工程热力学基本概念

第1章基本概念(3学时)概念(反映事物本质特征和一般属性的思维形式)是建筑科学大厦的基石，在学习热力学的基本定律之前，有必要先建立某些基本概念。

本章将讨论热力系统、平衡状态、状态参数、准平衡过程、可逆过程、功、热量、熵基本概念。

这些概念很重要，在本课程的学习中经常会用到，因此对这些概念应有正确的理解和应用。

1-1热力系统1-1-1系统与外界研究任何事物均需选择一定的对象，对于热力学来说也不能例外。

通常根据所研究问题的需要，在相互作用的各部分物质中，人为选取某个空间内的物质作为研究对象。

这种作为研究对象的某指定空间内的物质称为热力学系统或热力系统(Thermodynamic system)，简称系统或体系(System)。

或者说，把包含在规定边界之内的物质的总和称为热力系统。

系统之外的一切物质统称为外界(Outside)或环境(Environment)。

外界中的某一部分又能划分出来作为另一个系统。

系统与外界的交界面称为边界(Boundary)。

系统的边界可能是真实的，也可能是假想的，可以是固定的，也可以是移动的。

选择边界时要使系统具有明确的(单值性的)含义。

系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移。

200904271-1-2闭口系统与开口系统按照系统与外界有无物质交换的情况，系统可分为两类：系统和外界可以有能量的交换，但没有物质的交换，这种系统称为闭口系统(Closed system)。

这类系统的特点是没有物质穿过边界，其内部的质量恒定不变，故又可称为定质量热力系统(Thermal system at constant mass)或控制质量(Control mass)。

又因无物质流过边界进出热力系统，故也称为不流动热力系统。

如果系统的边界可以移动，那么闭口系统的体积就能够改变。

注意，闭口系统具有恒定的质量，但具有恒定质量的系统未必都是闭口系统。

系统和外界有物质的交换，这种系统称为开口系统(Open system)或流动热力系统(Thermal system of flow)。

这类系统的特点是有物质穿过边界，其内部的质量可以保持恒定或发生变化，系统边界所占空间的范围相对固定，故又可称为控制容积或控制体(Control volume)，按照普郎特(Ludwig Prandtl,1875-1953,德国流体力学家)的意见，有时也称为控制空间(Control space)。

如果开口系统内的工质质量与参数随时间变化，则称为不稳定流动开口系统(Open system of unsteady flow)。

如果开口系统内的工质质量与参数不随时间变化，则称为稳定流动开口系统(Open system of steady flow)。

区分闭口系统和开口系统的关键是有没有物质穿过边界，并不是系统的质量发生了变化。

控制质量或控制容积与外界的分界面称为控制面(Control surface)。

1-1-3简单系统、绝热系统与孤立系统和外界不进行热交换的热力系统称为绝热系统(Adiabatic system)。

和外界既无能量交换又无物质交换的系统称为孤立系统(Isolated system)。

和外界只交换热量和一种形式的准静态功的系统称为简单系统(Simple system)。

准静态功的概念见1-7节。

在简单系统中，表面现象、重力、电和磁的效应都不呈现出来。

绝对的绝热系统和孤立系统是不存在的。

孤立系统一定是闭口的和绝热的，但闭口系统或绝热系统不一定都是孤立的。

1-1-4均匀系统于非均匀系统，单元系统与多元系统系统也可按其内部状况的不同而分为以下几种。

内部各部分化学成分和物理性质都均匀一致的系统称为均匀系统。

由两个或两个以上的相所组成的系统称为非均匀系统。

只含有一种化学成分物质的系统称为单元系统。

由两种或两种以上物质组成的系统称为多元系统。

由可压缩流体组成的系统称为可压缩系统。

与外界只有热量和准静态容积变化功(膨胀功或压缩功)交换的可压缩系统称为简单可压缩系统。

工程热力学中讨论的大部分系统都是简单可压缩系统。

1-2状态和状态参数1-2-1热力系统的状态和状态参数热力系统在某一瞬间所处的宏观物理状况称为系统的状态(State of system)。

状态的概念要通过系统的变量来表征。

用以描述系统所处状态的一些宏观物理量称为状态参数(State Parameters)。

系统是由工质组成的，而系统内工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况就称为工质的状态(State of working medium)，描述工质状态的参数也就称为工质的状态参数或状态参量(State parameters)。

状态一定，描述状态的参数也就一定。

状态参数的变化只取决于给定的初始与最终状态，而与变化过程中所经历的中间状态和路径无关。

系统内部(热力)状态要用内部状态参数来描述。

常用的内部状态参数有压力、温度、比容、内能、焓、熵、自由能，自由焓等。

其中前三个参数可测量，称为基本状态参数(Basic state parameters)。

其他状态参数可从基本状态参数间接算出。

1-2-2状态参数的数学特性状态参数是状态的单值函数，只要系统内的工质的状态一经确定，则该状态所对应的所有状态参数的值就随之确定了。

状态参数在数学上表现为点函数，具有下列积分特性和微分特性：1.积分特性：122,12,1d d z z z z z b a -===∆⎰⎰(1-2-1)式中1，2表示从状态1到状态2，a ，b 为不同的积分路径。

