热力学基本概念2-平衡态、准静态、几种热力过程
工程热力学 名词解释
工程热力学名词解释（4×5=20分）1.可逆过程：当系统进行正、反两个过程后，系统与外界均能完全回复到初始状态。
平衡状态：系统在不受外界影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间变化，系统内外同时建立了热平衡和力平衡，这是系统的状态称为热力平衡状态，简称平衡状态。
准静态过程：如果造成系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态，这样的过程称为准静态过程。
状态参数：描述工质状态特性的各种物理量称为工质的状态参数。
2.膨胀功：在压力差作用下，由于系统工质容积发生变化而通过界面向外界传递的机械功。
技术功：热力过程中可被直接利用来做功的能量通称为技术功。
流动功：为推动流体通过控制体界面而传递的机械功，它是维持流体正常流动所必须传递的能量。
轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功。
3.理想气体：分子本身不具有体积、分子间没有作用力的气体称为理想气体。
实际气体：气体的状态处于很高的压力或很低的温度，气体有很高的密度，以致分子本身的体积及分子间的相互作用力不能忽略不计时的气体，称为实际气体。
4.热力学用：闭口系统从给定状态可逆地过渡到与环境状态相平衡，对外所作的最大有用功，称为热力学能用。
焓用：工质流从初态可逆过渡到环境状态，单位质量工质焓降可能做出的最大技术功是工质流的焓用。
热量用：当热源温度T高于环境温度T0时，从热源取得热量Q，通过可逆热机可对外界做出的最大功称为热量用。
冷量用：当热源温度T低于环境温度T0时，在可逆条件下，外界消耗的最小功即为冷量用。
5.闭口系统：没有物质穿过边界的系统。
开口系统：有物质流穿过边界的系统。
绝热系统：系统与外界之间没有热量传递的系统。
孤立系统：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统。
6.定压比热容：单位质量的物质，在压力不变的条件下，作单位温度变化时相应的焓的变化。
定容比热容：单位质量的物质，在比体积不变的条件下，作单位温度变化时相应的热力学能的变化。
热力学名词解释
第一章：工程热力学1、热机：是将热能转化成机械能的机器统称为热力发动机，简称热机。
2、闭口系统：与外界无物质交换的系统、3、开口系统：与外界有物质交换的系统。
4、绝热系统：与外界无热量交换的系统。
5、孤立系统：与外界既无能量又无物质交换的系统。
6、平衡状态：在不受外界影响的条件下，工质的状态参数不随时间变化而变化的状态称为平衡状态。
7、热力学第零定律：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于热平衡。
这一结论称做“热力学第零定律。
8、准平衡过程：由一系列连续的平衡态或无限接近平衡状态的点组成的过程称为准平衡过程，也称为准静态过程。
9、弛豫时间：从非平衡状态趋向平衡状态所需的时间不是很长，这段时间叫弛豫时间。
10、可逆过程：。
热力学系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态后，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，即使系统回到原来状态，同时又完全消除原来过程对外界所产生的一切影响，则原来的过程称为可逆过程。
11、耗散效应：对于热和力平衡过程中不存在摩擦，粘性扰动，温差传热等消耗功或潜在做工能力的损失。
第二章热力学第一定律1、热力学能：工程热力学所涉及的热力系统的储存能能主要有2类：一类是取决与热力状态的热力学能。
2、储存能：储存于热力系统的能量称为热力系统的储存能。
3、热力学第一定律：在热能与其他形式的能转换过程中能的总量不变。
4、稳定流动：工质在流动状况不随时间而改变，即任一流通截面上工质的状态不随时间而改变，各流动截面的工质的质量流量相等，且不随时间变化。
5、流动功：工质在热力设备中，必须受外力推动，这种推动工质流动的功叫流动功。
6、技术功:在稳定流动能量方式中。
第三章理想气体的性质与热力过程1、理性气体：分子之间的平均距离非常大，分子的体积与气体的总体积相比可以忽略不计，服务女子之间无作用力，分子之间的碰撞以及分子与容器壁之间的碰撞都是弹性碰撞。
