第一章基本概念及定义

P
。1（p1 、v1 ）
注意：只有平衡状态才能在 图上 表示；对于非平衡状 态，没有确定的状态参数， 因此，不可以表示在图上。
v
。2(p2 、v2 )
1-5 热力过程和准静态过程
一、热力过程： 热力系统从某一个状态出发，经过一系列中间状态 而变化到另一个状态，它所经历的全部状态的综合称为 热力过程，简称为过程。 处于平衡状态的系统由于驱动其状态变化的不平衡 势差不存在，因此，其平衡状态不可能自发被破坏，若 系统所处的外界条件发生了变化，使系统与外界之间出 现不平衡势差，则在不平衡势差的推动下，系统与外界 之间将发生能量的传递，能量的转换，同时系统的状态 发生变化，即产生一个热力过程。
第一章
1—1 1—2 1—3 1—4 1—5 1—6 1—7 1—8 1－9
基本概念及定义
热力系统 热力系统的状态及其状态参数 平衡状态 理想气体状态方程 热力过程和准静态过程 准静态过程的功 热量 熵和温熵图 自检 热力循环
1－1 热力系统
一、定义：热现象研究的对象和范围。 边界—系统与外界的分界面。 环境—系统外，与热、功转换有关的其它 物体。 二、分类： 以系统与外界是否有物质交换区分 1、闭口系统 2、开口系统
二、 理想气体状态方程 1、理想气体
是经过科学抽象的假想气体，这种气体的分子是一些弹 性的、不占有体积的点，分子之间没有相互作用力。
2、理想气体状态方程 三个基本状态参数之间的关系称为状态方程式。 F（p、v、T）＝0 根据气体分子运动理论和对理想气体的假定，可导得 理想气体状态方程： 1kg ： p v = Rg T v － 气体比容 Rg－气体常数，其单位：J/(kg.k)
对于组成一定的闭口系统的给定平衡状态而言，与 外界的相互作用除了表现为各种形式的功的交换外，还 可能有热量交换。 因此，可用n+1个参数限定。 n：系统进行的准静功的数目； 1：系统与外界的热量交换。 对于简单可压缩系统，系统与外界交换的只有容积变 化功，n＝1。 所以，对于简单可压缩系统，独立变量的数目只有 两个。
闭口系统：
定义：系统与外界只有能量（功量、热量）的 交换 而无质量交换。——定质量系统
W
重物 工质吸热膨胀作功的过程分析： 系统：封闭在气缸中的气体 边界 边界：活塞下表面和缸壁 外界：热源和重物
Q
在分析内燃机缸内燃气的状态变化与作功的关 系时，如取进气阀关闭到排气阀开启之前，可取 闭口系统。
开口系统：
−3
= 8 . 3143 J / mol . K
于是，某种气体的气体常数可按下式计算：
R 8.3143 Rg = = J / kg .K M M 理想气体状态方程反映出理想气体各参数之间的 基本
关系，在温度不太低，压力不太高时，按它计算的 结 果误差不大，因此，有较大的实用意义。
三、状态参数坐标图： 热力系统的状态用状态参数描述，对于一个与外界 只有热能和机械能交换的简单的 热力系统，只要两个独 立的状态参数就可以确定它的状态。因此可以任意取两 个独立的状态参数组成平面坐标图来描述一定的状态。 这种由热力状态参数组成的坐标图称为状态参数坐标图。 常用的有压容图(p、v)和温熵图(T、s)。图上的 一点代表 一个平衡状态。
1、 实施条件：推动过程进行的不平衡势差无限小。 即 △p→0， △T →0。
2、 将准平衡过程表示在状态参数坐标图上： 在准平衡过程中，系统经历的某一个状态对平 衡状态的偏离都无限小，而且能很快恢复到平衡状 态，平衡状态可以在状态参数坐标图上以一点表示 ，所以准平衡过程可以在图上以一系列的点表示， 即以曲线表示。 , p 注意：只有准平衡过程 1 1 才能以曲线表示，对于 非准平衡过程，由于经 , 历的状态为非平衡状态 2 ，不能表示在坐标图上， 2 只能以虚线示意性表示。 v
1-6
一、功是过程量：
准静过程的功
物理学中，功的定义式 ：δW= F· dx 其中F＝F（x） 注意： 1、功是过程量，微小过程的功以“δW”表示，以区分 状态量的变化。 2、功的单位是J、J/kg。 3、规定：系统作功为正；外界对系统作功为负。 4、功一旦越过系统的边界，就变为系统储存的能量。 二、气体的容积变化功（膨胀功和压缩功） 已知：无摩擦活塞，截面积为A， 任一瞬间气体压力为P，活塞移动 距离dx。
mkg ：p V= m RgT V－mkg气体占有的容积
在计算中，经常用到以“摩尔”为单位 1mol ： pMv = MRgT 或 pVm= RT M －摩尔质量， 单位：kg/mol
例如：氧气M＝32×10 -3 kg/mol Vm = Mv －摩尔容积， 单位：m3/mol
R=MRg－通用气体常数， 单位：J/mol.k nmol ： pV = nRT
1-3 平衡状态
所谓热力系统的状态是指热力系统在某一瞬间所呈现宏 观物理状况，对不同的瞬间，系统可能出现不同的状况。 例如下图： 当重物拿下时，在这一瞬间，系统各 处呈现了不同的压力、密度， 即各处 状态不同，对我们的研究有特别重要 意义的是所谓“平衡状态”。 一、平衡状态：在没有外界影响的条件下，系统的状 态始终保持不变。
