1-热力学基本概念
初中物理第一章 热力学第一定律
因此， C p ,m CV ,m
§1－3 单纯 pVT 变化的过程热
三、DU 与 DH 的计算 1、对任意纯物质pVT过程
dU dQV nCV ,m dT
∴
DU QV nCV ,m dT
T1
T2
（
dV = 0，W’ = 0 pVT变化
§1－2 热力学第一定律
一、热力学能 动能 系统的能量 势能
机械能
内能：也称热力学能 用 U 表示，单位为 J 或 kJ 注： U 是状态函数，容量性质，U = f(T, V)；
U 的绝对值不可测，只能求其变化值 DU = U2 – U1；
§1－2 热力学第一定律
二、热力学第一定律 1、文字表述 （1）隔离系统无论经历何种变化，其能量守恒； （2）第一类永动机是不可能制成的。 2、数字表达式
dQ p
§1－3 单纯 pVT 变化的过程热
H m 1 H ( )p ( )p n n T T C U 1 U V ( )V ( m )V n n T T Cp Cp
摩尔恒压热容 Cp, m
摩尔恒容热容 CV, m 质量恒压热容 cp 质量恒容热容 cV
C p ,m
dU dQV （dV = 0，W’ = 0） DU QV
（2）适用条件：dV = 0，W’ = 0
§1－2 热力学第一定律
dU dQV DU QV
注： QV 与途径无关；
（dV = 0，W’ = 0）
意义：QV 为 DU 的计算提供数据。
§1－2 热力学第一定律
2、恒压热 Qp 和焓 （1）恒压热 Qp：恒压且非体积功为零
一、系统与环境
工程热力学-01 基本概念及定义
平衡状态1
p1 v1
p
p2
2
压容图 p-v图
平衡状态2
p1
1
p2 v2
O
v2
v1
v
12
1-4 状态方程式
在平衡状态下，由气态物质组成的系统，只要知道两个独立的 状态参数，系统的状态就完全确定，即所有的状态参数的数值随之 确定。这说明状态参数间存在某种确定的函数关系，状态参数之间 存在着确定的函数关系，这种函数关系就称为热力学函数。
（2）当系统处于热力学平衡状态时，只要没有外界的影响， 系统的状态就不会发生变化。
（3）整个系统可用一组具有确定数值的温度、压力及其他参
? 数来描述其状态。
10
经验表明，确定热力学系统所处平衡状态所需的独立状 态参数的数目，就等于系统和外界间进行能量传递方式的数 目。对于工程上常见的气态物质组成的系统，系统和外界间传递 的能量只限于热量和系统容积变化所作的功两种形式，因此只需 要两个独立的状态参数即可描述一个平衡状态。
3、平衡状态、稳定状态、均匀状态
（1）关于稳定状态与平衡状态
稳定状态时，状态参数虽不随时间改 变，但它是依靠外界影响来维持的。而平 衡状态是不受外界影响时，参数不随时间 变化的状态。
85℃ 20℃
90℃
15℃
铜棒
平衡必稳定，稳定未必平衡。
（2）关于均匀状态与平衡 水
质统称为外界。 通常选取工质作为热力学系统，把高温热源、低温热源
等其他物体取作外界。
3、边界 ——热力学系统和外界之间的分界面称为边界。
边界可以是固定的，也可以是移动的； 边界可以是实际的，也可以是假想的。
3
二、热力学系统的分类 依据——有无物质或能量的交换
热力学基础知识
热力学基础知识热力学是一门研究能量转化与传递的学科，是自然科学的基础。
热力学的概念源于研究热与功之间的相互转化关系，以及能量在物质之间的传递过程。
本文将通过介绍热力学的基本概念、热力学定律和热力学过程，帮助读者了解热力学的基础知识。
1. 热力学的基本概念热力学研究的对象是宏观体系，即指由大量微观粒子组成的物质系统。
热力学通过对体系的宏观性质进行观察和测量，来揭示物质和能量之间的关系。
热力学的基本概念包括系统、热、功、状态函数等。
系统是热力学研究的对象，可以是孤立系统、封闭系统或开放系统。
孤立系统与外界不进行物质和能量交换，封闭系统与外界可以进行能量交换但不进行物质交换，开放系统则可以进行物质和能量的交换。
热是能量的一种传递方式，是由高温物体向低温物体传递的能量。
热的传递方式有导热、对流和辐射。
功是对系统做的物质微观粒子在宏观层面的效果，是由于力的作用而引起物体位移的过程中所做的功。
例如，当一个物体被推动时，根据物体受力和运动方向的关系，可以计算出所做的功。
状态函数是由系统的状态决定的宏观性质，不依赖于热力学过程的路径，只与初态和终态有关。
常见的状态函数有温度、压力、体积等。
2. 热力学定律热力学定律是热力学基础知识的核心内容，揭示了宏观物质之间相互作用的规律。
第一定律：能量守恒定律，能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
热力学第一定律表达了能量的守恒关系，即系统的内能变化等于吸收的热量与做的功的差。
第二定律：热力学第二定律描述了自然界的能量传递过程中不可逆的方向。
