-=∆21vdp h适用于任何工质可逆、稳态稳流绝热过程,忽略工质动能和位能的变化; 14．q h =∆适用于任何工质可逆、稳态稳流定压过程,忽略工质动能和位能的变化; 15．0=∆h适用于任何工质等焓或理想气体等温过程; 熵的变化： 1．⎰=∆21Tqs δ适用于任何气体,可逆过程; 2．g fs s s ∆+∆=∆f s ∆为熵流,其值可正、可负或为零；g s ∆为熵产,其值恒大于或等于零; 3．12lnT T c s v=∆理想气体、可逆定容过程 4．12lnT T c s p=∆理想气体、可逆定压过程 5．2112ln lnp pR v v R s ==∆理想气体、可逆定温过程 6．0=∆s 定熵过程121212121212ln lnln lnln ln p p c v v c p p R T T c v v R T T c s v p pv +=-=+=∆适用于理想气体、任何过程 功量：膨胀功容积功： 1．pdv w =δ 或⎰=21pdv w适用于任何工质、可逆过程 2．0=w适用于任何工质、可逆定容过程 3．()21w p v v =-适用于任何工质、可逆定压过程 4．12lnv v RT w =适用于理想气体、可逆定温过程 5．u q w ∆-=适用于任何系统,任何工质,任何过程; 6．q w =适用于理想气体定温过程; 7．u w ∆-=适用于任何气体绝热过程; 8．dT C w v ⎰-=21适用于理想气体、绝热过程 9．()()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=--=--=∆-=-k k p p k RT T T R k v p v p k uw 1121212211111111适用于理想气体、可逆绝热过程 10．()()()11111111121212211≠⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=--=--=-n p p n RT T T R n v p v p n w n n 适用于理想气体、可逆多变过程 流动功: 1122v p v p w f-=推动1kg 工质进、出控制体所必须的功; 技术功: 1．s tw z g c w +∆+∆=221 热力过程中可被直接利用来作功的能量,统称为技术功; 2．s tw gdz dc w δδ++=221 适用于稳态稳流、微元热力过程 3．2211v p v p w w t-+=技术功等于膨胀功与流动功的代数和; 4．vdp w t-=δ适用于稳态稳流、微元可逆热力过程 5．⎰-=21vdp w t适用于稳态稳流、可逆过程 热量：1．TdS q =δ适用于任何工质、微元可逆过程;2．⎰=21Tds q适用于任何工质、可逆过程 3．W UQ +∆=适用于mkg 质量任何工质,开口、闭口,可逆、不可逆过程 4．w u q +∆=适用于1kg 质量任何工质,开口、闭口,可逆、不可逆过程 5．pdv du q +=δ适用于微元,任何工质可逆过程; 6．⎰+∆=21pdv uq适用于任何工质可逆过程; 7.2222212Q h C gZ m δδ⎛⎫=++-⎪⎝⎭2111112S CV h C gZ m W dE δδ⎛⎫++++ ⎪⎝⎭适用于任何工质,任何系统,任何过程; 8．s w gdz dc dh q δδ+++=221适用于微元稳态稳流过程9．t w h q +∆= 适用于稳态稳流过程 10．u q ∆=适用于任何工质定容过程 11．()12T T c q v-=适用于理想气体定容过程; 12．h q ∆=适用于任何工质定压过程 13．()12T T c q p-=适用于理想气体、定压过程 14．0=q适用于任何工质、绝热过程 15．()()1112≠---=n T T c n kn q v 适用于理想气体、多变过程第四章 理想气体的热力过程及气体压缩1.基本概念分析热力过程的一般步骤：1.