第三讲：热力学基本概念2-平衡态、准静态、几种热力过程
状态公理：对组元一定的闭口系， 独立状态参数个数 N=n+1
工程热力学
状态公理 State postulate l
闭口系： 不平衡势差 状态变化 能量传递 消除一种 达到某一 消除一种能量 不平衡势差 方面平衡 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
p
工程热力学
p外 dl
W = pA dl =pdV 1kg工质 w =pdv
准静态过程的容积变化功
mkg工质：W =pdV 1kg工质：w =pdv
W pdV
1
2
w pdv
1
2
p 1 工程热力学 2
p外
注意： 上式仅适用于 准静态过程
示功图indicator (p-V) diagram g
工程热力学
准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间 （外部作用时间） 外部作用时间
>>
恢复平衡所需时间 （驰豫时间） 驰豫时间
Relaxation time
有足够时间恢复新平衡 准静态过程
工程热力学
准静态过程的工程应用
例：活塞式内燃机 2000转/分 曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程 活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s 压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s 破坏平衡所需时间 （外部作用时间） 外部作
p v R gT
pV mRgT
pV nRT
T K
摩尔质量
2 3 p Pa N/m v m /kg
热力学中的热力学过程与热平衡
热力学中的热力学过程与热平衡热力学是研究物质能量转换和能量传递规律的科学，其中热力学过程和热平衡是重要的概念。
本文将详细介绍热力学中的热力学过程和热平衡的概念及其特性。
一、热力学过程的定义和特征热力学过程是指物质系统中的能量和物质间的能量传递过程，常涉及气体的膨胀、压缩、加热和冷却等过程。
热力学过程可以分为四类：等温过程、绝热过程、等容过程和等压过程。
1. 等温过程：在等温过程中，系统的温度保持不变。
当系统吸收热量时，体积增大；当系统释放热量时，体积减小。
等温过程符合理想气体的状态方程：PV=常数。
2. 绝热过程：在绝热过程中，系统与外界没有热量的交换。
绝热过程中，系统的内能保持不变。
对于理想气体，绝热过程的状态方程为：PV^γ=常数，其中γ为绝热指数。
3. 等容过程：在等容过程中，系统的体积保持不变。
等容过程下，系统对外界做功为零，因为功的计算公式为：W = PΔV，而ΔV=0。
4. 等压过程：在等压过程中，系统的压强保持不变。
等压过程下，系统对外界所做的功为W = PΔV，因为压强不变，故等压过程下做的功与体积变化有关。
二、热平衡的定义和特性热平衡是指处于相互热接触的物体之间不存在热量传递的状态。
在热平衡状态下，物体间的温度保持恒定，并且没有净热流的发生。
1. 热平衡的第一法则：如果两个物体处于热平衡状态，它们的温度必须相等。
这是热平衡的基本特性。
2. 热平衡的第二法则：热量只能从温度较高的物体传递到温度较低的物体，而不能反过来。
这是热平衡的另一个重要特性。
三、热力学过程与热平衡的关系热力学过程和热平衡之间存在密切的联系。
在自然界中，热力学过程常常通过热平衡来实现。
热力学过程是物体内部和外部能量的转化过程，而热平衡则是保持系统内部各部分之间能量平衡的状态。
例如，等温过程中，系统与外界之间通过吸热和放热来保持温度的恒定，从而实现热平衡。
在等容过程中，由于体积不变，系统对外界做功为零，故也可以达到热平衡。
工程热力学名词解释
工程热力学名词解释专题注：参考哈工大的工程热力学和西交大的工程热力学第一章——基本概念1、闭口系统：热力系与外界无物质交换的系统。
2、开口系统：热力系与外界有物质交换的系统。
3、绝热系统：热力系与外界无热量交换的系统。
4、孤立系统：热力系与外界有热量交换的系统。
5、热力平衡状态：热力系在没有外界作用的情况下其宏观性质不随时间变化的状态。
6、准静态过程：如果造成系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态，这样的过程称为准静态过程7、热力循环：热力系从某一状态开始，经历一系列中间状态后，又回复到原来状态。