它说明热量会自发地从高温物体传递到低温物体，而不会反向传递。
热力学第二定律还提出了热力学箭头的概念，即自然界中某些过程的方向是不可逆的。
第三定律：热力学第三定律说明在绝对零度（0K）下，熵（系统的无序程度）将趋于最低值。
此定律进一步阐述了热力学中的温标和熵的概念。
3. 热力学过程热力学过程描述了系统由一个状态转变为另一个状态的过程。
热力学基本概念
19
第一节 热力学基本概念
• 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。 • 边 界：系统与外界之间的分界面。
边界可以是实在的，也可以是假想的；可 以是固定的，也可以是移动的。
20
第一节 热力学基本概念
系统与边界：
系统
系统
以空间为系统，进、 出口边界均为假想 边 界，系统与外界 有物 质交换
48
第一节 热力学基本概念
容积功
气缸 飞轮
可 逆 过 程 的 容 积 功 在 p — v 图 中 的 表 示
49
热 源
左止点 右止点
p
1
2
w pdv
1
2
v
第一节 热力学基本概念
p 1 可 逆 过 程 的 容 积 功 在 p — v 图 中 的 表 示
50
2
w
2
1
pdv
v
*强调：1. p v 图上曲线下面的面积代表容积功
26
第一节 热力学基本概念
热力平衡状态满足： 热平衡：组成热力系统的各部分之间没有热量的 传递。 力平衡：组成热力系统的各部分之间没有相对位 移。 自然界的物质实际上都处于非平衡状态， 平衡只是一种极限的理想状态。工程热力学通 常只研究平衡状态。
27
第一节 热力学基本概念
1.3 基本状态参数
一. 温度
燃烧室
废 气
燃料泵
压 气 机 空 气
燃 料
燃 气 轮 机
17
第一节 热力学基本概念
压缩制冷装置系统简图
18
第一节 热力学基本概念
1.1 工质及热力系 • 工 质：实现热能和机械能相互转化的媒介 物质。 • 热源（高温热源） ：工质从中吸取热能的 物系。 • 冷源（低温热源） ：接受工质放出热能的 物系。 为了研究问题方便，热力学中常把分析 对象从周围物体中分割出来，研究它与周围 物体之间的能量和物质的传递。
热力学知识：热力学中热力学的基本概念和热力学的法则
热力学知识：热力学中热力学的基本概念和热力学的法则热力学是研究热和能量转移的学科，应用广泛，涉及到机械工程、化学工程、环境科学、生物学等领域。
本文将从热力学的基本概念和热力学的法则两个方面进行解析。
一、热力学的基本概念1.热：是物质内部分子的运动状态的表现，是能量的形式之一。
2.温度：是物质内部分子运动状态的一种量化描述，是热的量度单位。
3.热量：是在物体之间传递的能量。
4.功：是物体克服外部阻力所做的能量转移工作。
5.内能：物体中分子的运动状态的总和，包括分子的动能和势能。
6.热力学第一定律：能量守恒定律，能量在系统内可以相互转化，但总能量不变。
7.热力学第二定律：热量只能从高温物体向低温物体传递，不可能实现温度无限制提高或降低的过程。
同时，系统中的熵量增加，在孤立系统中不可逆过程的熵增加定律，表明自然界趋向于混沌无序的趋势。
二、热力学的法则1.热力学第一定律热力学第一定律又称为能量守恒定律，表明在任何物理或化学变化中，能量都必须得到守恒。
能够实现一个系统的内部能量的增加或减少，但能量不会被消失或产生。
因此，热力学第一定律是所有热力学问题的基础。
2.热力学第二定律热力学第二定律又称为热力学不可能定律，是热力学领域最基本的性质之一。
这个定律表明，热会自然地从高温物体流向低温物体，而不会自然地从低温物体流向高温物体。
这就是为什么人们需要用加热器加热房间，在使用机器的内部需要用冷却器来降温的原因。
这个定律还表明，任何热量转换为功的过程都是不完美的，因为它们都会产生一些热量。
3.熵增定律热力学第二定律中提出的熵增定律是热力学的基本法则之一。
熵是一种物理量，表示系统的混乱程度。
热力学第二定律表明，系统内的熵总是增加，系统始终趋向于混沌无序。
例如，一杯水细心地倒入一匀净的玻璃杯中，水会保持有序结构，但是把水撒到桌子上，水会漫无目的地散云化开来，这就是熵增的过程。
总之，热力学是一个研究热和能量转移的学科，这些热力学的基本概念和热力学的法则是全球科学研究和工业实践的基础。
大一热工学基础知识点总结
大一热工学基础知识点总结热工学是工程热力学的一部分，研究热能与机械能之间的转化关系以及热力系统的性质和运行规律。
在大一的学习中，我们学习了一些热工学的基础知识点，下面将对这些知识点进行总结。
一、热力学基本概念1. 系统与环境：热力学中，我们研究的对象称为系统，而系统外部的一切都称为环境。
2. 状态和过程：系统在某一时刻的特定条件下所具有的性质称为系统的状态，而系统从一个状态变化到另一个状态的过程称为过程。
