工程热力学第一章(2017)

三、强度性参数与广延性参数 按照状态参数与物质数量的关系，状态参数分为 1、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，没有相加性。 如温度T、压力p等。 2 、广延性参数：整个系统的某广延参数值等于 各个单元体该广延参数值之和。它们与系统中质 量多少有关，具有相加性。如热力学能U、焓H等
2、温度的微观概念
在物理学中理想气体热力学温度与分子平均动 能的关系式：
m 2
2
3 b T T 2
式中——分子平移运动的平均动能，其中m是一个分子的质 量， 是分子平移运动的均方根速度； b—— 比例常数； b=3k/2, 玻尔兹曼常数，k=1.38x10-23J/K。T——气体的热力 学温度。
2、压力的微观解释： 根据分子运动理论，气体压力是组成气体的大量分 子在紊乱的热运动对容器器壁频繁碰撞的总结果。 对于理想气体，可以得到如下关系式
2 m p n 3 2
2
2 3 n T nT 3 2
n 为分子浓度，即单位容积内含有气体的分子数， n=N/V，k是常数。
3、相对压力和绝对压力
系统与外界不发生任何物质交换和能量传递的系统。
简单可压缩系统
系统与外界只有一种形式的功量交换。只交换热 量和一种准静态的容积变化功。
功的形式：容（体）积变化功，电功，磁功，表 面张力功等。
热力系的选取的重要性和人为性
过热器 锅 炉
汽轮机
只交换功 开口系统 交换功和热 开口系统
只交换热 开口系统
发电机 凝 汽 器 给水泵
（3）热力学温标（开尔文温标）
T，单位为K。
热力学温标规定纯水三相点为基本定点，并指定 为273.16K，每1K为水三相点温度的1/273.16。
各温标之间的关系：
t T 273.15 T 273
5 t (t f 32) 9
朗肯温标：
T (oR) 1.8T ( K )
朗肯温标也是绝对温标， 且与开尔文温标一样具 有相同的绝对零度。
广延性参数除以系统的总质量，即单位质量的广 延参数称为比参数，如比体积、比热力学能等。 比参数是强度参数。
第三节 平衡状态、状态公理及状态方程
问题：（1）用状态参数描述系统是否有条件？ （2）状态参数确定，则系统所处状态确定， 判断时是否需要考察所有参数？ （3）基本状态参数之间是否存在某种关系。
(三)比体积（比容）
单位质量工质所占的容积称为工质的比体积。
V v m
m / kg
3
单位容积的工质所具有的质量称为工质的密度。 ｍ ρ kg/m3 Ｖ 工质的比体积与密度互为倒数。比体积和密度 不是两个独立的状态参数。
v 1
（四） 热力学能（内能）
热力学能是组成系统的大量微观粒子本身所具有的 能量（不包括系统宏观运动的能量和外力场作用的 能量）。u [J/kg 或kJ/kg]，U [J 或kJ]
温度表示物质内部大量分子热运动的强烈程度。
3、温标 温度的数值标尺，简称温标。 温标是温度测量的普遍基础。 目前经常使用的主要有三种： 摄氏温标，华氏温标，热力学温标。 （1）摄氏温标，符号为t，单位为oC。 摄氏温标的是指在一个大气压下纯冰的熔点为0oC， 沸点为100oC。
（2）华氏温标，符号tf，单位为oF。 华氏温标规定：在一个大气压条件下，在一个 大气压下纯冰的熔点为32oF，沸点为212oF。
闭口系统
热力系统总结
1 开口系 1
m Q
1+2 闭口系 2 1+2+3 绝热闭口系 1+2+3+4 孤立系
W
4
3
非孤立系＋相关外界 ＝孤立系
（二）按系统内部情况的不同可分为
（1） 单相系与复相系
相：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的 部分。 相与相之间一般有明显的界限。 单相系：由单一相组成的系统。
为什么引入平衡概念？ 如果系统平衡，可用一组确切的状态参数（如： 压力、温度等）描述系统。（用状态参数描述系 统的条件）
二、状态公理 问题：是否需判定所有状态参数一定，才能确定 系统状态一定，如果不是，那么需判定几个状态 参数？ 状态公理 确定纯物质系统平衡状态的独立参数=n+1 式中n中表示传递可逆功的形式，而加1表示能量 传递中的热量传递。
绝对压力：系统的真实压力。 绝对压力可按宏观和微观两个定义式计算得到。
工质的压力往往由压力计来测定。压力计一般只 能测量压差，不能直接测得绝对压力。
相对压力：系统绝对压力与当时当地的环境压力 的差值。 对于处于大气环境的压力计，相对压力是绝对 压力与当时当地的大气压的差值。 当 p > 态特性的各 种物理量。
状态参数的特征： 1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然。 （根本特征）。 状态参数只与所处状态有关，即是点函数。 状态参数的变化量与路径无关，只与初、 终态有关。 2、状态参数的积分特征：
