工程热力学—1 热力学的基本概念

1 热力学的基本概念
1.1 1.2 1.3 系统 状态 过程
1.1
系统
工程热力学的主要任务是： 通过热力学的分析研究和开发， 改进热能动力装置的工作方式，使 其热效率得到大幅度提高。 其主要内容包括： 基本概念和基本定律 热力过程和热力循环的分析、 研究和计算 工质的热物理性质
1.1
这种被人为从周围物体中分割出来以作为 热力学分析对象的物质集合叫做热力学系统 （亦称热力系统，或简称热力系、系统，也有 文献称之为热力学体系，Thermodynamic System），周围物体统称外界（或环境， surrounding，environment ），系统和外界之 间的分界面叫做边界（ boundary ）．边界可以 是实际存在的，也可以是假想的；可以是固定 不动的，也可以有位移或变形；可以是封闭的， 也可以允许物质通过．
1.2 状态
基本状态参数
热力系统的状态参数有很多，但是只有三个可以直接测量，所以称为基本状态参数 （Primary state properties），而其他状态参数需要有这三个基本状态参数导出。 温度（ Temperature） 温度为描述热力学系统热状况的状态参数，它表示物体的冷热程度。温度是物质分子 T 平均运动动能的量度。其符号为T。 压力（即压强，Pressure ） 单位面积上所受到的垂直（法向）作用力，即物理学中的压强)。其符号为p ， 单位为 Pa (Pascal，帕斯卡，简称帕), 1Pa=1N/m2。 比体积（Specific volume ） Specific volume is defined as the volume per unit mass. Its sign is v. its unit is m3/kg. Specific volume is the reciprocal of density（密度ρ，kg/m3）, v=ρ -1. 比体积是体积的强度量，v=V/m。
这里t用来表示摄氏温度（单位为℃），以示与热力学温度（T）的区别。
1.2 状态
压力
绝对压力
pb p
大气压力
p>pb，p=pb+pg p<pb，p=pb-pv
p>pb
pg
表压力
pb p
pg p pb pv p
p<pb
pv
真空度
1.2 状态
热力学平衡状态
热力学分析中所涉及的热力学系统的状态通常都要求是热力学平衡状态，简称 平衡状态。如果组成热力学系统的各部分之间的温度均匀一致，且等于外界的温度， 则该热力系统即处于热平衡。如果热力系统内部无不平衡的力，且作用在边界上的 力和外力相平衡，则该热力系统即处于力平衡。为了能够实现平衡状态，必须满足 力平衡、热平衡两个条件。如果热力系统内还存在化学反应，则尚应包括化学平衡。 （注意平衡与均匀这两个概念。） 处于热力平衡状态的系统，只要不受外界影响，它的状态就不会随时间改变， 平衡也不会自发地破坏；处于平衡状态的系统，如果系统受到外界影响，就不能保 持平衡状态。 事实上，封闭系统可以出现平衡状态；而开口系统不能出现平衡状态。工程中 都是开口系统，因而都是不平衡的。但是目前我们的热力学只能研究平衡状态，因 为非平衡状态时，热力系的各点宏观性质不尽相同，而且随时间变化，因而没有一 个确定的值。所以存在一个矛盾：用平衡的热力学去研究不平衡的过程。
质的测温特性为非线性时，会带来很大的误差。 热力学温标：按热力学第二定律的原理制成的，不依赖于任何测温物质的特性的 温标，单位为K（开尔文，简称开）。热力学温标采用单一基准点，规定水的三相点的温度 为273.16K。（实际上仍是两个基准点，另一个是绝对零度0K，由于它是温度的绝对出发点，所以不说它是基准点。） 摄氏温标：原属于经验温标，后经国际计量会议重新规定为： t=T-273.15 ℃
1.2 状态
温标
测量温度的准确性取决于两点，物体B（温标）和物体C（温度计）。温标分两类： 经验温标和热力学温标。 经验温标：选定一种测温物质，确定两个基准点（起始点和终了点），确定一种 分度方法，并予以延长。例如：华氏温标，以水银为测温物质，以冰水混合物为32°F，水的沸点为
212°F，其间分为180等份（最开始是以结冰的盐水混合物的温度定为0°F，人体的血液的温度为96°F， 并把它们之间分隔为96份。）经验温标的缺点是，严重依赖于测温物质的测温特性，当测温物
系统
为分析问题方便起见，和力学中取分离体一样，热力学中常把分析的对象从周围物体中分割出来， 研究它通过分界面和周围物体之间的热能和机械能的传递．
ENVIRONMENT BOUNDARY SYSTEM E2 - E1 (energy change) S2 - S1 (entropy change)
δW (work transfer) T (boundary temperature) δQ (heat transfer) (entropy transfer) Figure 1.2 Schematic of a closed thermodynamic system and its interaction with the environment
1.1 系统
系统的分类
• Closed system （闭口系统，封闭系统）：control mass（控制质量）. • Opened system （ 开 口 系 统 ， 开 放 系 统 ） ： control volumes（控制体积，控制体）. The boundaries of control volume are called control face（控制面）. • Adiabatic system （绝热系统）： • Isolated system （孤立系统） • Equilibrium system and un-equilibrium system （平衡系统和非平衡系统）： • Equality system and non-equality system（均匀系 统和非均匀系统）： • Single component system and multi-component system（单元系统和多元系统）： • single phase system and multi-phases system （单相系统和复（多）相系统）：
1.2 状态 状态参数
状态参数的数学意义和性质
1.2 状态
强度量与广延量
Intensive properties（强度量） are those that are independent of the size of a system, such as temperature T, pressure p, and density ρ. Extensive properties（广延量） are those whose values depend on the size—or extent—of the system. Mass m, volume V, and total energy E are some examples of extensive properties. Extensive properties per unit mass are called specific properties （比参数）. Specific properties are intensive properties. such as specific volume v.
