工程热力学课件第1章

状态参数的积分特征
状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。
1
2
a
2
dx dx dx x
1 1, a 1,b
2
2
2
x1
b

dx 0
c）状态参数的分类
1) 按能否用仪器或仪表进行直接或间接测量划分
① 基本状态参数
能够用仪器仪表直接或间接测量的参数。 如 ：温度、压力、体积
真空气缸
边界
系统
系统
研究气缸中的气体（打开阀门）。
热力系、边界、外界例Ⅱ
边界
系统
系统
二、 热力系分类
按系统与外界质量交换分：
闭口系— 系统与外界无物质交换，系
统内质量恒定不变，也称控制质量。
开口系—系统与外界有物质交换，系统被
划定在一定容积范围内，也称控制容积。
闭口热力系
阀门关闭
开口热力系
pA pb peA p eA pA pb 0.3956MPa 0.101325MPa 0.2943MPa
四、比体积和密度
单位质量工质的体积。也叫比容。 比体积：
V v m
m3
kg
密度： 单位体积工质的质量。
mV
kg m3
v
1

1-3 平衡状态、 状态公理及状态方程
人为分割出来，作为热力学研究对象的有限 物质系统。
• 外界 • 边界

与系统发生质、能交换的物系。 系统与外界的分界面（线）。
系统与外界之间，通过边界进行能量的传 递与物质的迁移。
• 注意：1）系统与外界的人为性；
热力系统的分割完全是“人为”的，对于不同的 问题，甚至对于同一问题可取不同的系统。 例如研究向容器充气，可以取容器为系统，也可取 充入容器的气体和原在容器内的气体一起为系统。
2）开口系一定不是绝热系。
错误。开口系强调的是质量是否越过边界，而绝热 系强调是否有热量越过边界。 3）孤立系一定是绝热系。 正确。绝热系仅是系统与外界无热量交换，孤立 系则是既无任何质量交换也无任何能量交换系统， 所以绝热系未必是孤立系，但孤立系必然是绝热 系。
A
B
如A、B两部落，“鸡、犬之声相闻，民至老死不相往 来”，取A部落为系统，则系统为闭口系，不是孤立系， 因A部落与B部落还有声能交换；若取A和B两个部落为 系统则为孤立系。所以：
②热力学温标Ｔ，Ｋ 基准点：纯水的汽、液、固三相平 衡共存的状态点（三相点）为基准
点，并规定它的温度为273.16K。
热力学温标与摄氏温标之间的关系： t = T-273.15
三、 压力
1）定义：单位面积上的垂直作用力
表达式
F p A
N /m 2
或
Pa
2）物理本质：
据气体分子运动理论：装在容器中的大量分子， 总是处于永远不停的热运动之中，它们除了相互 碰撞之外，还不断地和容器壁碰撞。大量分子碰 撞容器壁的总结果，形成了气体对容器壁的压力。
② 导出状态参数
不能用仪器仪表直接或间接测量的参数。 如：热力学（内能）、焓、熵。
2）按与系统内包含物质多少有无关系划分
强度性参数 强度性参数：与物质的质量无关的参数。 不相等会发生 如压力 p、温度T 能量的传递。
广延性参数：与物质的质量有关的参数可加性。 如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S 比参数：

1
T2

s2
2
p3

3
v1
v
s
T3
T
1-4 准静态过程 与可逆过程
热力过程
工质从某一状态过渡到另一状态所经历的全部 状态变化称为热力过程。
注意：
过程是外界作用而破坏系统平衡的结果。 过程的效果： 系统内部—— 状态发生了变化； 边界上—— 与外界交换了Q/W