dx x
1
2
2
x1
d x 0
二、 系统分类
（一）按系统与外界的质量和能量交换情况分类：
（1）闭口系统
热力系与外界没有物质交换的系统。 没有质量流入与流出，但可以有能量的输入与输 出，如热量。 （2）开口系统 有物质流穿过边界的系统。 必然伴随着能量交换。
（3）绝热系统 系统与外界没有热量传递的系统。 可以有其他形式能量交换，如功。 （4）孤立系统
是均匀的。 例：金属棒两端被不同温度加热，属于什么状态？
平衡状态、稳定与均匀的联系与区别：
均匀热力系内没有不平衡势存在。所以均匀必平 衡。反之平衡未必各参数都是均匀的（如相平 衡），即平衡未必均匀。所以均匀必平衡，平衡 未必均匀。
平衡状态是无外界影响下宏观性质不随时间变化的 状态，且热力系内无不平衡势差，而稳定是靠外界 影响使热力系宏观性质不随时间变化的状态，且热 力系内部存在不平衡势差，所以稳定未必平衡。平 衡必稳定。
热力学平衡状态的条件： （1）热平衡，√ （2）力平衡，√ （3）相平衡，
热力系内无 不平衡势差。
（4）化学平衡，
……
简单可压缩系统平衡的条件：热平衡和力平衡
平衡的本质：热力系内无不平衡势差（这里指p, t），也是平衡的充要条件。
稳定和均匀状态 稳定状态是指热力系统宏观性质不随时间变化
的状态。 均匀状态是指热力系统中空间一切宏观特性都
基本参数：压力、温度和比体积。
它们可以直接或间接的被测量。
（一）温度
1、温度测量的理论基础——热力学第零定律
热力学第零定律：如两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。
B 温度计
推论：相互间处于热平衡的系统必然具有一个在数 值上相等的热力学参数来描述这一热平衡特性，这 个参数就是温度。（温度定义） （用温度概念表述）热力学第零定律：当两热力 系各自的温度分别与第三个热力系的温度相等时， 则两热力系的温度也彼此相等。 小结： 热力学第零定律为温度测量提供了基础。 温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡 的物理量。
各种温标比较
问题：为什么建立热力学温标？
经验温标与绝对温标： 任选一种物质的某一测温属性，采用以上温标 的规定所得到的温标称为经验温标，经验温标依 赖于测温物质的物理性质。 热力学理论指出可以建立一种不依赖于测温物 质的性质的温标,即热力学绝对温标。 工程热力学中采用热力学温度，经验关联式除外。
(五)焓
焓是一个组合的状态参数。
H U pV
h u pv
表示: h [J/kg 或kJ/kg], H [J 或kJ]
(六)熵 熵是一个导出状态参数。
q r ev ds T
式中：qrev为工质在微小可逆过程中与热源交换 的热量；T是传热时工质的热力学温度[K]。单位： [kJ/(kg· K)]
复相系：有两个相以上组成的系统。
例：液相——单相系，汽液相——复相系
（2） 单元系和多元系 单元系: 由一种化学成分组成的系统。 多元系：由两种以上不同化学成分的系统。 纯物质就属于单元系，例如：纯水等。 单元系可以是单相系（液态水）或者多相系 （汽液两相）。
吸收式制冷系统使用的氨-水和溴化锂-水溶液则 属于多元系。 注意：对于化学性质稳定的混合物，常当作纯物 质对待。如不发生相变时的空气。
例：判别dz=2xydx+x2dy是否是状态参数 解：令M=2xy，N=x2，
������������ ������������ = ������������ ������������
则二者相等，因此z为状态参数。
二、状态参数 常用的参数：压力，比体积或密度，温度，热力 学能，焓和熵，还有火用、自由能和自由焓等。
这些将在这节给予回答。
一、平衡状态
（热力学）平衡状态是指热力系统在没有外界影响 的情况下宏观性质不随时间变化的状态。
外界影响是指热力系统与外界的能量交换和物质交 换，而不是指恒定的外场（如重力场）的作用。 热力学平衡包括： （1）热平衡，（2）力平衡， （3）相平衡，（4）化学平衡，等。
热平衡：在热力系统内的各部分之间不存在温度 差。（温度定义） 力平衡：在热力系统内的各部分之间不存在压力 差。（力学概念） 相平衡：物质在各相之间达到平 衡时，在各相之间没有物质的净 转移。即达到平衡后各相的组成 和数量不随时间而改变。 忽略气、液体深度产生的压差。
（3） 均匀系和非均匀系 均匀系：成分和相在整个系统空间呈均匀分布。 否则为非均匀系。
第二节 工质的热力状态和状态参数
问题：前面介绍了热力系统，那么如何描述系统？ 用状态参数来描述系统。
一、状态与状态参数
（热力）状态：指系统在瞬间所呈现的全部宏观性 质的总称。
热力状态反映着大量分子热运动的平均特性。