哈工大工程热力学课件
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大气压随时间、地点变化。 物理大气压 1atm=760mmHg
当h变化不大，ρ常数 1mmHg= ρgh=133.322Pa
当h变化大，ρ ρ(h) p (h)gdh
其它压力测量方法
高精度测量：活塞式压力计 工业或一般科研测量：压力传感器
热力学第零定律
温度的热力学定义 热力学第零定律（R.W. Fowler）
热力系统选取的人为性
过热器
锅 炉
汽轮机
发电机 凝 汽 器
给水泵
只交换功 既交换功 也交换热
只交换热
边界特性
固定、活动 真实、虚构
热力系统分类
以系统与外界关系划分：
有
是否传质
开口系
是否传热
非绝热系
是否传功
非绝功系
是否传热、功、质 非孤立系
无 闭口系 绝热系 绝功系 孤立系
热力系统
1
m
2
WQ
比熵
单位：/kg /kmol 具有强度量的性质
§1-3 基本状态参数
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
1、压力 p 物理中压强，单位: Pa , N/m2 常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa
压缩功 膨胀功
§1-2 状态和状态参数
状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 状态参数：描述热力系状态的物理量 状态参数的特征：
1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然 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 3、状态参数的微分特征：全微分
状态参数的微分特征
设 z =z (x , y)
dz是全微分
dzxzy dxyzxdy
充要条件：
2z 2z xy yx
可判断是否 是状态参数
强度参数与广延参数
强度参数：与物质的量无关的参数
如压力 p、温度T
广延参数：与物质的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： v V
m
比容
uU
h H
m
m
比内能 比焓
s S m
状态方程
简单可压缩系统：N = n + 1 = 2
绝热简单可压缩系统 N = ?
状态方程 基本状态参数（p,v,T)之间 的关系
vf(p,T) f(p,v,T)0
状态方程的具体形式
状态方程的具体形式取决于工质的性质 理想气体的状态方程
pvRT
pV mRT
实际工质的状态方程？？？
坐标图
简单可压缩系 N=2，平面坐标图
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
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
但平衡状态是死态，没有能量交换
能量交换
பைடு நூலகம்
状态变化
如何描述
破坏平衡
§1-5 状态方程、坐标图
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？
注意：可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。
可逆过程的实现
准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程
无不平衡势差 耗散效应
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。
温度测量的 理论基础 B 温度计
温度的测量
温度计
物质 （水银，铂电阻） 特性 （体积膨胀，阻值）
基准点 刻度
温标
比容v
vV m
［m3/kg]
工质聚集的疏密程度
物理上常用密度 ［kg/m3]
v 1
§1-4 平衡状态
1、定义： 在不受外界影响的条件下（重力场除
状态公理：对组元一定的闭口系， 独立状态参数个数 N=n+1
状态公理
闭口系： 不平衡势差 状态变化 能量传递
消除一种不平衡势差 达到某一方面平衡 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
n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等
p0
p，T
突然去掉重物 最终 p2 = p0
T2 = T0
p
1.
.
2
v
准静态过程
p1 = p0+重物 T1 = T0
p0
p，T
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
p
1.
. .
2
v
准静态过程有实际意义吗？
既是平衡，又是变化
既可以用状态参数描述，又可进行热功转换
疑问：理论上准静态应无限 缓慢，工程上怎样处理？
准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间
恢复平衡所需时间
（外部作用时间） >> （驰豫时间）
有足够时间恢复新平衡 准静态过程
p 示功图
1.
p 1
W
.
2 V
p外 2
mkg工质：
W =pdV
2
W 1 pdV
1kg工质：
w =pdv
2
w 1 pdv
可逆过程的定义
系统经历某一过程后，如果能使系 统与外界同时恢复到初始状态，而不留 下任何痕迹，则此过程为可逆过程。
压力p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
当 p > pb 当 p < pb
表压力 pe 真空度 pv
p pe pb p pb pv
pe
p
pv
pb
p
环境压力与大气压力
环境压力指压力表所处环境
注意：环境压力一般为大气压，但不一定。 见习题1－7
4
3
1 开口系 1+2 闭口系 1+2+3 绝热闭口系 1+2+3+4 孤立系
非孤立系＋相关外界 ＝孤立系
热力系统其它分类方式
其它分类方式
均匀系 物理化学性质
非均匀系
工质种类
单元系 多元系
单相
相态 多相
简单可压缩系统
最重要的系统 简单可压缩系统 只交换热量和一种准静态的容积变化功
容积变化功
p 1
说明：
1）系统任何平衡态可 表示在坐标图上
2
v 常见p-v图和T-s图
2）过程线中任意一点 为平衡态
3）不平衡态无法在图 上用实线表示
§1-6 准静态过程、可逆过程
平衡状态
状态不变化
能量不能转换
非平衡状态
无法简单描述
热力学引入准静态（准平衡）过程
一般过程
p1 = p0+重物 T1 = T0
外），如果系统的状态参数不随时间变化， 则该系统处于平衡状态。
温差 — 热不平衡势 压差 — 力不平衡势 化学反应 — 化学不平衡势
平衡的本质：不存在不平衡势
平衡与稳定
稳定：参数不随时间变化
稳定但存在不平衡势差 去掉外界影响，则状态 变化 若以（热源+铜棒+冷源） 为系统，又如何？