一般过程
p1 = p0+重物
热力学状态 —工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现 状态参数
的全部宏观物理状况。
—描述工质宏观特性的物理量。 几个注意点：
a）状态参数是宏观量，是大量粒子的平均
效应，只有平衡态才有状参，系统有多个状 态参数 ，如P，V，T，U，H，S等。
b）状态参数的特性 1、状态的单值函数： 状态确定，则状态参 数也确定，反之亦然。 2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关
T1 = T0
p0
突然去掉重物 p2 = p0 最终 T2 = T0
p
1 .
.
p，T
2 v
准静态过程
p1 = p0+重物 T1 = T0
假如重物有无限多层 每次只去掉无限薄一层 系统随时接近于平衡态
p0
p
1 .
. .
p，T
v 2
一、准静态过程
A
B
2）边界的特性：
可以是实际存在的，
也可以是假想的； 可以是固定不变的，
也可以是运动的，可变形的。
热力系、边界、外界例Ⅰ
边界
外界
外界 热 源 热力系统
研究气缸中的气体。
热力系、边界、外界例Ⅰ
边界 外界 外界
热 源
热力系统
热力系、边界、外界例Ⅰ
边界 外界
外界
热 源
热力系统
热力系、边界、外界例Ⅰ
边界 外界 外界
热 源
热力系统
热力系、边界、外界例Ⅰ
边界 外界 外界
热 源
热力系统
热力系、边界、外界例Ⅱ
打开阀门，向真空气缸中充气。
真空气缸
边界
边界
系统
系统
若把大气中流入容 器的那部分空气用 一个假想的边界从 大气中划分出来， 则容器内壁及假想 的边界所包围的空 气就是研究的热力 系统。
热力系、边界、外界例Ⅱ
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定。
平衡与均匀
平衡：时间上 均匀：空间上
平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的。
两平衡状态相等的判定
若系统两平衡状态的状态参数均一一对 应相等，称此两平衡状态相等；反之， 相等的两状态则其状态参数必然一一对 应相等。
如果系统平衡，可用一组确切的参数（压 力、温度）描述。
闭口系：
不平衡势差 消除一种 不平衡势差 状态变化 达到某一 方面平衡 能量传递 消除一种能量 传递方式
不平衡势差彼此独立 独立参数个数N=不平衡势差数
=能量转换方式的个数 =各种功的方式+热量= n+1 n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等
由可压缩物质构成、与外界仅有容积变化功交换、 无化学反应的系统，称为简单可压缩系统，是工 程热力学主要研究的对象。
想确切描述某个热力系，是否 需要所有状态参数？
状态公理
二、状态公理
对组元一定的闭口系，独立状态参数个数 N=n+1

对于组成一定的物质系统（闭系），若存在 着n种可逆功（系统进行可逆过程时和外界 提供了确定 所交换的功量，也叫做准静功）的作用，则 热力系平衡态所需的 决定该系统平衡态的独立状态参数有n+1个， 独立状态的参数个数 1是考虑了热力系统与外界热交换所增加的 的经验规则。 独立参数。
热力系示例图
某刚性绝热气缸—活 塞系统，B侧设有电 热丝 。
红线内 ——闭口绝热系 黄线内不包含电热丝 来自百度文库—闭口系
黄线内包含电热丝 ——闭口绝热系
蓝线内 ——孤立系

按相数
单相系—由单一物相组成的系统。
复相系—由两个或两个以上的相组成的系统。

按组元数
单元系—由一种均匀的和化学成分保持不变的物
质组成的系统。
简单可压缩系统的独立变量数为多少？
只交换热量和容积变化功
简单可压缩系统：N = n + 1 = 2
对于简单可压缩系统，只要两个独立的状态参 数一一对应相等，就可判定该系统两平衡状态 相等。
绝热简单可压缩系统 N = ?
三、 状态方程
反映工质处于平衡状态时基本状态参数之间
的关系式，称为状态方程。
若系统与外界组成复合体系，则该体系为孤立系。
热力系统分类
以系统与外界关系划分：
有 无
是否传质
是否传热 是否传热、功、质
开口系
非绝热系 非孤 立系
闭口系
绝热系 孤立系
热力系统
1 开口系
1+2 闭口系
1
W 4
m Q
1+2+3 闭口绝热系
2
1+2+3+4 孤立系
3
非孤立系＋相关外界 ＝孤立系
管
道
开口热力系
按系统与外界热量交换分：
绝热系— 与外界无热量交换; 孤立系—系统与外界既无能量交换，也无
物质交换。
判断：
1）系统内质量保持不变的系统一定是闭口系。 2）开口系一定不是绝热系。 3）孤立系一定是绝热系。
1）系统内质量保持不变的系统一定是闭口系。
错误。闭口系内工质的质量不变，但系统内质量 不变的系统不全是闭口系。如取一段水管为系统 ，若流入和流出的水的质量相同，系统内质量不 变，但在系统的进、出口处有水流进、流出，所 以系统是开口系。
V v m 比容
U u m 比内能
H h m 比焓
S s m 比熵
单位：/kg
/kmol
具有强度量的性质。
热力学状态和状态参数 系统两个状态相同的充要条件： 所有状态参数一一对应相等。
二、 温度
热力学第零定律（R.W. Fowler）
如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则 两个系统彼此必然处于热平衡。。
p pb pg
pv 真空度
p pb
p pb pv
判断：