依据热力过程特性建立过程方程式,p=fv ；2.确定初、终状态的基本状态参数；3.将过程线表示在p-v 图及T —s 图上,使过程直观,便于分析讨论;4.计算过程中传递的热量和功量;绝热过程：系统与外界没有热量交换情况下所进行的状态变化过程,即0=q δ或0=q 称为绝热过程; 定熵过程：系统与外界没有热量交换情况下所进行的可逆热力过程,称为定熵过程; 多变过程：凡过程方程为=n pv 常数的过程,称为多变过程;定容过程：定量工质容积保持不变时的热力过程称为定容过程;定压过程：定量工质压力保持不变时的热力过程称为定压过程;定温过程：定量工质温度保持不变时的热力过程称为定温过程;单级活塞式压气机工作原理：吸气过程、压缩过程、排气过程,活塞每往返一次,完成以上三个过程; 活塞式压气机的容积效率：活塞式压气机的有效容积和活塞排量之比,称为容积效率;活塞式压气机的余隙：为了安置进、排气阀以及避免活塞与汽缸端盖间的碰撞,在汽缸端盖与活塞行程终点间留有一定的余隙,称为余隙容积,简称余隙; 最佳增压比：使多级压缩中间冷却压气机耗功最小时,各级的增压比称为最佳增压比;压气机的效率：在相同的初态及增压比条件下,可逆压缩过程中压气机所消耗的功与实际不可逆压缩过程中压气机所消耗的功之比,称为压气机的效率; 热机循环：若循环的结果是工质将外界的热能在一定条件下连续不断地转变为机械能,则此循环称为热机循环; 气体主要热力过程的基本公式多变指数n ：z 级压气机,最佳级间升压比：i 1z1p p β＋＝第五章 热力学第二定律 1.基本概念 热力学第二定律：开尔文说法：只冷却一个热源而连续不断作功的循环发动机是造不成功的;克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体;第二类永动机：从单一热源取得热量,并使之完全转变为机械能而不引起其他变化的循环发动机,称为第二类永动机;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;孤立系统熵增原理：任何实际过程都是不可逆过程,只能沿着使孤立系统熵增加的方向进行; 定熵过程：系统与外界没有热量交换情况下所进行的可逆热力过程,称为定熵过程;热机循环：若循环的结果是工质将外界的热能在一定条件下连续不断地转变为机械能,则此循环称为热机循环;制冷：对物体进行冷却,使其温度低于周围环境温度,并维持这个低温称为制冷;制冷机：从低温冷藏室吸取热量排向大气所用的机械称为制冷机;热泵：将从低温热源吸取的热量传送至高温暖室所用的机械装置称为热泵;理想热机：热机内发生的一切热力过程都是可逆过程,则该热机称为理想热机;卡诺循环：在两个恒温热源间,由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成的循环,称为卡诺循环;卡诺定理：1．所有工作于同温热源与同温冷源之间的一切可逆循环,其热效率都相等,与采用哪种工质无关; 2．在同温热源与同温冷源之间的一切不可逆循环,其热效率必小于可逆循环; 自由膨胀：气体向没有阻力空间的膨胀过程,称为自由膨胀过程; 2.常用公式 熵的定义式：⎰=∆21Tqs δ J/kg K工质熵变计算：12s s s -=∆,⎰=0ds工质熵变是指工质从某一平衡状态变化到另一平衡状态熵的差值;因为熵是状态参数,两状态间的熵差对于任何过程,可逆还是不可逆都相等;1．1212ln ln v vR T T c s v +=∆理想气体、已知初、终态T 、v 值求 ΔS;2．1212ln ln P PR T T c s P -=∆理想气体已知初、终态T 、P 值求 ΔS;3．1212ln ln P Pc v v c s v P +=∆理想气体、已知初、终态P 、v 值求 ΔS; 4．固体及液体的熵变计算：12ln ,T T mc s T mcdTds =∆=5．