热力学基本状态参数
工程热力学热力学基础知识
热 源
Q1
热 机
Q2
W0
冷 源
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二、热力系
1.热力系定义：
热力系：人为划分的热力学研究对象。
（简称系统）
外界：系统外与之相关的一切其他物质。
边界：系统与外界的分界面。
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2.热力系分类：
根据系统与外界之间的质量和能量交换情况分
按系统与外界的物质交换情况分：
1）闭口系：与外界无质量交换（控制质量） 2）开口系：与外界有质量交换（控制容积）
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2.热量的符号与单位 热量：用Q表示，国际单位制中，热量 的单位是焦（耳），用J表示。工程上常 用千焦（kJ）表示， 1kJ=1000J 比热量：1kg气体与外界交换的热量，用 q表示，单位为J/kg。（q=Q/m）
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3. 热量的计算 既然可逆过程中体积的变化是作功的标志， 那么在可逆传热过程中也应该存在某一状态 参数可用来作为热量传递的标志。我们就定 义这个新的状态参数为“熵”,以符号S表示， 而且这个参数具有下列性质： 熵的定义式：微元可逆过程中，dS=Q/T，单 位：kJ/k或J/k 比熵：s=S/m, 则ds=q/T，单位：kJ/（kg.k） 或J/（kg.k）
对于简单可压缩系统（指由气态工质组成，与外界 只有热和功交换的热力系），只需两个独立的状态 参数，便可确定它的平衡状态（由状态定理）。 例如：在工质的基本状态参数 p、v、T中，只要其 中任意两个确定，另一个也随之确定，如p=f(v,T)， 表示成隐函数形式为：f(p,v,T)=0。
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3、参数坐标图
火电厂为什么采用水蒸气作为工质？
3
3.高温热源：不断向工质提供热能的物体（热
源）。如电厂锅炉中的高温烟气。
第四章热力学参数状态图详解
相连，所连直线与 G=A+BT/K线相交，交点温度即为还原温度。
(3)在给定温度及CO/CO2比值条件下，判断气氛对金属的性质 方法是：先求出指定温度下的平衡CO/CO2比，然后将指定的CO/CO2 比值与CO/CO2的平衡值相比较，若前者大于后者，则气氛对金属讲是还 原性的，即发生金属氧化物被CO还原的反应，反之发生金属被CO2氧化的 反应。
4.2 理查森(Richardson)-杰弗斯(Jeffes)图
1. 自由能标尺： (1)直线的斜率
表明图中直线的斜率即为氧化物的 标准熵变。当反应物质发生相变时，直 线斜率也发生变化，表现在直线中出现 拐点。 (2)直线的位置
不同元素的氧化物标准吉布斯自由 能变化与T的关系构成位置高低不同的 直线，由此可得出：
碳热还原法是利用碳还原金属氧化物制取纯 金属的一种方法。在工艺过程中，金属易与 碳生成碳化物，且在一定范围内，生成的CO 可 按 布 氏 （ Boudouard ） 反 应 进 行 分 解 ， 即 2CO = C(S) +CO2，从而使还原反应变得复杂 化。若将各还原反应的反应吉布斯自由能的 变化对T的关系绘制成图，则可直观地看出还 原反应的顺序，并可以从图上直接读出各反 应进行的温度及压力条件。
E—pH图分析 (1) 水的稳定性
右图为 Fe—H2O系E—pH图，图中，a线以下， 电位比氢的电位值负，发生H2的析出，表明水不稳 定。a线以上，电位比H2的电位正，发生氢的氧化， 水是稳定的。同理b线以上析出O2，水不稳定，b线 以下，氧还原为OH－，水是稳定的。 (2) 图中点、线、面的意义
第二章热力学状态图
2.1.4 Jeffes图－PCO/PCO2标尺 PCO/PCO2标尺图的画法：
为了更方便地使用氧势图判断氧化物被CO还原的情况， Jeffesz在氧势图上增加了PCO/PCO2标尺
2CO O2 (101325 Pa) 2CO2
△Go=-58150+167.78T
p CO2 1 DG RT ln 2 RT ln p O2 2 RT ln p CO2 p CO 2 p O2
直线的位臵
（2）在同一温度下，若几种元素同时与氧相遇，则位臵 低的元素最先氧化。如1673K时，元素Si、Mn、Ca、Al、 Mg同时与氧相遇时，最先氧化的是金属Ca, 然后依次为Mg、 Al、Si、Mn。 ——注意：先氧化是指同样条件，氧化所需的最低氧分压低 （3）位臵低的元素在标准状态下可以将位臵高的氧化物还 原。如1600℃时，Mg可以还原SiO2得到液态硅。