3. 热平衡与热力学平衡：系统与环境之间无热交换和无功交换的状态称为热平衡，而系统内各部分之间无微观流动和无宏观运动等变化的状态称为热力学平衡。
二、热力学定律1. 第一法则（能量守恒定律）：能量不会凭空消失或产生，只能从一种形式转化为另一种形式，即能量的输入和输出必须平衡。
2. 第二法则（热力学第一定律）：能量自发流动的方向是从高温物体向低温物体，不可逆过程中总是有熵增加。
三、气体状态方程1. 理想气体状态方程：PV = nRT，其中P为气体压力，V为体积，n为物质的摩尔数，R为气体常数，T为温度。
2. van der Waals方程：(P + a/V^2)(V - b) = nRT，修正了理想气体状态方程对实际气体性质的不足。
四、热力学循环1. 卡诺循环：由两个等温过程和两个绝热过程组成的循环，是一个完全可逆的循环。
2. 热机效率：热机的等效传热效率为η = (Q1 - Q2) / Q1，其中Q1为热量输入，Q2为热量输出。
3. 逆卡诺循环：是卡诺循环的逆过程，用来冷却物体。
4. 热泵效率：热泵的等效传热效率为η = Q1 / (Q1 - Q2)，其中Q1为热量输入，Q2为热量输出。
五、热力学性质1. 焓：在常压下，单位质量物质的焓称为比焓，表示为h。
比焓可以用来计算物质的热量变化。
2. 熵：熵是一个系统的无序程度的度量，表示为S。
熵增加代表系统向着混乱状态发展。
3. 压力、体积、温度、比容、比熵等物理量之间的关系可以通过热力学过程和状态方程得到。
物理化学1.1-热力学基本概念
●在确定条件下，变化是自发还是非自发？变化的 限度？从确定的自发变化可以获得多少功？要实现 确定的非自发变化，必须注入多少功？
三峡大坝 发电机组
化学电池 化学激光 ……
农田灌溉
电解反应 光化学反应 ……
§1.1 热力学基本概念
1.系统和环境
系统（system） ——热力学研究的对象，包括指定的物质和空间。
非均相系统（多相系统）
（heterogeneous system）
CaCO3 (s) ＝CaO(s)＋CO2(g) NH4HCO3 (s) = NH3(g) + H2O(g) + CO2(g)
相变（phase transformation）
——物质从一种聚集形态转变为另一种聚集形态。
气体
液化
升华
√
封闭系统(Closed system) ×
√
隔离系统(Isolated system) ×
×
2.描述系统状态的热力学函数
抽开插板
n,p,V,T
n, p,V,T
Sy(I)
Sy(II)
强度性质函数（intensive properties） 数值大小与系统中所含物质的量无关， 无加和性（如 p，T）；
p、V、T 变化过程 相变化过程 化学变化过程
典型p、V、T变化过程
① 定温过程：T1=T2=Tsu ② 定压过程： p1= p2= psu ③ 定容过程： V1=V2 ④ 绝热过程： Q = 0 ⑤ 对抗恒外压过程：psu=常数（包括0）
p1,T1 psu
⑥ 循环过程 ：系统的始态和终态为同一状态。
1、苯的正常沸点为80.1 ℃。你知道苯在80.1 ℃ 的饱和蒸汽压吗？
第01章-热力学基本定律1-资料
[例题]:
在等压下，一定量理想气体B由10 dm3膨胀到16 dm3，并吸热700J，求W与ΔU ? 解： 初态，p 10 dm3 等 压 过 Q 程 7 0J， 0终态， p 16 dm3
Wp(V2V 1)[10136215 03]J60J8
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3. 准静态过程
定义：在过程进行中的任何时刻系统都处于平衡态 的过程。
4. 可逆过程
定义：由一系列非常接近于平衡的状态所组成 的，中间每一步都可以向相反的方向进行而不在环 境中任何痕迹的过程称为可逆过程。
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特点： ①可逆过程是由一系列非常接近于平衡的状态所 组成. ②过程中的任何一个中间态都可以从正、逆两个方 向到达。 ③经历可逆过程后，当系统复原时，环境也完全 复原而没有留下任何影响和痕迹。
1. 热力学第一定律表述： 热力学第一定律即能量守恒与转化定律：自然界 的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式， 能够从一种形式转化为另一种形式，在转化中， 能量的总值保持不变。 经验表述：第一类永动机是造不成的。
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2. 热力学第一定律的数学表达式
ΔU = Q + W 对一微小表化，
例题：教材第10页
在298.15K 下1mol C2H6 完全燃烧时，过程所 作的功是多少（反应系统中的气体视为理想气 体）?