热源熵变：TQ s =∆ 克劳修斯不等式：0≤⎰rT Qδ任何循环的克劳修斯积分永远小于零,可逆过程时等于零; 闭口系统熵方程：∑=∆=∆∆+∆=∆ni i iso sur sys iso s s s s s 1或式中： ΔS sys ——系统熵变； ΔS sur ——环境熵变；ΔS I ——某子系统熵变;开口系统熵方程：1122s m s m s s s sur sys iso -+∆+∆=∆式中：m 2s 2——工质流出系统的熵；m 1s 1——工质流入系统的熵; 不可逆作功能力损失： ISO S T W∆=∆0式中：T 0——环境温度；ΔS ISO ——孤立系统熵增;第八章 湿空气 1.基本概念湿空气：干空气和水蒸气所组成的混合气体; 饱和空气：干空气和饱和水蒸气所组成的混合气体;未饱和空气：干空气和过热水蒸气所组成的混合气体;绝对湿度：每立方米湿空气中所含有的水蒸气质量;饱和绝对湿度：在一定温度下饱和空气的绝对湿度达到最大值,称为饱和绝对湿度相对湿度：湿空气的绝对湿度v ρ与同温度下饱和空气的饱和绝对湿度s ρ的比值含湿量比湿度：在含有1kg 干空气的湿空气中,所混有的水蒸气质量饱和度：湿空气的含湿量d 与同温下饱和空气的含湿量d s 的比值湿空气的比体积：在一定温度T 和总压力p 下,1kg 干空气和水蒸气所占有的体积湿空气的焓： 1kg 干空气的焓和水蒸气的焓的总和; 第十一章 制 冷 循 环 1．基本概念制冷：对物体进行冷却,使其温度低于周围环境的温度,并维持这个低温称为;空气压缩式制冷：将常温下较高压力的空气进行绝热膨胀,获得低温低压的空气;蒸汽喷射制冷循环：用引射器代替压缩机来压缩制冷剂,以消耗蒸汽的热能作为补偿来实现制冷的目的;蒸汽喷射制冷装置：由锅炉、引射器或喷射器、冷凝器、节流阀、蒸发器和水泵等组成;吸收式制冷：利用制冷剂液体气化吸热实现制冷,它是直接利用热能驱动,以消耗热能为补偿将热量从低温物体转移到环境中去;吸收式制冷采用的工质是两种沸点相差较大的物质组成的二元溶液,其中沸点低的物质为制冷剂,沸点高的物质为吸收剂; 热泵：是一种能源提升装置,以消耗一部分高位能机械能、电能或高温热能等为补偿,通过热力循环,把环境介质水、空气、土壤中贮存的不能直接利用的低位能量转换为可以利用的高位能;影响制冷系数的主要因素：降低制冷剂的冷凝温度即热源温度和提高蒸发温度冷源温度,都可使制冷系数增高; 2．常用公式制冷系数：210q w ε==收获消耗空气压缩式制冷系数 1122111111T p T p κκε-==-⎛⎫- ⎪⎝⎭或1121T T T ε=-卡诺循环的制冷系数：11,31c T T T ε=-习题答案2-5当外界为标准状态时,一鼓风机每小时可送300 m 3的空气,如外界的温度增高到27℃,大气压降低到,而鼓风机每小时的送风量仍为300 m 3,问鼓风机送风量的质量改变多少解：同上题2130099.3101.32512()()100021287300273v p p m m m R T T =-=-=-⨯＝2－14 如果忽略空气中的稀有气体,则可以认为其质量成分为%2.232=go ,%8.762=N g ;试求空气的折合分子量、气体常数、容积成分及在标准状态下的比容和密度; 解：折合分子量28768.032232.011+==∑ii Mg M ＝气体常数86.2883140==M R R ＝288)/(K kg J • 容积成分2/22Mo M g r o o =＝％ =2N r1－％＝％标准状态下的比容和密度4.2286.284.22==M ρ＝ kg /m 3ρ1=v ＝ m 3/kg2—181天然气在标准状态下的密度；2各组成气体在标准状态下的分压力; 解：1密度(97160.6300.18440.18580.2441.8328)/100i i M rM ==⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯∑ ＝30/736.04.2248.164.22m kg M ===ρ 2各组成气体在标准状态下分压力 因为：p r p i i ===325.101*%974CH p3－8 容积由隔板分成两部分,左边盛有压力为600kPa,温度为27℃的空气,右边为真空,容积为左边5倍;将隔板抽出后,空气迅速膨胀充满整个容器;试求容器内最终压力和温度;设膨胀是在绝热下进行的;解：热力系：左边的空气 系统：整个容器为闭口系统 过程特征：绝热,自由膨胀 根据闭口系统能量方程WU Q +∆=绝热0=Q自由膨胀W ＝0 因此ΔU=0。
