第一章工程热力学基本概念(终)讲解

二 状态方程
平衡状态可用一组状态参数描述其状态
想确切描述某个热力系，是 否需要所有状态参数？
状态公理
闭口系：
不平衡势差 状态变化
消除一种 不平衡势差
达到某一 方面平衡
能量传递
消除一种能量 传递方式
而不平衡势差彼此独立
独立参数数目N=不平衡势差数 =能量转换方式的数目 =各种功的方式+热量= n+1
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沈阳工程学院 能动学院
第一章 基本概念
1-1 工质和热力系统 1-2 工质的热力学状态及基本状态参数 1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图 1-4 准静态过程和可逆过程 1-5 过程功和热量 1-6 热力循环
1-1 工质和热力系统
什么是工质？
• 定义：实现能量转化的媒介物质
• 制冷工程中又称为制冷剂
实际过程非常复杂。热力学中先按可逆过程处 理，然后考虑不可逆因素加以修正，即可得到实际 过程的结果。
内能 （广） Internal Energy
摩尔数 （广） Mol
1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图
一、平衡状态（thermodynamic equilibrium state）
1．定义：无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态
热平衡（thermal equilibrium） ： 在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界 处处温
pII pI pg,B 207 75 132 kPa
pII pg, A pb
pg, A pII pb 132 97 35 kPa
思考判断题
1、如果容器中气体的压力保持不变，那么压力表 的读数一定也保持不变。
X
2、作为工质状态参数的应是绝对压力，还是表压 力（或真空度）？
实际过程由一系列非 平衡状态组成
例：
非平衡状态
无法简单描述
平衡状态
宏观静止
能量不能转换
“平衡”意味着宏观静止， 引入 理想模型：
“过程”意味着变化，意味着
准平衡过程
平衡被破坏。二者如何统一？
一、准平衡过程 热力系从一个平衡态连续经历一系列
平衡的中间态过渡到另一个平衡态
突然去掉重物
p0
每次只去掉无限薄一层
现准静态过程？
F
答： 能。准平衡过程着眼于系统
内部平衡，不排斥耗散效应
G p
摩擦生热
p = p0+F+G
二、可逆过程和不可逆过程
准平衡过程着眼于系统内部平衡，不排斥耗散效应。
引入一个更 彻底的理想 化过程
可逆过程
可逆过程的特征：
如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径 逆向运行时，能使系统和外界都返回到原来的状态， 而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程，否 则为不可逆过程。
pe
p
pv
pb p
例 某容器被一刚性壁分成两部分，在容器的不同部
位安装有压力计，如图所示，设大气压力为97kPa。 若压力表B、C的读数分别为
75kPa、0.11MPa，确定表A的读数 及两部分气体的绝对压力。
解：pI pg,C pb 110 97 207 kPa
pI pg,B pII
力平衡
相平衡
区分平衡状态和稳定状态：
参数不随时间变化
平衡必稳定，但稳定未必平衡
区分平衡状态和均匀状态：
平衡未必均匀。单相系统， 忽略重力场作用，则其平 衡态是均匀态。
工程热力学研究的主要是均匀的平衡状态（用一 组参数即可表示其状态）。
为什么引入平衡概念？
如果系统平衡，可用一组确切 的参数（压力、温度）描述
p0
p0
p
p 1.
p
.
2v
p
1.
p 1.
..
2v
p
.
2v
实现准平衡过程的条件： 热力系与外界势差（温差、压差等）无限小。
准平衡过程又称准静态过程、内平衡过程。
准平衡过程在坐标图上可用连续曲线表示。
非准态过程在坐标图上 可用一虚线来示意，但虚线 上各点不表示系统的实际状 态点。
p 1.
四 状态参数的特征
状态参数确定， 则工质状态随之 确定。反之亦然。
状态参数是状态的单值函数（数学 上表现为点函数） ，其值只取决 于状态，与达到此状态的途径无关。
1、状态的积分特性
2
a
dx dx dx x2 x1 1
2
1
1,a,2
1,b,2
b
2
状态参数的变化只与初终态相关，
n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等
简单可压缩系统的独立变量数
只交换热量和一种准静态的容积变化功 简单可压缩系统：N = n + 1 = 2
简单可压缩系统：可压缩系统与外界只有准静容积变化功 （膨胀功）的交换。
绝热简单可压缩系统 N = ?