解： C2H6 (g) + 3.5O2 (g) = 2CO2 (g) + 3H2O (l)
WRT B(g)= [- (2 - 3.5 - 1)×8.314×298.15]J
欢迎
第一章 热力学基本定律
1.1 热力学基本概念 1.2 热力学第一定律 与内能、焓、功、热 1.3 气体系统典型过程分析 与可逆过程、热机效率 1.4 热力学第二定律与熵、熵判据 1.5 熵变的计算与应用：典型可逆过程和可逆途径的设计 1.6 自由能函数与自由能判据:普遍规律与具体条件的结合 1.7 封闭系统热力学函数间的关系:4个基本方程 1.8 自由能函数改变值的计算及应用:可逆途径的设计
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二、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。
对于简单可压缩系统,状态说方明程:：
v f (T, p) 或 1f (）T,系p,v统) 任0何平衡态可
三、状态参数坐标图
表示在坐标图上
p
2）过T 程线中任意一点
p1
1
为平衡态
T2
2
v1 v
s2 s48
1-5 工质的状态变化工程
39
表压力pe、真空度pv 、大气压力pb和绝对压力p之间的关系
U形管式压力计示意图
pb
pb
U形管式压力计示意图
p
p pb
p pb pe
p
pe 表压
p pb
p pb pv
pv 真空度
40
3.温度
１）热力学第零定律 与第三个系统处于热平衡的系统， 彼此也处于热平衡。
２）温度 将描述热平衡的这一宏观特性的物理量，称为温度。
单相
相态
多相
17
简单可压缩系统
Simple compressible system
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
压缩功 膨胀功
18
热力系示例Ⅰ
➢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 ——闭口系
黄线内包含电热丝 ——闭口绝热系
破坏平衡的势— p, 无T穷小
过程进行无限缓慢 工质有恢复平衡的能力
准静态过程可在状态参数图上用连续实线表示
实际过程都是不平衡的。
52
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？
53
准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间
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
13
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
14
1.闭口系—与外界无物质交换的热力系，控制质量。 2.开口系—与外界有物质交换的热力系,控制体积。 3.绝热系—与外界无热量交换的热力系。 4.孤立系—与外界无任何联系的热力系。
25
炉墙 蒸发管 燃料与空气
去汽轮机
开
过热器
口
热
力
来自水泵
系
（锅炉示意图）
26
锅炉的简化热力学分析模型
(主要考虑蒸汽的发生)
热量 （热源）
物质 (锅炉给水)
热力系
物质
(高温蒸汽)
27
开口热力系 汽 轮机示意图
开口热力系 汽轮机
来自锅炉
喷管 叶片 汽轮机
调速器
发电机
去凝汽器
28
汽轮机的简化热力学分析模型
56
可逆过程与准静态过程的关系
（1）热量传递
非准静态 不可逆 准静态 可逆
57
（2）热能 机械能
F
P
α
f
pA F cos f 非准静态过程—nonequilibrium process
pA F cos f 准静态过程，不可逆
pA F cos ( f 0) 准静态过程，可逆
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 quasi-static, or quasi-equilibrium
49
1-5 工质的状态变化过程
p1 = p0+重物 T1 = T0
p0 p0
突然去掉重物 最终 p2 = p0
T2 = T0
p
1
2 1
2
v
50
一、准静态过程(准平衡过程)
第一章 基本概念
教学目标: 使学生熟练掌握热力学研究的基本概念。 知识点：热力系统；工质热力状态及基本状态参数；平衡状
态；准静态过程、可逆过程；热力循环。
重 点：三种典型的热力系统；p、v、T三个状态参数的物理
意义；测温测压装置；绝对压力和相对压力的计算；可逆过程 的判定准则。
难 点：使学生理解并掌握抽象的热力学基本概念，是本章
蒸汽动力装置流程简图
过 热 器
Q 1
550℃
汽
高温高压蒸汽 轮 机
锅 炉
给水泵
W p
发电机 W
Q 2 冷 却 20℃ 水
冷凝器
8
锅炉
水泵
汽轮机 冷凝器
简单蒸汽动力循环过程图
问题: 由哪些典型过程组成?