热力学第零定律
在工程中，热力学第零定律是传热设计和分析的基础，可以 帮助工程师理解和优化传热过程，提高设备的效率和安全性 。
05
CATALOGUE
热力学第零定律的实验验证
实验验证的方法
01
02
03
热量测量
通过测量热量交换量来验 证热力学第零定律，确保 热量交换过程中温度保持 不变。
温度测量
使用温度计或其他测量仪 器，准确测量系统内各部 分的温度，以验证温度的 一致性。
这个温度可以作为它们各自的热力学温度。
03
这意味着我们可以使用热平衡状态下的物体来测量和
标定温度，从而为温度提供了一个客观的物理标准。
02
CATALOGUE
热平衡和温度
热平衡的定义
热平衡定义总结
热平衡是指两个或多个物体在没 有外界热交换的情况下，通过内 部热量交换达到的热状态平衡。
热平衡条件
当两个物体在没有外界热交换的 情况下，如果它们的温度相同， 则它们处于热平衡状态。
等温过程
等压过程
等容过程
04
CATALOGUE
热力学第零定律的应用
在热力学第一定律和第二定律中的应用
热力学第一定律
热力学第零定律为热量传递的方向和 大小提供了基础，是热力学第一定律 中能量守恒和转换的基础。
热力学第二定律
热力学第零定律对于判断系统状态变 化的方向和可能性非常重要，是热力 学第二定律中熵增加原理的基础。
简单来说，如果两个物体温度相同， 则它们之间没有热交换。
定律的数学表述
热力学第零定律的数学表述涉及到温 度的标定和热平衡状态下的热容。
VS
在数学上，如果两个热力学系统在某 个温度下达到热平衡，则它们的热容 相等。
热力学第零定律内容
热力学第零定律内容
热力学是研究热量与能量转化的学科，是自然科学中的一个重要分支。
热力学第零定律是热力学中的基本定律之一，它对研究热力学问题具有重要意义。
本文将从以下几个方面介绍热力学第零定律的内容。
一、热力学第零定律的基本概念
热力学第零定律是指如果两个物体分别与第三个物体接触并达到热平衡，那么前两个物体也必定处于热平衡状态。
简单来说，就是如果物体A与物体B分别与物体C达到热平衡，那么物体A与物体B也必定处于热平衡状态。
二、热力学第零定律的实际应用
热力学第零定律在实际生活中有着广泛的应用。
例如，在温度计中，通过测量不同物体的温度，就可以判断它们是否处于热平衡状态。
此外，在工业生产中，热力学第零定律也被广泛应用于热处理、制冷等领域。
三、热力学第零定律的证明
热力学第零定律的证明可以通过实验进行。
例如，将两个温度不同的物体分别与一个第三个物体接触，然后测量它们的温度变化，如果它们最终达到了相同的温度，那么就可以证明它们处于热平衡状态。
此外，还可以通过理论推导来证明热力学第零定律的正确性。
四、热力学第零定律的意义
热力学第零定律对热力学的研究具有重要意义。
它为热力学的其他定律提供了基础，例如热力学第一定律、第二定律等。
同时，热力学第零定律也为温度的测量提供了依据，为热力学在实际应用中提供了指导。
总之，热力学第零定律是热力学中的基本定律之一，它对研究热力学问题具有重要意义。
通过了解热力学第零定律的基本概念、实际应用、证明方法和意义，我们可以更好地理解热力学的基本原理，为热力学在实际应用中提供指导。
热力学第零定律
以p-V 简单系统为例：
S S p，V
S S dS dp dV V p p V
系统由初态 i 变到未态 f 时
S dS S p f ,V f S pi ,Vi
f i
dS 0
态函数的基本性质
二、热力学平衡态
定义：不随时间变化并具有确定值的系统状态。