三、基本状态参数
简单可压缩气体的状态常用基本热力学参数p、v、T 来描述，这三个可以测量又常用的参数为基本热力学参 数。 1、 比容（v）：单位质量的物质所占有的 容积。
v = V m
m3/kg
密度：
ρ=
m V
kg/m3
v⋅ρ =1
比容和 密度互为倒数，均为描述分子聚集 的疏密程度的物理量。
2、压力（p）： 在一个真实的 或假想的 表面上单位面积所受到的垂 直作用力称为压力。
注意：系统的选取不是唯一的，而答案是唯一的。
以系统与外界进行能量交换的形式区分 1、一般热力系统 2、绝热系统 3、孤立系统 一般热力系统 ：系统与外界既有能量（功量、热 量） 交换，又有质量交换。 绝热系统：系统与外界只有功量和质量的交换，而无 热量的交换。 孤立系统：系统与外界既无能量交换又无质量交换， 即系统与环境不发生任何作用。
二、特征：处于平衡状态的热力系统各处应具有均匀 一 致的温度和均匀一致的压力。 温差、压差、化学势差等都是一种不平衡势差，而 要建立热平衡、力平衡、化学平衡都是以相应的 不平衡 势差的消失为必要条件。 通常，当系统各部分压力平衡时，称系统处于机械 平衡；当系统各部分温度相同时，称系统处于热平衡， 既机械平衡又热平衡称系统处于热力平衡。 处于热力平衡的系统各处应有均匀一致的温度和均 匀一致的压力。
注意：自然界不存在真正的孤立系统。
任何非孤立系统 + 环境 = 孤立系统
1—2 热力系统的状态及其状态参数
一、热力系统的状态 定义：热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。 二、状态参数 1、定义：用于描述工质状态的物理量。 1 状态参数分为内参数和外参数。 内参数：由系统本身热力学性质决定的，也称为热 力学状态参数。 例如：p、v、T。
2、状态参数的数学特征 （1）、在任意过程中，系统由状态1过渡到状态2，其状 态参数的变化量等于初、终状态下该状态参数的差值，与 过程无关。 即
∫ dx
1
2= x ຫໍສະໝຸດ − x1（2）、当系统经历一个封闭的变化过程，又恢复到原来 状态时，其状态参数的变化为零。
∫
dx = 0
可见状态参数的微分是全微分。
dx
气体作的微功为： δW= F· dx＝pA·dx J 活塞从位置1移动到位置2，系统所作的功为：
2 S2 V2
W = ∫ δW =
对1kg工质：
1
∫ pAdx = ∫ pdV
V1
J
dx
S1
V δw = = Pd = Pdv m m
w =
v2
δW
∫ Pdv
（1）表压力： 当p大于pb时，压差计上的 读数为表压力， 以pe表示。 （2）真空度：当p小于pb时，压差计上的 读数为真空度， 以pv表示。
pb pb
p
pe
p
pv
p= p e+ pb (Pa) pe =ρgh (Pa) ； 测压物质密度——ρ( kg/m3)
pb= p+ pv (Pa) pv = ρgh (Pa)。 测出液柱高度—— h (m)
下面考察一下在有限压差作用下，气体膨胀作功过程。 设气缸内装有气体，无重 量的活塞上载有质量为m的重物， 如图： 取气缸内的气体为热力系统，开始系 统处于平衡状态，现突然将重物移去有 限部分，系统在不平衡势差作用下，膨 胀作功，产生热力过程，向新的平衡状 态进行过渡，而在全部过程中，系统经 历的是一系列不平衡状态，因此，整个 过程为不平衡过程。
pV m R = J / mol .k T
因为在同温、同压下，任何气体的摩尔容积Vm均相等， 所以R是一个常数，与气体性质无关，称为通用气体常数。 以标准状态下的各参数代入上式： p = 0.101325Mpa ；T = 273.15K；Vm= 22.4138×10 –3m3/mol 得到 ：
R = 101325 × 22 . 4138 273 . 15 × 10
1-4 理想气体状态方程
一、状态公理 决定平衡热力系统状态的独立变量的数目有几个？ 存在不平衡势差 能量的交换
能量交换是以状态变化为标志。 平衡意味着不平衡势差的消失，从而得到一个完 全确定的状态参数。 由于能量交换可以独立进行，所以认为： 决定热力系平衡状态的独立变量的数目应等于热 力系与外界交换能量的各种形式的总数。
3、温度（T）：是物体冷、热程度的 标志。 在国际单位制中，温度测量采用热力学温标，以T表示，单 位符号为K（开尔文）。 热力学温度规定水的 三相点（纯冰、纯水、和水蒸气三 相平衡共存状态）的温度273.16 K 。热力学温度 的每单位开 尔文，等于水的三相点热力学温度的1/273.16。 与热力学温标并用的有热力学摄氏温度，简称摄氏温度， 以符号t表示，其单位为摄氏度，以符号℃表示 。1960年国际 计量大会规定了摄氏温度按以下定义式确定 t℃＝TK-273.15 也就是说，摄氏温度的零点(t＝ 0℃)相当于热力学温度 的273.15K，而且这两种温标的温度间隔完全相同。 按此新的定义，水的三相点温度为摄氏0.01℃。