热力学第一章基本概念
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2z 2z xy yx
可判断是否 是状态参数
强度参数与广延参数
Intensive properties Extensive properties
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
1、定义：
在不受外界影响的条件下（重力场除 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。
A system in equilibrium experiences no changes when it is isolated from it surroundings.
Many types of Equilibrium
pv RgT pV mRgT
实际工质的状态方程？？？
例：R134a的维里型状态方程
pr Tr r / Zc (a1 a2 / Tr a3 / Tr2 a4 / Tr4 )r2 (a5 a6 / Tr a7 / Tr2 a8 / Tr4 a9 / Tr5 a10 / Tr6 a11 / Tr7 )r3 (a12 a13 / Tr a14 / Tr2 a15 / Tr3 a16 / Tr4 a17 / Tr5 )r4 (a18 a19 / Tr a20 / Tr2 a21 / Tr3)r5 (a22 a23 / Tr a24 / Tr2 a25 / Tr3 a26 / Tr4 )r6 (a27 / Tr a28 / Tr2 a29 / Tr3 a30 / Tr4 )r7 (a31 a32 / Tr a33 / Tr2 )r8 (a34 a35 / Tr2 a36 / Tr3)r9
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
平衡Equilibrium与均匀Even
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
状态变化
如何描述
破坏平衡
§1-5 状态方程、坐标图
• 朗肯温标Rankine scale (W. Rankine, 1820-1872)
常用温标之间的关系
绝对K 摄氏℃
华氏F
373.15 100 水沸点
212
朗肯R
671.67
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
559.67 491.67 459.67
§1-1 热力系统
1 开口系
1
m
2
1+2 闭口系
WQ
1+2+3 绝热闭口系 1+2+3+4 孤立系
4
3
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
Simple compressible system
• 热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907）
• 摄氏温标Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744）
• 华氏温标Fahrenheit scale (German, G. Fahrenheit, 1686-1736)
2、系统、外界与边界 外界：系统以外的所有物质 surroundings 边界(界面)：系统与外界的分界面 boundary
系统与外界的作用都通过边界
热力系统选取的人为性
过热器
汽轮机
锅 炉
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 fixed 、 movable real 、imaginary
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
Temperature measurement
温度计
物质 （水银，铂电阻） 特性 （体积膨胀，阻值） 基准点 Reference state 刻度 Scale
温标 Temperature scale
温标Temperature scale
2、力平衡Mechanical equilibrium : if there is no change in pressure at
any point of the system with time
The variation of pressure as a result of gravity in most thermodynamic system is relatively small and usually disregarded
p
pv
pb
p
Other Pressure Measurement Devices
工业或一般科研测量：压力传感器
Pressure transducers Piezoelectric effect
高精度测量：活塞压力计
piston manometer
A4001441
如图，已知大气压 pb=101 325 Pa，U型管内 汞柱高 度差H = 300 mm，气体表B读数为0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ254 3 MPa，求：A 室压力pA及气压表A的读数peA
内能 （广） Internal Energy
摩尔数 （广） Mol
§1-3 基本状态参数
Basic state properties
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
1、压力 p ( pressure )
物理中压强，单位: Pa (Pascal), N/m2
常用单位Units：
1 kPa = 103 Pa
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
z x
y
dx
z y
x
dy
dz是全微分
Total differentials
充要条件：
压差 Pressure differential
力不平衡势Unbalanced potentials
Many types of Equilibrium
3、相平衡Phase equilibrium : when the mass of each phase
reaches an equilibrium level and stays there
最重要的系统
只交换热量和一种准静态的容积变化功
Moving Boundary Work 容积变化功 Compression Work
压缩功 膨胀功
Expansion Work
§1-2 状态和状态参数
State and state properties
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
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
U-tube manometer
示意图
Bourdon Tube
绝对压力与相对压力
absolute pressure relative pressure
当 p > pb
Ga表ge压p力respsue re
p pe pb
当 p < pb
真空度 pv
p pb pv
Vacuum pressure
pe
1、热平衡Thermal equilibrium : if the temperature is the same
throughout the entire
温差 Temperature differential 热不平衡势Unbalanced potentials
Many types of Equilibrium
第一章 基本概念
Basic Concepts
§1-1 热力系统
Thermodynamic system
1、系统的定义
热力系统(热力系、系统)：人为地
system
研究对象
A quantity of matter or a region in space chosen for study
§1-1 热力系统
解：
pB pb peB 101 325 Pa 0.254 3106 Pa 355 600 Pa
pA H pB
(133.32 300) Pa 355 600 Pa 0.395 6 MPa pA pb peA p eA pA pb 0.395 6 MPa 0.101 325 MPa 0.294 3 MPa
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
简单可压缩系统：N = 2
v f ( p,T) f ( p,v,T) 0
