工程热力学—1 热力学的基本概念

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
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。
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.
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
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。
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：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.
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 ℃
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