工程热力学基本概念

平衡的中间态过渡到另一个平衡态 突然去掉重物 每次只去掉无限薄一层
p0
p0
p0
p
p
p p
p
p 1.
1.
1.
.
.
v
2
.
2 v
.
2
v
实现准平衡过程的条件： 热力系与外界势差（温差、压差等）无限小。 准平衡过程又称准静态过程、内平衡过程。 准平衡过程在坐标图上可用连续曲线表示。
非准态过程在坐标图上 可用一虚线来示意，但虚线 上各点不表示系统的实际状 态点。
I. 非平衡过程 II. 有摩擦的准静态过程
III. 可逆过程

实现可逆过程的条件： 1）准静态过程 2）无耗散效应
实际过程都是 不可逆过程 不平衡势差无限小
问题： 准平衡过程与可逆过程的区别和联系：
准平衡过程只要求系统内部平衡，不排斥耗 散效应。 可逆过程不仅要求系统内部平衡，而且要求 工质和外界可以无条件地逆复，过程进行时不存 在任何能量耗散。 可逆过程必是准平衡过程。准平衡过程只是 可逆过程的必要条件之一。 无任何耗散效应的准静态过程是可逆过程， 反之亦然。
1 kPa = 103 Pa 1 MPa = 106 Pa
标准大气压（atm , 1atm=101325 Pa）
巴（bar,1bar=105Pa）
工程单位： 工程大气压（at） 毫米汞柱（mmHg) 毫米水柱（mmH2O) 单位变换 参见表1-1
压力计测压元 件处于某种环 境压力作用下， 因此测得的压 力是真实压力 与环境压力之 差。 绝对压力p ——工质的真实压力 表压力pe —— pe= p - pb (p > pb) 真空度pv
两过程初、终态 相同，但中间途 径不同，因而膨 胀功不同。
二、过程热量
热力系统与外界之间由于温度 不同而通过边界传递的能量。
对m kg工质，单位：J，kJ。 用 Q 表示。 对1 kg工质，单位：J/kg，kJ/kg。 用 q 表示。 规定：热力系吸热为正，放热为负。 可逆过程热量计算：
符号：T 单位：K (开尔文) （又称：绝对温标、 规定水的三相点温度为273.16K 开尔文温标）
其他温标，参见习题1-1、1-2
二、压力
F 压力（压强）：单位面积上所受的垂直作用力 p A
压力计：测量工质压力的仪器。 常见的有U型管压力计和弹簧管压力计。
国际单位： 帕斯卡(帕) Pa 1 Pa=1N/m2
摩擦生热
p0 F
G p p = p0+F+G
二、可逆过程和不可逆过程
准平衡过程着眼于系统内部平衡，不排斥耗散效应。 引入一个更 彻底的理想 化过程
可逆过程
可逆过程的特征： 如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径 逆向运行时，能使系统和外界都返回到原来的状态， 而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程，否 则为不可逆过程。
解： p p
I
g ,C
pb 110 97 207kPa
pI pg , B pII
pII pI pg ,B 207 75 132kPa
pII pg , A pb
pg , A pII pb 132 97 35 kPa
思考判断题
1、如果容器中气体的压力保持不变，那么压力表 的读数一定也保持不变。 2、作为工质状态参数的应是绝对压力，还是表压 力（或真空度）？
——
p v= p b - p ( p < p b)
pe p pb pv p
当p pb时, p pb pe 当p pb时, p pb pv
例
某容器被一刚性壁分成两部分，在容器的不同部 位安装有压力计，如图所示，设大气压力为97kPa。
若压力表B、C的读数分别为 75kPa、0.11MPa，确定表A的读数 及两部分气体的绝对压力。
思考题
有人说，不可逆过程是热力系无法恢 复到初始状态的过程，这种说法对吗？ 为什么？ X
1-5 过程功和热量
功：力和力方向上位移的乘积。 一、准静态过程功
m kg 工质: W=
W Fdx
2 1
W12 Fdx
A pA dx =pdV
2
W pdV
1
p
p外
1 kg 工质: w =pdv
第一章 基本概念
1-1 热力系统
1-2 工质的热力学状态及基本状态参数
1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图
1-4 准静态过程和可逆过程
1-5 过程功和热量
1-6 热力循环
1-1
热力系统
人为分割出来作为热力学 分析对象的有限物质系统 热力系统以外的部分 系统与外界之间的分界面
热力系统 （热力系）
外界 界面（边界）
物质交换 能量交换
根据热力系与外界的相 互作用，热力系分为：
热量交换 功量交换
闭口系——和外界无物质交换（控制质量）
开口系——和外界有物质交换（控制容积、控制体） 绝热系——和外界无热量交换 孤立系——和外界无任何相互作用
例
m W 4
Q
1 开口系 1+2 闭口系 1+2+3 绝热闭口系 1+2+3+4 孤立系
由可压缩流体构成
与外界交换的能量 只有热量和准静态容 积变化功
T、p、v、u、h、s两两相互独立
例如，以压力和温度为独立变化的状态参数时，
u f1 p, T s f 3 p, T
v f ( p, T )
h f 2 p, T
状态方程：三个可直 接测量的基本状态参 数间的关系
w pdv
1
2
体积变化功：通过工质体 积变化而和外界交换的功 包括膨胀功和压缩功
准静态过程功可用p-V图中 曲线下的面积表示。
p
1.
示功图 W
W
功为过程量，因其不仅与初终 态相关，且与过程相关。 过程量的微元用表示，状态 量的微元用d表示。积分后结果 不同。 w 1 pdv 仅适用于准静态 过程（包括可逆过程），非准静态 过程不可用，虚线下面积亦非功。
思考题
1、温度高的物体比温度低的物体具有更多的 热量，这种说法对吗？
2、热量是指储存于物体内部的热能量。
X
X
3、温度、压力、体积、膨胀功、热量中，哪 些是状态量，哪些是过程量？
判断对错
1、某过程可在p-v图中用实线表示，则必为准静态过程
√
2、某过程可在p-v图中用实线表示，则必为可逆过程。 X
3、某过程如图所示，则曲线
1
2
3
非孤立系＋ 相关外界 ＝孤立系
判断题
1、系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系。 2、孤立系一定是绝热闭口系。 3、绝热闭口系一定是孤立系。
X √ X
1-2 工质的热力学状态及基本状态参数
状态：工质某一瞬间所呈现的宏观物理状况
状态参数：描述工质所处状态的宏观物理量
热力学中常用的6个状态参数：
系统与外界 通过边界进 行相互作用
热力系的选取主要决定于研究任务 。 选取热力系时注意： 热力系可以很大，但不能大到无限。
热力系可以很小，但不能小到只包含少量分子， 以致不能遵守统计平均规律。 边界可以是实际存在的， 也可以是假想的。 边界可以是固定的， 也可以是变动的。
系统与外界通过边界进行相互作用。
.2
dV p V