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1.2 状态
状态原理（状态公理、法则） 状态原理（状态公理、法则）
经验表明，状态参数之间不是毫不相干的，而是存在着某种相互关系，一些状态参 数的大小受其它状态参数影响。 状态原理（状态公理、法则）：系统的独立状态参数数目N，等于系统对外所作广义 功数目n加1，即N＝n＋1。对于简单可压缩系统，同外界只交换一种形式功——容积变 化功，故独立的状态参数数目为2 （所谓n＋1的1，也代表系统与外界的一种能量交换形 2 n 1 1 式——传热）。 显然，对于简单可压缩系统，基本状态参数压力、温度和比体积三者之间仅有两个 独立的状态参数，保持任意两个不变时，其余一个也随之确定，气体状态也被确定。状 态参数之间的内在联系可以表述为： p＝f1(v,T) 或 v＝f2(p,T) 或 T＝f3(p,v) 或者 F(p,v,T)＝0
1.2 状态
纯物质的状态方程
p＝f1(v,T) 、 v＝f2(p,T) 、 T＝f3(p,v) 或者 F(p,v,T)＝0 称为纯物质的状态方程。状态 方程一般由实验求出，也可由理论分析得到，例如理想气体状态方程就是最简单的状态方程。 状态方程与物质本身的性质有关，不同的物质，其状态方程也不同。 由状态方程的结构可以看出，状态方程可以表示为(v,T)、 (p,T)或(p,v)平面上的曲线族，或者表示为(p,v,T)三维空间中的 一个曲面，前者是后者的投影。显然，(v,T)、(p,T)或(p,v)平面 上的每一点都是(p,v,T)三维 空间中F(p,v,T)＝0曲面上某 一点的投影，代表一个确定 的状态。这样，我们就有了 状态参数坐标图。状态参数 坐标图表示状态具有直观、 简明、便于分析的优点。
1.2 状态
热力学第零定律
热力学第零定律（热平衡定律）：若物体C与物体A和物体B之间分别达到了热平 衡，则物体A和物体B之间也处于热平衡。 The zeroth law of thermodynamics (Thermal equilibrium law): If two bodies are in thermal equilibrium with a third body, they are also in thermal equilibrium with each other. 处于热平衡的物体必有一共同特性，这个特性就是温度，所以热力学第零定律也 给出了温度的热力学定义：物系的温度是用以判别它与其它物系是否处于热平衡状态 的参数 。 The zeroth law of thermodynamics enables us to measure temperature. In order to measure temperature of body A, we compare body C — a thermometer — with body A and temperature scales (温度的标尺，简称温标) separately. When they are in thermal equilibrium, they have the same temperature. Then we can know the temperature of body A with temperature scale marked on thermometer.
Q
1.1 系统
系统的选取
进行热力学分析时，可以根据需要选取 热力学系统。
可以选取整套装置为热力学系统。
可以选取单个设备为热力学系统。
可以选取多个设备和管路作为热力学 系统。 如：高压加热器组
也可以选取某个设备的一部分作 为热力学系统。
1.2
状态
能量的转换，有赖于工质吸热、膨胀、放热等变化过程。在这些变化过程中，工质 的压力、温度、密度等一些宏观特性随时在改变，或者概括地讲，工质的状态随时在变 化。因此，在某一瞬间物质所呈现的全部宏观特性称为热力学状态（ Thermodynamic state ），简称热力状态、状态。系统的状态常用一些宏观物理量来描述，这种用来描 述系统的状态的宏观物理量称为状态参数（state properties）。 状态参数从各个不同方面表达热力系的状态特性。知道了足够的状态参数就可确定 热力系统的状态。反之，知道了热力系统的状态，它的一切状态参数也就确定了。因此， 状态参数由热力系统的状态确定，而与达到该状态的变化途径无关。根据状态参数的这 一特性，任何物理量，只要它的变化可用始终两态来确定，而与热力系统的状态变化途 径无关，则都可作为状态参数。 数学上，状态参数是状态函数或点函数。其微小的变化可以表示为全微分，积分结 果则与积分路径无关。