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
当h变化不大，ρ常数 1mmHg= ρgh=133.322Pa
当h变化大，ρ ρ(h) p (h)gdh
其它压力测量方法
高精度测量：活塞式压力计 工业或一般科研测量：压力传感器
热力学第零定律
温度的热力学定义 热力学第零定律（R.W. Fowler）
热力系统选取的人为性
过热器
锅 炉
汽轮机
发电机 凝 汽 器
给水泵
只交换功 既交换功 也交换热
只交换热
边界特性
固定、活动 真实、虚构
热力系统分类
以系统与外界关系划分：
有
是否传质
开口系
是否传热
非绝热系
是否传功
非绝功系
是否传热、功、质 非孤立系
无 闭口系 绝热系 绝功系 孤立系
热力系统
1
m
2
WQ
比熵
单位：/kg /kmol 具有强度量的性质
§1-3 基本状态参数
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
1、压力 p 物理中压强，单位: Pa , N/m2 常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa
压缩功 膨胀功
§1-2 状态和状态参数
状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 状态参数：描述热力系状态的物理量 状态参数的特征：
1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然 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 3、状态参数的微分特征：全微分
状态参数的微分特征
设 z =z (x , y)
dz是全微分
dzxzy dxyzxdy
充要条件：
2z 2z xy yx
可判断是否 是状态参数
强度参数与广延参数
强度参数：与物质的量无关的参数
如压力 p、温度T
广延参数：与物质的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： v V
m
比容
uU
h H
m
m
比内能 比焓
s S m
状态方程
简单可压缩系统：N = n + 1 = 2
绝热简单可压缩系统 N = ?
状态方程 基本状态参数（p,v,T)之间 的关系
vf(p,T) f(p,v,T)0
状态方程的具体形式
状态方程的具体形式取决于工质的性质 理想气体的状态方程
pvRT
pV mRT
实际工质的状态方程？？？
坐标图
简单可压缩系 N=2，平面坐标图
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
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
但平衡状态是死态，没有能量交换
能量交换
பைடு நூலகம்
状态变化
如何描述
破坏平衡
§1-5 状态方程、坐标图
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？
注意：可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。
可逆过程的实现
准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程
无不平衡势差 耗散效应
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。
温度测量的 理论基础 B 温度计
温度的测量
温度计
物质 （水银，铂电阻） 特性 （体积膨胀，阻值）
基准点 刻度
温标
比容v
vV m
［m3/kg]
工质聚集的疏密程度
物理上常用密度 ［kg/m3]
v 1
§1-4 平衡状态
1、定义： 在不受外界影响的条件下（重力场除
状态公理：对组元一定的闭口系， 独立状态参数个数 N=n+1
状态公理
闭口系： 不平衡势差 状态变化 能量传递
消除一种不平衡势差 达到某一方面平衡 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
n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等
p0
p，T
突然去掉重物 最终 p2 = p0
T2 = T0
p
1.
.
2
v
准静态过程
p1 = p0+重物 T1 = T0
p0
p，T
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
p
1.
. .
2
v
准静态过程有实际意义吗？
既是平衡，又是变化
既可以用状态参数描述，又可进行热功转换
疑问：理论上准静态应无限 缓慢，工程上怎样处理？
准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间
恢复平衡所需时间
（外部作用时间） >> （驰豫时间）
有足够时间恢复新平衡 准静态过程
p 示功图
1.
p 1
W
.
2 V
p外 2
mkg工质：
W =pdV
2
W 1 pdV
1kg工质：
w =pdv
2
w 1 pdv
可逆过程的定义
系统经历某一过程后，如果能使系 统与外界同时恢复到初始状态，而不留 下任何痕迹，则此过程为可逆过程。
压力p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
当 p > pb 当 p < pb
表压力 pe 真空度 pv
p pe pb p pb pv
pe
p
pv
pb
p
环境压力与大气压力
环境压力指压力表所处环境
注意：环境压力一般为大气压，但不一定。 见习题1－7
4
3
1 开口系 1+2 闭口系 1+2+3 绝热闭口系 1+2+3+4 孤立系
非孤立系＋相关外界 ＝孤立系
热力系统其它分类方式
其它分类方式
均匀系 物理化学性质
非均匀系
工质种类
单元系 多元系
单相
相态 多相
简单可压缩系统
最重要的系统 简单可压缩系统 只交换热量和一种准静态的容积变化功
容积变化功
p 1
说明：
1）系统任何平衡态可 表示在坐标图上
2
v 常见p-v图和T-s图
2）过程线中任意一点 为平衡态
3）不平衡态无法在图 上用实线表示
§1-6 准静态过程、可逆过程
平衡状态
状态不变化
能量不能转换
非平衡状态
无法简单描述
热力学引入准静态（准平衡）过程
一般过程
p1 = p0+重物 T1 = T0
外），如果系统的状态参数不随时间变化， 则该系统处于平衡状态。
温差 — 热不平衡势 压差 — 力不平衡势 化学反应 — 化学不平衡势
平衡的本质：不存在不平衡势
平衡与稳定
稳定：参数不随时间变化
稳定但存在不平衡势差 去掉外界影响，则状态 变化 若以（热源+铜棒+冷源） 为系统，又如何？
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定