状态方程Equation of state
状态方程 基本状态参数（p,v,T)之间 的关系
可逆过程必是准平衡过程。准平衡过程只是 可逆过程的必要条件之一。
无任何耗散效应的准静态过程是可逆过程， 反之亦然。
问题： 实际过程都是不可逆过程，那么研究 可逆过程有何意义？
可逆过程是实际过程的理想极限，可作为实际 过程的比较标准。
可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参 数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。 易于揭示过程规律和本质。
I. 非平衡过程 II. 有摩擦的准静态过程 III. 可逆过程
实现可逆过程的条件：
1）准静态过程
2）无耗散效应
实际过程都是 不可逆过程
不平衡势差无限小
问题： 准平衡过程与可逆过程的区别和联系：
准平衡过程只要求系统内部平衡，不排斥耗 散效应。
可逆过程不仅要求系统内部平衡，而且要求 工质和外界可以无条件地逆复，过程进行时不存 在任何能量耗散。
比参数： v V
m
比容
uU m
h H m
比内能 比焓
s S m
比熵
单位：/kg /kmol 具有强度参数的性质
强度参数与广延参数
速度 （强）
Velocity
高度 （强）
Height
温度 （强）
Temperature
应力 （强） Stress
动能 （广） Kinetic Energy
位能 （广） Potential Energy
• 移动和虚构边界
判断题
1、系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系。 X
2、孤立系一定是绝热闭口系。
√
3、绝热闭口系一定是孤立系。
X
1-2 工质的热力学状态及基本状态参数
状态：工质某一瞬间所呈现的宏观物理状况 状态参数：描述工质所处状态的宏观物理量
热力学中常用的6个状态参数：
温度、压力、比体积、热力学能、焓、熵 基本状态参数 可直接测量
由任意两个相互独立的 状态参数构成的平面坐 标系中的任意一点相应 于热力系的某一平衡 （均匀）状态
坐标图上一点代表一平衡状态
不平衡态无法在坐标图上表示
热力学中常用： 压容图（p-v 图过程
热力过程：工质由一个平衡状态变化到另一平衡状态 所经历的全部状态的总和。
常用温标之间的关系
绝对K 摄氏℃
华氏F
373.15 100 水沸点
212
273.16 273.15
37.8
发烧 100
00.01水冰三熔相点点
32
-17.8 盐水熔点 0
0 -273.15
-459.67
温标的换算 T[K] t[OC] 273.15 t[OC] 5 (t[F] 32)
度相等。 力平衡（mechanical equilibrium）：
在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界处处压力 相等。 热力平衡的充要条件
—系统同时达到热平衡和力平衡。 相平衡 系统内各相的物质交换与传递已动态平衡。
热力系在没有外界作用的情况下（重力场除 外），宏观性质不随时间变化的状态。
热平衡
例
1
m
WQ
4
1 开口系 1+2 闭口系 1+2+3 绝热闭口系
2
1+2+3+4 孤立系
3
非孤立系＋
相关外界
＝孤立系
系统及边界示例
• 汽车发动机— 开口系统
• 汽缸-活塞装置（闭口系例）
气缸进、排气阀都关闭时，取 气缸内工质为系统—闭口系统 进排气及燃烧膨胀过程一起研 究，取气缸为系统—开口系统
绝对压力p ——工质的真实压力 表压力pe —— pe= p - pb (p > pb) 真空度pv —— pv= pb - p (p < pb)
当p pb时, p pb pe 当p pb时, p pb pv
压力计测压元 件处于某种环 境压力作用下， 因此测得的压 力是真实压力 与环境压力之 差。
• 对工质的要求:
1）膨胀性
2）流动性
3）热容量(比热） 4）稳定性，安全性
5）对环境友善 6）价廉，易大量获取
• 物质三态中气态最适宜作为工质
热力系统?
热力系统 （热力系）
人为分割出来作为热力学 分析对象的有限物质系统
外界
热力系统以外的部分
界面（边界）
系统与外界之间的分界面
系统与外界 通过边界进 行相互作用
1 dx x2 x1 与路径无关。
状态参数都有以上特性。
状态参数的循环
dx 0 积分等于零。
反之，有以上特性之一， 即为状态参数。