(平衡态是在实验观察结果总结的基础上引入的理想概念)
热 力 学 平 衡 态
力学平衡
热平衡 相平衡
几何参量 态参量 力学参量
化学参量 电磁参量 态函数 （ T、 U 、 S ）
化学平衡
由状态参量描述的系统状态确定后，系统的态函数也 就确定下来。态函数的函数值与系统状态一一对应， 与达到该状态的过程无关. 热力学平衡是一种动态平衡，也称为热动平衡。
即互为热平衡的系统具有一个数值相等的态函数 , 这个函数就定义为温度，若用符号 T 表示， 则
TA A ( x A, y )
ATB B ( x B, Nhomakorabea )B
TC C ( x C , y )
C
温度是强度量，不具有可加性。
三、温标 —— 温度的数值表示法
温标要素： 测温物质、测温属性、定标方程及固定标准点
A B
要使 ( 3 ) 式与 ( 4 ) 式同时成立 , 必须要求( 3 ) 式中的 参量xc 以消去, 即 ( 3 ) 式可以简化为
A ( x A, y ) B ( x B, y )
A B
( 5 )
因系统 A、B、C 互为热平衡 , 运用同样的结论 , 可得
A xA，yA B xB，yB c xc，yc
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.
热力学第零定律
热力学第零定律引言热力学是研究热量和能量转化的科学，它起源于18世纪末的工业革命时期。
在热力学中，有一个基本原理被称为热力学第零定律。
这个定律为我们提供了一个基本的基准，用于测量物体之间的温度差异。
在本文中，我们将详细介绍热力学第零定律的定义、原理和应用。
一、热力学第零定律的定义热力学第零定律是用来定义物体的热平衡的一个基本定律。
它表明，如果两个物体分别与第三个物体处于热平衡状态，那么这两个物体之间也将处于热平衡状态。
具体来说，当两个物体通过导热或者其他方式接触时，它们将会达到相同的温度，从而实现热平衡。
二、热力学第零定律的原理热力学第零定律的原理可以通过一个简单的实验来解释。
假设我们有三个热水壶，分别标记为A、B和C。
我们将A和B分别与C进行接触，并观察它们之间的温度变化。
首先，我们将A和C放在一起接触一段时间后，然后分别测量它们的温度。
接着，我们将B和C放在一起接触一段时间后，再次测量它们的温度。
如果A和B之间的温度差异很小，而A和C以及B和C之间的温度差异也很小，那么可以得出结论，A和B之间也处于热平衡状态。
这个实验可以推广到更多的物体之间，只要它们通过导热或者其他方式相互接触，它们就有可能达到热平衡状态。
这是因为热量会自由地从一个物体传递到另一个物体，直到它们达到相同的温度。
这个过程被称为热传导。
三、热力学第零定律的应用热力学第零定律在实际应用中有着广泛的应用。
首先，它为测量物体的温度提供了一个基准。
例如，在实验室中，我们可以使用温度计来测量物体的温度，而这个温度计是根据热力学第零定律设计的。
此外，热力学第零定律还可以帮助我们理解和解释一些热学现象。
例如，我们知道热量是从高温物体流向低温物体的。
根据热力学第零定律，当两个物体接触时，它们将交换热量，直到它们达到热平衡。
这个现象被广泛应用于热工学和能源转换等领域。
热力学第零定律还有助于我们理解热学平衡的概念。
在热平衡状态下，物体之间没有净热量传递，即它们的温度保持不变。
热学基本概念 热力学第0定律 温度
热力学是研究物质热运动的宏观理论。从基本 实验定律出发，通过逻辑推理和数学演绎，找 出物质各种宏观性质的关系，得出宏观过程进 行的方向及过程的性质等方面的结论。具有高 度的普适性与可靠性。但因不涉及物质的微观 结构，而将物质视为连续体，故不能解释物质 宏观性质的涨落。
3
统计物理学是研究物质热运动的微观理论。 从物质由大量微观粒子组成这一基本事实 出发，运用统计方法，把物质的宏观性质 作为大量微观粒子热运动的统计平均结果 ，找出宏观量与微观量的关系，进而解释 物质的宏观性质。在对物质微观模型进行 简化假设后，应用统计物理可求出具体物 质的特性；还可应用到比热力学更为广阔 的领域，如解释涨落现象。