系统从一个状态到另一个状态的转变称为状态变化。

当系统经历一系列状态变化而又回复到初态时，其状态参数的变化为零，即它的循环积分为零d =⎰z (1-2-2)2.微分特性：状态参数的微分是全微分，设状态参数z 是变量x 和y 的函数，则y z x z z x y d d d ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=(1-2-3)在数学上的充要条件为x y z y x z ∂∂∂=∂∂∂22(1-2-4)如果某物理量有上述特征，则该物理一定是状态参数。

1-2-3广延参数与强度参数状态参数按其数值是否与系统内物质数量有关，可分为两类：在给定状态下，与质量成正比而变化，且可相加的状态参数称为广延状态参数或广延参数(Extensive parameters)。

这类参数有容积、内能、熵等。

广延量可确定系统的大小。

一般用大写字母表示广延参数。

在给定状态下，与质量无关，且不可相加的状态参数称为强度状态参数或强度参数(Intensive parameters)。

如压力(强)、温度、密度等。

单位质量的广延参数具有强度参数的性质，称为比状态参数或比参数(Specific parameters)。

如比容积、比内能、比熵等。

在热力学的很多研究中，物质的量的多少并无什么意义，而感兴趣的只是强度状态，这时就用强度参数代替广延参数。

一般用小写字母表示比参数。

还有一些参数，需要借助外部参考系才能确定，如热力系统的速度、动能、位能等，它们描述热力系统的力学状态，称为力学状态参数(Mechanical state parameters)或外部状态参数(External state parameters)，简称外参数(External parameters)。

1-3基本状态参数压力、比容和温度是三个可以测量且又常用的状态参数，称为基本状态参数(Basic state parameters)。

其他状态参数可依据这些基本状态参数之间的关系间接地导出。

1-3-1压力垂直作用于单位面积上的力称为压力或压强(Pressure intensity)。

以符号p 表示，即A F p n =(1-3-1)式中n F 为作用于面积A 上的法向力。

根据气体分子运动论，气体的压力是大量分子向容器壁面撞击的平均作用力。

工质的真实压力常称为绝对压力(Absolute pressure)，用p 表示。

大气压力用b p 表示。

当绝对压力高于大气压力时，压力计指示的数值称表压力(Gauge pressure)，简称表压，用g p 表示。

三者的关系为gb p p p +=(1-3-2)当绝对压力低于大气压力时，压力计指示的读数称为真空度(Degree of vacuum)，用v p 表示。

此时vb p p p -=(1-3-3)在国际单位制中，压力单位的名称是帕斯卡(Blaise Pascal,1623.6.19-1662.8.19,法国数学家和物理学家)，简称帕，用Pa 表示，它的定义是1Pa=1N/m 2(1-3-4)由于Pa 单位太小，工程上常用千帕(kPa)或(MPa)作为压力单位。

其他曾广泛使用的压力单位有：1.巴(bar)1bar=105Pa=0.1MPa=100kPa此压力单位曾在气象部门使用，但现在已废除。

2.毫米汞柱(mmHg)和毫米水柱(mmH 2O)这是用液柱高度表示的压力单位，与压力的关系为gh p ρ=(1-3-5)式中ρ为液体的密度，h 为液柱高度。

3.标准大气压(物理大气压)(atm)以北纬45°的海平面上的常年平均大气压力的数值为压力单位，其值为760mmHg ，由此得1atm=760mmHg=1.01325×105Pa=1.01325bar 4.工程大气压(at)at=1kgf/cm 2=104mmH 2O=9.80665×104Pa =0.980665bar=735.6mmHg各种压力单位的换算关系见附表1。

(2005.2.21)例题1-1用一个水的斜管微压计去测量管中的气体压力(见图1-6)，斜管中的水面比直管中的水面沿斜管方向高出14cm ，大气压力为1.01×105Pa ，求管中D 点气体的压力。

解：由于气体的密度g ρ远小于水的密度w ρ，故微压计垂直管中气柱造成的压力可以忽略不计，即D A p p =。

所以有=+=w w b gh p p ρ 1.01×105＋103×9.81×0.14×sin30°=1.01×105＋0.006867×105=1.016867×105Pa1-3-2比容及密度系统中工质所占的空间称为容积(Volume)，用V 表示，单位是m 3。

单位质量的工质所占有的容积称为比容(Specific volume)，用v 表示，即m V v =(1-3-6)比容的单位是m 3/kg 。

单位容积内工质的质量称为密度(Density)，用ρ表示，即v V m 1==ρ(1-3-7)单位是kg/m 3。

可见，比容与密度互为倒数。

例如，在20℃，水的密度在1atm 下从998kg/m 3变化到在100atm 下的1003kg/m 3，仅变化了约0.5%。