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 The Ideal-Gas Equation of State
1bar = 105 Pa
1 MPa = 106 Pa
1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa
1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa
压力p测量
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
§1-3 基本状态参数
Basic state properties
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
3、比容 v ( specific volume )
V v [m3/kg]
m
工质聚集的疏密程度
v 1
物理上常用密度density [kg/m3]
§1-4 平衡状态Equilibrium state
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
Types of System
开口系 Open system Control volume 闭口系 Closed system Control mass 绝热系 Adiabatic system 孤立系 Isolated system
相变 — 相不平衡势
化学反应 — 化学不平衡势
平衡的本质：不存在不平衡势 In an equilibrium state there are no unbalanced potentials
平衡Equilibrium与稳定Steady
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？
0 -273.15
-459.67
0
温标的换算
T[K] t[OC] 273.15 t[OC] 5 (t[F] 32)
9
t[F] t[R] 459.67
Temperature Measurement Devices
水银温度计thermometer ，酒精温度计， 热电偶 Thermocouple 热电阻 Resistance temperature detector 辐射温度计Radiation thermometer 铂电阻温度计 Platinum 激光全息干涉仪 CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法
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
The state of a simple compressible system is completely specified by two independent properties
返回
§1-3 基本状态参数
Basic state properties
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
2、温度 T ( Temperature )
温度T 的一般定义
传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量 微观：衡量分子平均动能的量度
T 0.5 m w 2
温度的热力学定义
热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931） 如果两个系统分别与第三个系统处于
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：对组元一定的闭口系， 独立状态参数个数 N=n+1
状态公理State postulate
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
4、化学平衡Chemical equilibrium : if its chemical composition does
not change with time. That is, no chemical reactions occur.
§1-4 平衡状态Equilibrium state
温差 — 热不平衡势 压差 — 力不平衡势
可判断是否 是状态参数
强度参数与广延参数
Intensive properties Extensive properties
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
1、定义：
在不受外界影响的条件下（重力场除 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。
A system in equilibrium experiences no changes when it is isolated from it surroundings.
Many types of Equilibrium
pv RgT pV mRgT
实际工质的状态方程？？？
例：R134a的维里型状态方程
pr Tr r / Zc (a1 a2 / Tr a3 / Tr2 a4 / Tr4 )r2 (a5 a6 / Tr a7 / Tr2 a8 / Tr4 a9 / Tr5 a10 / Tr6 a11 / Tr7 )r3 (a12 a13 / Tr a14 / Tr2 a15 / Tr3 a16 / Tr4 a17 / Tr5 )r4 (a18 a19 / Tr a20 / Tr2 a21 / Tr3)r5 (a22 a23 / Tr a24 / Tr2 a25 / Tr3 a26 / Tr4 )r6 (a27 / Tr a28 / Tr2 a29 / Tr3 a30 / Tr4 )r7 (a31 a32 / Tr a33 / Tr2 )r8 (a34 a35 / Tr2 a36 / Tr3)r9
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
平衡Equilibrium与均匀Even
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
状态变化
如何描述
破坏平衡
§1-5 状态方程、坐标图
• 朗肯温标Rankine scale (W. Rankine, 1820-1872)
常用温标之间的关系
绝对K 摄氏℃
华氏F
373.15 100 水沸点
212
朗肯R
671.67
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
559.67 491.67 459.67
§1-1 热力系统
1 开口系
1
m
2
1+2 闭口系
WQ
1+2+3 绝热闭口系 1+2+3+4 孤立系
4
3
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
Simple compressible system
• 热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907）
• 摄氏温标Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744）
• 华氏温标Fahrenheit scale (German, G. Fahrenheit, 1686-1736)
2、系统、外界与边界 外界：系统以外的所有物质 surroundings 边界(界面)：系统与外界的分界面 boundary
系统与外界的作用都通过边界
热力系统选取的人为性
过热器
汽轮机
锅 炉
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 fixed 、 movable real 、imaginary
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
Temperature measurement
温度计
物质 （水银，铂电阻） 特性 （体积膨胀，阻值） 基准点 Reference state 刻度 Scale
温标 Temperature scale
温标Temperature scale
2、力平衡Mechanical equilibrium : if there is no change in pressure at
any point of the system with time