8、系统储存能：是指热力学能、宏观动能、和重力位能的总和。
9、热力系统：根据所研究问题的需要，把用某种表面包围的特定物质和空间作为具体指定的热力学的研究对象，称之为热力系统。
第二章——热力学第一定律1、热力学第一定律：当热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。
或者，第一类永动机是不可能制成的。
2、焓：可以理解为由于工质流动而携带的、并取决于热力状态参数的能量，即热力学能与推动功的总和。
3、技术功：技术上可资利用的功，是稳定流动系统中系统动能、位能的增量与轴功三项之和4、稳态稳流：稳定流动时指流道中任何位置上的流体的流速及其他状态参数都不随时间而变化流动。
第三章——热力学第二定律1、可逆过程：系统经过一个过程后，如果使热力系沿原过程的路线反向进行并恢复到原状态，将不会给外界留下任何影响。
2、热力学第二定律：克劳修斯表述：不可能把热从低温物体转移到高温物体而不引起其他变化。
开尔文普朗克表述：不可能从单一热源吸热而使之全部转变为功。
3、可用能与不可用能：可以转变为机械功的那部分热能称为可用能，不能转变为机械功的那部分热能称为不可用能。
4、熵流：热力系和外界交换热量而导致的熵的流动量5、熵产：由热力系内部的热产引起的熵的产生。
6、卡诺定理:工作再两个恒温热源（1T 和2T ）之间的循环，不管采用什么工质，如果是可逆的，其热效率均为121T T ，如果不是可逆的，其热效率恒小于121T T 。
第三章 热力学基础
（1）对等温过程，氢气 由1到2’态时环境对系统 所做的功为：
M V2' A' RT ln u V1 5 8.31 293 ln 0.1 2.80 104 J
26
M A CV (T2 T1 ) u 5 5 8.31 (736 293) 2 4 4.60 10 J
i C Pm R R CVm R C Pm CVm R 2
18
由 QV (E )V 及 QP (E ) P A P
当 ( E )V ( E )P , 有 QP QV 所以 C Pm CVm .
P
T2 T1
i 0 1 R C Pm 2 1 2 i CVm i R 2 单原子分子气体： i 3
(3) c→a ,等容升温过程
( )
o
V1
V2
V
A ca
M 0 , Qca Eca CVm T1 T2 7.79 103 J u
( )
Eabca Eab Ebc Eca Ebc Eca 0 Eca Ebc 7.79 10 J
比较 （1）（2）结果得 CVm
i R 2
二、等压过程
V V1 V2 1.过程方程 C或 T T1 T2
P 1
0
2.特点
2
V2 V
17
dP 0 , A PdV P (V2 V1 )
V1 3.应用 M i dE RdT u 2
V2
V1
M i E R(T2 T1 ) u 2
dV=0，dA=PdV=0，或 A=0 。 3. 应用
1
0
《工程热力学》第一章 基本概念
9
1.3.1、基本术语-状态、状态参数
1、状态：工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的宏观 物理状况称状态
2、状态参数：表示状态特征的物理量称为状态参数
状态与状态参数是一一对应的
3、状态参数特点
数学特征为点函数： 微元变化的微增量具全微分性质
4、热力学基本状态参数为三个：比容、压力、 温度
10
1.3.2、基本状态参数--比容及密度
C 1 2 B B A
16
1-4
平衡状态、状态方程式、坐标图
1.4.1 平衡状态与非平衡态 平衡状态：系统在不受外界影响的条件下, 如果宏观热力性质不随时间而变化,系统 内、外同时建立了热平衡、力平衡（及 化学平衡）,此时系统所处状态为平衡态 非平衡态: 系统与外界,系统内部各部分间 存在能量传递及相对位移,状态将随时间 变化,称系统处于非平衡态
受逐渐变化的压力作用下的活塞的移动过程 发生系统状态变化 （力作用）（NEXT）
受变化的恒温热源缓慢加热的活塞系统发生 系统状态变化（热的作用） （NEXT）
26
P3 P2
P1
工质 工 质
工质
受逐渐变化压力作用下的活塞移动过程发生系 统状态变化（P、V、T变化） （力作用）
27
工质
工质
工质
热源T
31
1-6
过程功与热量