第二部分 热学
第一章 热学基本概念 热力学第0定律 温度
§1 热学的一些基本概念
1.1 系统与外界
1.2 热力学平衡态 1.3 状态参量——平衡态的描述和态函数 1.4 摩尔、摩尔质量
§2 热力学第0定律 温度的概念
2.1 热平衡
经验温标
2.2 热力学第0定律
理论温标
2.3 温度和温标
国际温标
§3 理想气体状态方程
13
通过导热板进行热接触的两个系统组成 一复合系统当复合系统达到平衡态时， 我们就说两个系统处于热平衡。
2.2 热力学第0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。
AB C
2.3 温度和温标
• 温度—互为热平衡的几个热力学系统，必
然具 有某种共同的宏观性质，我们将这种决 定系统热平衡宏观性质的物理量定义为温度。
18
2. 规定温度T 与测温属性X 之间的函数关系 通常假定为线性关系，如：T(x)=a.X
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质流和能流）与化学反应等发生的状态。
不满足上述条件者则为非平衡态。
6
Note： （1）体系的性质不随时间改变的态未必是平 衡态，可能是定态。 如：管道中稳定流动的流体 （2）体系不存在宏观流也未必是平衡态。
实质上：平衡态是一种统计的热动平衡 体系的宏观参量
——表征体系以及体系对环境关系的所有宏 观属性。它可分为外参量和内参量。
恒温过程必可视为等温过程，而等温过程不一定是恒温过程
• 体系的物态方程 —联系均相体系各宏观量的关系式 （只有均相体系才有物态方程） • 宏观态或热力学状态 —由体系的宏观量所描写的状态 • 将用来描述热力学体系状态的独立宏观参量称为状态 变量或热力学变量（坐标） ，由这些变量所决定的体系 其他宏观量称为体系的状态函数。
14
1.4 热力学过程
体系与环境之间的宏观相互作用有三种形式：
12
状态公理：
一个平衡态的均相体系，其独立宏观参量的数
目F 等于体系所含有的可变物种数R与可逆功的形
式数（体系外参量数）之和再加1。
以热的方式
F=R+ +1
交换能量仅
有一种形式
若体系为多相系，就分别对各相用状态公理。
例1 单组分均相体系，如纯的气、液、固态物质 例2 多组分均相体系
13
引入几个重要的概念：
热力学体系 分类
敞开体系 封闭体系 隔离体系
体系与环境之间 物质的质量传递
有
无 无
能量的传递（以热 和功的形式）
有 有 无
5
1.2 平衡态与宏观量
宏观约束不同 → 体系的宏观状态具有不同特征
平衡态
→平衡态、非平衡态
——是指体系内各部分本身的宏观性质不随时
间改变，而且不存在外界或内部的某些作用使
体系内以及体系与环境之间有任何宏观流（物
298K, 2pө
298K, pө
18
等温过程
——是指体系与环境通过透热壁接触，而体系的始 态、终态以及过程进行中环境的温度彼此相等的过程。
该过程的中间温度不一定和始末态的温度相等， 也即可以为同一温度，亦可以为不相等的温度，但 是必须保证始末态温度一样。
恒温过程
——从始态到末态的变化过程中，系统的温度始终 保持不变，为一恒定的值。
上述三种相互作用统称为热力学相互作用
封闭体系：热及力学相互作用 开放体系：热、力学及化学相互作用 孤立体系：无任何一种作用
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热力学过程
——体系的宏观态随时间而变就说体系进行着宏观 过程或称热力学过程。（始态、终态）
所谓状态变化：是指相态及热力学变量有所改变。
1.4.1 膨胀过程
设理想气体物质的量为n， 始态：298K、 2pө、V
11
问题：一个体系究竟有多少个彼此独立的宏观参量？