The variation of pressure as a result of gravity in most thermodynamic system is relatively small and usually disregarded
p
pv
pb
p
Other Pressure Measurement Devices
工业或一般科研测量：压力传感器
Pressure transducers Piezoelectric effect
高精度测量：活塞压力计
piston manometer
A4001441
如图，已知大气压 pb=101 325 Pa，U型管内 汞柱高 度差H = 300 mm，气体表B读数为0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ254 3 MPa，求：A 室压力pA及气压表A的读数peA
内能 （广） Internal Energy
摩尔数 （广） Mol
§1-3 基本状态参数
Basic state properties
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
1、压力 p ( pressure )
物理中压强，单位: Pa (Pascal), N/m2
常用单位Units：
1 kPa = 103 Pa
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
z x
y
dx
z y
x
dy
dz是全微分
Total differentials
充要条件：
压差 Pressure differential
力不平衡势Unbalanced potentials
Many types of Equilibrium
3、相平衡Phase equilibrium : when the mass of each phase
reaches an equilibrium level and stays there
最重要的系统
只交换热量和一种准静态的容积变化功
Moving Boundary Work 容积变化功 Compression Work
压缩功 膨胀功
Expansion Work
§1-2 状态和状态参数
State and state properties
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
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
U-tube manometer
示意图
Bourdon Tube
绝对压力与相对压力
absolute pressure relative pressure
当 p > pb
Ga表ge压p力respsue re
p pe pb
当 p < pb
真空度 pv
p pb pv
Vacuum pressure
pe
1、热平衡Thermal equilibrium : if the temperature is the same
throughout the entire
温差 Temperature differential 热不平衡势Unbalanced potentials
Many types of Equilibrium
第一章 基本概念
Basic Concepts
§1-1 热力系统
Thermodynamic system
1、系统的定义
热力系统(热力系、系统)：人为地
system
研究对象
A quantity of matter or a region in space chosen for study
§1-1 热力系统
解：
pB pb peB 101 325 Pa 0.254 3106 Pa 355 600 Pa
pA H pB
(133.32 300) Pa 355 600 Pa 0.395 6 MPa pA pb peA p eA pA pb 0.395 6 MPa 0.101 325 MPa 0.294 3 MPa
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
简单可压缩系统：N = 2
v f ( p,T) f ( p,v,T) 0
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 The Ideal-Gas Equation of State
1bar = 105 Pa
1 MPa = 106 Pa
1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa
1 mmHg = 133.3 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa
压力p测量
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
§1-3 基本状态参数
Basic state properties
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
3、比容 v ( specific volume )
V v [m3/kg]
m
工质聚集的疏密程度
v 1
物理上常用密度density [kg/m3]
§1-4 平衡状态Equilibrium state
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
Types of System
开口系 Open system Control volume 闭口系 Closed system Control mass 绝热系 Adiabatic system 孤立系 Isolated system
相变 — 相不平衡势
化学反应 — 化学不平衡势
平衡的本质：不存在不平衡势 In an equilibrium state there are no unbalanced potentials
平衡Equilibrium与稳定Steady
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？
0 -273.15
-459.67
0
温标的换算
T[K] t[OC] 273.15 t[OC] 5 (t[F] 32)
9
t[F] t[R] 459.67
Temperature Measurement Devices
水银温度计thermometer ，酒精温度计， 热电偶 Thermocouple 热电阻 Resistance temperature detector 辐射温度计Radiation thermometer 铂电阻温度计 Platinum 激光全息干涉仪 CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法
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
The state of a simple compressible system is completely specified by two independent properties
返回
§1-3 基本状态参数
Basic state properties
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
2、温度 T ( Temperature )
温度T 的一般定义
传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量 微观：衡量分子平均动能的量度
T 0.5 m w 2
温度的热力学定义
热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931） 如果两个系统分别与第三个系统处于
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：对组元一定的闭口系， 独立状态参数个数 N=n+1
状态公理State postulate
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
4、化学平衡Chemical equilibrium : if its chemical composition does
not change with time. That is, no chemical reactions occur.
§1-4 平衡状态Equilibrium state
温差 — 热不平衡势 压差 — 力不平衡势