1.6.1 功的定义： 1、功的力学定义： 将物体间通过力的作用而传递的能量称为功并 定义：功等于力F与物体在力作用方向上的位移X 的乘积（点积） dW = F ·dX 2、功的热力学定义： 热力学系统和外界通过边界而传递的能量， 其效果可表现为举起重物
区别：功与系统动能、重力位能等“储存能”变化传递 的机械能的本质区别
热力学中的热力学过程与平衡态
热力学中的热力学过程与平衡态热力学是研究能量转化和能量传递规律的科学，其中热力学过程与平衡态是热力学中的重要概念。
本文将介绍热力学过程和平衡态的概念及其在热力学中的重要性。
一、热力学过程热力学过程是指系统从一个状态变化到另一个状态的过程。
根据过程的性质不同，热力学过程可以分为准静态过程、绝热过程和等温过程等。
1. 准静态过程准静态过程是指系统的每个状态变化都接近于平衡态，变化过程十分缓慢。
在准静态过程中，系统内各部分之间的温度、压强、浓度等性质始终保持均匀和一致。
准静态过程可以视为一系列平衡态之间的连续转变。
2. 绝热过程绝热过程是指系统与外界没有热量交换的过程。
在绝热过程中，系统内部的能量只能通过做功或者吸收做功来改变。
绝热过程中，热力学第一定律可以表示为ΔU = Q - W = W，即系统内能的变化等于对外界做功的大小。
3. 等温过程等温过程是指系统与外界保持恒定温度的过程。
在等温过程中，系统从一个状态变化到另一个状态，温度保持不变。
根据理想气体状态方程，等温过程中，气体的压强和体积满足P1V1 = P2V2。
二、平衡态平衡态是指系统各个部分之间达到了动态平衡，没有宏观可观察到的变化。
平衡态分为热平衡、力学平衡、化学平衡等。
1. 热平衡热平衡是指系统内各部分之间达到了相同的温度，并且温度不随时间而变化。
在热平衡状态下，热能没有净传递。
当两个物体处于热平衡状态时，它们之间没有热传递。
2. 力学平衡力学平衡是指系统内各部分的受力之和为零，处于力学平衡的物体不会发生运动。
在力学平衡状态下，物体上的力相互抵消，物体保持静止或匀速直线运动。
3. 化学平衡化学平衡是指化学反应中产物和反应物浓度达到一定比例，反应速率相等，化学反应不再产生净反应。
在化学平衡状态下，反应物和产物之间的反应速率相等，化学反应不再向某一方向改变。
三、热力学过程与平衡态的关系及重要性热力学过程与平衡态密切相关，它们之间存在重要的关系。
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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
可逆过程的实现
准静态过程
+ 无耗散效应 = 可逆过程 通过摩擦使功 变热的效应 (摩阻，电阻， 非弹性变性， 磁阻等）
无不平衡势差 耗散效应 Dissipative effect 不平衡势差
不可逆根源
工程热力学
耗散效应 irreversibility
Frequently encountered irreversibilities
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？
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
工程热力学
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
工程热力学
A process that can reversed 注意 leaving any trace on the without surroundings. That is, both the 可逆过程只是指可能性，并不 system and the surroundings are 是指必须要回到初态的过程。 returned to their initial states at the end of the reverse process.
准静态过程不一定是可逆过程 可逆过程完全理想，以后均用可逆 过程的概念。准静态过程很少用。
工程热力学
判断是否准静态与可逆
蒸汽流经减压阀进入汽轮机 典型的不可逆过程，因有漩涡，产生耗散
是不是准静态，取决于开度
工程热力学
判断是否准静态与可逆（2）
带活塞的气缸中，水被缓慢加热
缓慢加热，每一时 刻水有确定的温度
基本概念
Basic Concepts
工程热力学
平衡状态Equilibrium state
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.