(2) 单元相图的基本类型与特点 对于单元系，C=1；则有：
F 3 P
单相体系：P=1，F=2，自由度为2 两相共存体系：P=2，F=1，自由度为1 三相共存体系：P=3，F=1，自由度为0
O点称为三相点，现在 国际单位规定水的三相 点温度为273.16K， 通常我们说的水的冰点 温度0 0C（ 273.15K）
相图：将一定压力下，温度与组成的关系图，称为相图。
2.1 埃林汉姆（Ellingham）图及其应用
2.1.1 氧势图的形成原理；
2.1.2 氧势图的热力学特征；（特殊的线；直
线斜率；直线位臵）
2.1.3 氧势图的应用（氧气标尺；Jeffes图学
生自学）
2.1 埃林汉姆（Ellingham）图及其应用 2.1.1 氧势图的形成原理
热力学中的基本状态参数有
热力学中的基本状态参数有
热力学中的基本状态参数有温度、压强、体积、内能、焓、熵等。
温度是物体内部微观粒子的平均动能，是衡量物体热量高低的指标。
压强是单位面积受到的力的大小，描述了物体对外部施加的压力。
体积是物体占据的空间大小。
内能是物体内部微观粒子的总能量，包括微观粒子的动能和势能。
焓是表示物体在常压下进行等压过程的能量，等于物体内能减去对外界所做的功。
熵是表示物体的无序程度，是描述物体热力学过程中热等效性的重要参量。
这些基本状态参数在热力学中有着重要的应用和意义，可用于描述物体的热力学状态和进行热力学计算。
- 1 -。
工程热力学第一章
（3）好处：用系统的参数来计算；可以作 好处：用系统的参数来计算； 为实际过程中能量转换效果比较的标准和极 限；可把实际过程当作可逆过程进行分析计 然后再用经验系数加以修正。 算，然后再用经验系数加以修正。 （4）热量和功量 热量和功量都是过程量， 热量和功量都是过程量，它们的大小不仅与 过程的初终状态有关， 过程的初终状态有关，而且与过程的性质有 关。 可逆过程的功量： 可逆过程的功量： w = ∫ pdv 可逆过程的热量： 可逆过程的热量： q = ∫ Tds
C B A
课后题1 课后题1-5；1-6；1-9
（c）系统内部状态参数不随时间而变化 （d）系统内部状态不发生改变 2.均质等截面杆的两端的温度由分别维持 2.均质等截面杆的两端的温度由分别维持 t1 t2的两热源保持 t1 t2 不变，取此杆为系统， 不变，取此杆为系统， 则系统处于（ 则系统处于（B）。 平衡状态， （a）平衡状态，因其各截面温度不随时间改 变 非平衡状态， （b）非平衡状态，因其各截面温度不等 平衡状态， （c）平衡状态，因其各截面温度不随时间改 变，且流入系统的热量等于流出系统的热量 非平衡状态， （d）非平衡状态，因其处于重力场
4.基本状态参数：温度、压力、 4.基本状态参数：温度、压力、比体积 基本状态参数 温度： （1）温度：是热平衡的惟一判据
t = T − 273.15
（2）压力Βιβλιοθήκη p = B + pg
p = B−H
（3）比体积 二、平衡状态、状态公理及状态方程 平衡状态、 1.定义 是指在没有外界作用的情况下， 定义： 1.定义：是指在没有外界作用的情况下， 系统的宏观性质不随时间变化的状态。 系统的宏观性质不随时间变化的状态。 2.实现平衡的条件： 2.实现平衡的条件：系统内部及系统与外界 实现平衡的条件 之间各种不平衡势差消失
工程热力学_理论篇1
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发电量： 电力装机总量在9亿千瓦上
电力结构：火电78% ，水电20% ，核电1.2%
燃煤：SO2，粉尘，CO2 ；污染环境 建筑能耗：约占社会终端能耗的20.7%
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第一章 基本概念及定义
本章基本要求
深刻理解热力系统、外界、热力平衡状态、准静态过程、可逆过 程、热力循环的概念，掌握温度、压力、比容的物理意义，掌握
过程无耗散效应(如机械摩擦、工质内摩擦等)。
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。 无耗散的准静态过程就是可逆过程。可逆过程是不引起任何热力
学损失的理想过程，是一切实际过程的理想极限。工程热力学就
是借助数学工具分析理想循环(过程)能量转换规律→分析实际循 环(过程)。