大量事实表明： 一个平衡态体系的独立宏观参量的数目是唯一
的。对于均相物系，其数目与宏观上可逆的能量交 换方式数及可改变的物种数之和相等。
在宏观上，能量交换有功与热两种方式，功又 有各种不同的形式，有一种外参量就有对应一种形 式的功；但热却只是一种形式。
化学工作者经常会遇到下列问题：
1．当两个物质放在一起时，二者能反应吗？ 2．如果反应，将发生多少能量变化？ 3．转化率有多大？ 4．反应速度有多快？ 如：N2 +3H2→2NH3
(T=500K,P=200atm, Fe催化剂,放热) C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)
(T转=982K, 吸热)
1
上述问题都涉及到: 变化的可能性、能量、产率 和反应速度问题。
——化学热力学能解决前三个问题，但不涉及 第四个问题。
化学热力学：把热力学中的基本原理用来研究
化学现象以及和化学有关的物理现象，就称为化 学热力学。
热力学的基础：热力学第零、一、二、三定律。
2
第一章 基本概念及热力学第零定律
1.1 热力学体系与环境
与298K的热源接触 终态：298K、 2pө、2V
有三种方式
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真空
撤除障碍物隔板
n,V (1)等温向真空自由膨胀 298K, 2pө
n, 2V 298K, pө
石块
n,V 298K, 2pө
取走石块 (2)等温对抗恒外压膨胀
n, 2V 298K, pө
砂子
逐粒取走砂子
n, 2V
n,V
(3)恒温准静态膨胀
➢ 力学或机械相互作用 ——在广义力的作用下，外参量改变时体系与环境
通过作功的方式交换能量，从而导致体系与环境的状态 发生改变。 ➢ 热相互作用
——体系与环境之间由于温差而引起能量的交换，这 种相互作用下所交换的能量称为热量。
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➢ 化学相互作用 ——体系与环境中的同种物质存在化学势差的条
件下进行物质交换。在此作用下，体系与环境的物质 的量及能量分别都将发生改变→状态改变
7
外参量
体 系
——取决于体系之外（不在体系内部）的
的
物体位置的宏观参量，如体积、力场强度。
宏
观 内参量
参 量
——取决于组成体系粒子的运动与分布的
宏观参量，如温度、压力、内能等。
实质上：热力学体系的宏观量是一种统计性质。
依据宏观量与物质的量的关系，宏观参量分 为广度量和强度量。
8
强度性质：与系统中所含物质的量无关， 无加和性 (如 p, T 等)；
热力学 ？
10
热力学：
将体系作为整体进行研究的，通过对体系整体 的直接观察与实验来揭示和阐明体系的宏观性 质与规律，它是一种唯象理论。
• 用一组独立的宏观参量描述的态称为宏观态
• 体系状态的宏观描述不如统计描述、微观描述 那样精确，它具有直观与简练的优点，用来描述 宏观态的宏观参量数目非常有限，即体系是少自 由度系统。
热力学体系
——热力学研究的对象，即在一定已知宏 观约束下，由大量粒子组成的客体。
体系满足的宏观条件 或者 对体系施加的限制
几何界面内的空间： 体、曲面、线
宏观参量描述（V、A、l）
4
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。
热源——物质的量为无限大的客体。 其热容也是无限大，当流出或流入 有限的能量时，它的温度不会引起改变。
广度性质：与系统中所含物质的量有关， ห้องสมุดไป่ตู้加和性 (如 n, V, U, H……等)
一种广度性质 另一种广度性质
强度性质，
如Vm
V n
，
m V
等
9
1.3 平衡态宏观描写及状态变 量与状态函数
经典力学：
用组成体系粒子的坐标与动量或者体系的广义坐 标和广义动量描述体系的状态。
量子力学：用波函数描述的状态称为量子态。 统计力学：用分布律描述体系的状态。