>>
恢复平衡所需时间 （驰豫时间）
Relaxation time
有足够时间恢复新平衡 准静态过程
工程热力学
准静态过程的工程应用
例：活塞式内燃机 2000转/分 曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程 活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s 压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s 破坏平衡所需时间 （外部作用时间）
工程热力学
Many types of Equilibrium
3、相平衡Phase equilibrium : when the mass of each phase reaches an equilibrium level and stays there 4、化学平衡Chemical equilibrium : if its chemical composition does not change with time. That is, no chemical reactions occur.
绝热简单可压缩系统 N = ?
工程热力学
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 )
工程热力学
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
工程热力学
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
工程热力学
破坏平衡
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？
状态公理：对组元一定的闭口系， 独立状态参数个数 N=n+1
工程热力学
功的表达式
功的一般表达式
w Fdx
w Fdx
w pdv
热力学最常见的功 容积变化功
w pdv
工程热力学
其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等
有用功 useful work
1.
W
mkg工质：
W =pdV
.
2
V
p 1 工程热力学 2 p外
1kg工质：
W pdV
1
2
w =pdv
w pdv
1
2
p
准静态容积变化功的说明
1.
w W 1）单位为 [kJ] 或 [kJ/kg]
.
2 V
2） p-V 图上用面积表示 3）功的大小与路径有关， 过程量Path function
工程热力学
Many types of Equilibrium
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
常见的不可逆过程
Heat transfer
T1 Q T2
工程热力学
不等温传热
节流过程 (阀门） Throttler
T1>T2 p1 p1>p2 p2
Frequently encountered irreversibilities
常见的不可逆过程
Unrestrained expansion Mixing process
>>
恢复平衡所需时间 （驰豫时间）
一般的工程过程都可认为是准静态过程 具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”
工程热力学
准静态过程的容积变化功
Moving Boundary Work
以汽缸中mkg工质为系统 初始：pA = p外A +f dl 很小，近似认为 p 不变 如果 p外微小 可视为准静态过程 mkg工质发生容积变 A f 化对外界作的功
2、热力学定义I
热力学定义II
工程热力学
功的热力学定义II
功是系统与外界相互作用的一种方 式，在力的推动下，通过有序运动方 式传递的能量。
Work is an energy interaction between a system and its surroundings, if the energy crossing the boundary of a closed system is not heat, it must be work.
准静态加热
不可逆 可逆
火与水有温差
以水为系统 以水＋活塞为系统
活塞与壁面无摩擦 活塞与壁面有摩擦
工程热力学
可逆 不可逆
判断是否准静态与可逆（3）
电或重物带动搅拌器加热容器中气体 电功 热
机械功
热
耗散
是否准静态，看加热快慢 但不可逆
工程热力学
电或重物
功 量 Work
1、力学定义: 力 在力方向上的位移
工程热力学
平衡状态Equilibrium state
温差 — 热不平衡势 压差 — 力不平衡势 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
工程热力学
自由膨胀
混合过程
• • • • • • • 工程热力学 • •
• •
真空
•
• • • • • • • • • • • • • • • • •
★
★ ★
★ ★ 可逆过程的意义
准静态过程是实际过程的理想化过程， 但并非最优过程，可逆过程是最优过程。 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。 实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按理想情况（可逆过程）处理， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以修正。
4）统一规定：dV>0，膨胀 对外作功（正） dV<0，压缩 外内作功（负） 5）适于准静态下的任何工质（一般为流体） 6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数 7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别
工程热力学
摩擦损失Friction Loss的影响
若有f 存在，就存在损失 系统对外作功W，外界得到的功W ’<W 若外界将得到的功W ’再返还给系统，系 统得到的功W’’<W’ p 1 工程热力学 2 p外
热力学引入准静态（准平衡）过程 quasi-static, or quasi-equilibrium
工程热力学
一般过程 Process
p1 = p0+重物 T1 = T0 突然去掉重物 最终 p2 = p0 T2 = T0
p0
p
1.
.
p，T
工程热力学