锅 炉(热源):燃料燃烧产生 热量,将水变成蒸汽 (吸热过程) 汽轮机:将蒸汽携带的热能 →动能→转子旋转机械能 (对外作功过程) 冷凝器(冷源):将作功后的 低温低压蒸汽凝结成水 (对外放热过程) 水 泵:提高水的压力,将水 送入锅炉 (消耗外功)
向系统输入功 （水泵耗功）
热力系
冷却水带走热量 （工质放热量）
向外输出功 （汽轮机）
33
1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数
一、热力学状态 定义:工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的全部宏
观物理状况。
二、状态参数
描述工质宏观特性的物理量称为状态参数。 １.状态参数的特征 ①状态确定，则状态参数确定；反之亦然。
３）温标 为进行温度测量，需要有温度的数值表示方法，测量温 度的标尺称为温标。
建立任何一种温标都要选择测温物质及其物质的特性、规定温 标的基准点及分度方法。
41
常用的温标
①摄氏温标 t ℃
常用的温标
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
37
四、基本状态参数
１.比容、密度和重度
① 比容 单位质量物质所占有的容积，称为比容。
表达式
vV m
m3/kg
② 密度 单位容积的物质所具有的质量，称为密度。
表达式
m
V
kg/m3
③ 重度 单位容积内所含有物质的重量，称为重度。
表达式 G mg
VV
N /m3
38
2. 压力 热力系的单位面积上所受到的垂直作用力。
p1 = p0+重物 T1 = T0
假如气阀打开无穷小 系统随时接近于平衡态
p
1
2 2
1
2
v 51
准静态过程:若过程进行得很缓慢,工质在平 衡被破坏后自动回复平衡所需要的时间(即所谓 的弛豫时间)又短,工质有足够的时间来恢复平 衡,随时都不致于显著偏离平衡状态,这样的过 程称为准静态过程。
进行条件：
自由膨胀
混合过程
Unrestrained expansion Mixing process
•• •
① 基本状态参数 能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称为┄。 如 ：温度、压力、比容
② 导出状态参数 不能用仪器仪表直接或间接测量的参数称为┄。 如：热力学（内能）、焓、熵。
36
２）按与系统内包含物质多少有无关系划分 ①强度参数——与系统内包含物质的多少无关。
如：温度、压力、比容、比热力学能、比焓、比熵等。 ②广延参数——与系统内包含物质的多少有关。 如：总热力学能、总焓、总熵等。
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
54
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）
热 闭口热力系 功
物质
物质 开口热力系 功
热
功
物质 绝热热力系
物质
孤立热力系
15
热力系统
1
m
Q W
4
1 开口系
2
1+2 闭口系
1+2+3 绝热闭口系
1+2+3+4 孤立系
3
非孤立系＋相关外界
＝孤立系
16
热力系统其它分类方式
其它分类方式
物理化学性质
均匀系 非均匀系
工质种类
单元系 多元系
的。0℃与100℃这两个基准点之间分成100等分,
每一等分为1度。
②热力学温标ＴＫ
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
42
绝对K
373.15
273.16 273.15
常用温标
摄氏℃
物质 （水蒸汽）
热力系
物质 （水蒸汽）
轴功
29
开口热力系（冷凝器）
冷却水
来自汽轮机的水蒸汽
冷却水
去水泵的凝结水
30
冷凝器的简化热力学分析模型
(主要考虑蒸汽的凝结)
物质 （水蒸汽）
热力系
物质 (凝结水）
蒸汽放热给冷却水
31
蒸汽动力装置流程简图
32
蒸汽动力装置的简化 热力学分析模型
热源供热 （工质吸热量）
的难点。
1
1-1 热能在热机中转变为机 械能的过程