2
1.
.2
V
规定：热力系对外做功为正，外界对热力系 做功为负。
功的单位 ：J, kJ ; 比功的单位： J/kg, kJ/kg
闭口系工质膨胀作出的功，一部分因摩擦而耗散， 一部用以反抗大气压力作功，余下的才是可被利用的 功，称为有用功。
Wu W Wr Wl
q Tds
q12 Tds
1 2
可逆过程热量可用T-s图 中曲线下面积表示。
热量为过程量，因其不 仅与初终态相关，且与过 程相关。
o 功和热量是过程量。只有在能量传递或转换 过程中才有功和热量。 o 说物系在某状态下有多少功或多少热量是 无意义的、错误的。
区分：过程量和状态量。
1 1, a , 2
2
dx

1,b , 2

2
1
dx x2 x1
dx 0
状态参数的循环 积分等于零。
状态参数都有以上特性。 反之，有以上特性之一， 即为状态参数。
1-3 平衡状态、状态方程式、坐标图
一、平衡状态 热力系在没有外界作用的情况下（重力场除 外），宏观性质不随时间变化的状态。
p
1.
下面积表示膨胀功。
X
2 .
V p
4、工质经历一不可逆过程后不能回到原状态。 X
5、可逆过程肯定是准静态过程。 √
. 1
b
6、如右图所示，有
w1a 2 w1b2 , T1a 2 T1b2
X
a
.
2 v
1-6 热力循环
要实现连续作功，必须构成循环。 热力循环：热力系经过一系列变化回到初态，这一系 列变化过程称为热力循环。 循环分类： 根据过程是否可逆： 可逆循环： 热力循环全部由可 逆过程组成 热力循环全部 或部分由不可 逆过程组成 锅 炉 汽轮机 发电机 凝 汽 器
F（p, v, T）= 0
三、状态参数坐标图 简单可压缩系统的平 衡（均匀）状态可用 两个相互独立的状态 参数来确定
由任意两个相互独立的 状态参数构成的平面坐 标系中的任意一点相应 于热力系的某一平衡 （均匀）状态
坐标图上一点代表一平衡状态
不平衡态无法在坐标图上表示
热力学中常用：