容器中工质的热力状态不变，压力表的读数 就不可能发生改变。 错误。压力表上显示的压力数值为工质的相对压
力，即为工质的绝对压力与大气压的差值，所以当 大气压改变时，即使容器中工质的热力状态不变， 压力表的读数也有可能改变。

一、平衡状态
定义：在不受外界影响下，系统的状态能够始终保持
不变，则系统的这种状态称为平衡状态。
•热平衡
在无外界作用的条件下，系统内部系统与外界处处温 度相等。
•力平衡
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。
平衡与稳定
稳定：参数不随时间变化
管内汞柱高度差H=300mm，气体表B读数为 0.2543MPa，求：A室压力pA及气压表A的读 数peA
解：
pB pb peB 101325Pa 0.2543 106 Pa 355600Pa
p A H pB (133.32 300) Pa 355600Pa 0.3956MPa

铁棒一端浸入冰水混合物中，另一端浸入沸 水中，经过足够长的时间，试问，铁棒是否 处于稳定状态，是否处于平衡状态？
取整个铁棒为一系统，足够长的时间后，铁棒各点 温度保持恒定。由于一端为100℃，另一端为0℃， 存在不平衡势差，不符合热力平衡条件：即系统内 外处于热平衡和力平衡，但由于各点温度恒定，则 铁棒处于稳定状态，即铁棒处于不平衡状态。
多元系—由两种或以上的化学成分组成的系统。

按性质是否均匀
均匀系—系统内各部分化学成分和物理性质都均
匀一致的系统。
非均匀系—系统内各部分化学成分和物理性质不
均匀一致的系统。
注意：
1）复相系未必不均匀 2）单元系未必均匀
湿蒸汽
气液平衡 分离状态
1-2 工质的热力学 状态和状态参数
一、热力学状态和状态参数
温度测量的理 论基础
B 温度计
温标
温度的数值标尺，简称温标。
常用的温标：
①摄氏温标 t ，℃ 基准点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基 准点，规定冰点温度为0℃。沸点温度为100℃。 分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线 性的。0℃与100℃这两个基准点之间分成100等分, 每一 等分为1度。
4）压力的单位
N 1Pa 1 2 1MPa=1106 Pa m 1bar 1105 Pa 1atm 101325Pa 760mmHg 1mmHg 133.32Pa 1mmH 2O 9.80665Pa 1kPa=1103 Pa
例1 如图，已知大气压pb=101325Pa，U型
对于简单可压缩系统，状态方程:
T f1 ( p,v) p f 2 (T,v) v f3 ( p,T)
或写成隐函数形式：
F ( p,v,T) 0
状态参数坐标图
既然一简单可压缩系只有两个独立参数，所 以可用平面坐标上一点确定其状态，反之任 一状态可在平面坐标上找到对应点，如：
p p1 T p
3）压力的测量
一般是工质绝对压力与环境压力的相对值 ——相对压力 注意：只有绝对压力p才是状态参数。
绝对压力与相对压力（B为当地大气压，p为绝对
压力）
当p>B
表压力 pg 真空度 pv
p B pg
当p<B
p B pv
pg p pv B
p
U形管式压力计示意图
pb pb
p
p
pg
p pb
第一章 基本概念
基本内容

热力系统 工质的热力状态及其基本状态参数


平衡状态、状态公理及状态方程
准静态过程与可逆过程

热力循环
1-1 热力系统
工程热力学中，为分析问题方便起见，和 力学中取分离体的方法一样，把热力学分 析的对象从周围物体中隔离出来。
一、热力系（系统、体系）, 外界和边界
• 系统