1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数
状态是指热力系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况。也可 以表述为某一瞬间热力系所呈现的宏观状况。
第一章 基本概念及定义
状态参数指描述工质状态特性的各种状态的宏观物理量。如温度
(T)、压力(p)、比体积(υ)或密度(ρ)、内能(u)、焓(h)、熵(s)、自由 能(f)、自由焓(g)等，体积并不是状态参数。
恒温热源(constant heat reservoir)和变温热源。 1.2 热力系统
系统hermodynamic system(system)是指用界面从周围环境中分割出
来的研究对象(空间内物体总和)。 外界surrounding指与系统相互作用的环境。
界面boundary指假想的、实际的、固定的、运动的、变形的。
压力指垂直作用于器壁单位面积上的力，也称压强，p=F/f。微观
上，分子热运动产生的垂直作用于容器壁上单位面积的力。 p=(2n/3)mc2/2=2nBT/3
热力学参数状态图
相图：将一定压力下，温度与组成的关系图，称为相图。
第二章 热力学参数状态图
2.1 埃林汉姆（Ellingham）图及其应用 2.1.1 氧势图的形成原理；
2.1.2 氧势图的热力学特征；（特殊的线；直
线斜率；直线位臵）
2.1.3 氧势图的应用（氧气标尺；Jeffes图学
生自学）
2.1 埃林汉姆（Ellingham）图及其应用 2.1.1 氧势图的形成原理
2.1.3 氧势 图的应用－ 氧气标尺
1、Po2标尺的画法
设1mol O2从1标准大压等温膨胀到压力为Po2
O2 (101325 ) O2 ( P Po2 ) Pa
D rG 0
θ
Po2 / P D r G D r G RT ln( ) 101325 / P Pa RT ln(Po2 / P ) [ R ln(Po2 / P )] T
为了直观地分析和考虑各种元素与氧的亲和能力，了解不同 元素之间的氧化和还原关系，比较各种氧化物的稳定顺序， 埃林汉曾将氧化物的标准生成吉布斯自由能数值折合成元素 与1mol氧气反应的标准吉布斯自由能变化即，将反应：
2x 2 M 2＋O 2＝ M xO y y y
把上式的DrGθ与温度T的二项式关系绘制成图。该图又称为氧 势图，或称为埃林汉姆图，或称为氧化物标准生成自由能与 温度的关系图。
若PO2平< PO2，则金属易于氧化。
证明：
对于反应M+O2=MO2
1 D r G D r G RT ln( ) Po2
RT ln(1 / Po2 平 ) RT ln(1 / Po2 ) RT ln(Po2 平 / Po2 )
若PO2平> PO2时，DG>0，则反应向生成金属的方向进 行，即氧化物易于分解。 若PO2平< PO2时，DG<0，则反应向生成氧化物的方向 进行，即金属易于氧化。
知识点：工质的热力状态及状态参数PPT.
知识点：工质的热力状态及状态参数
1.工质的热力状态与状态参数 （1）工质的热力状态 人们把系统中工质在某瞬间的宏观物理状况称为工质的 热力状态，简称为状态。热力状态表述了工质大量分子热运 动的平均特性。 （2）工质的状态参数 描述工质热力状态特性的各种物理量，称为工质的热力 状态参数，简称状态参数。热力状态参数与热力状态有着一 一对应的关系，工质的状态变化时，初、终状态参数的变化 值仅与初、终状态有关而与状态变化的途径无关。状态参数 的数学特征为点函数，可表述为
dx x
1
2的热力状态及状态参数
dx 0
式中 x—表示工质某一状态参数。 （3）热力学常用的状态参数 热力学中常见的状态参数有：温度（T）、压力（p）、 比容（v）或密度（ρ ）、内能（ u）、焓（h）、熵（s） 等。其中温度、压力、比容或密度可以直接或间接地用仪表 测量出来，称为基本状态参数，后三个称导出状态参数。
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热力学基本状态参数功和热量1-1 工质和热力系一、工质、热机、热源与冷源1、热机（热力发动机）：实现热能转换为机械能的设备。
如:电厂中的汽轮机、燃气轮机和内燃机、航空发动机等。
2、工质:实现热能转换为机械能的媒介物质。
对工质的要求:1）良好的膨胀性; 2）流动性好；3）热力性质稳定,热容量大；4）安全对环境友善；5）价廉，易大量获取。
如电厂中的水蒸汽；制冷中的氨气等。
问题：为什么电厂采用水蒸汽作工质3、高温热源：不断向工质提供热能的物体（热源）。
如电厂中的炉膛中的高温烟气4、低温热源：不断接收工质排放热的物体（冷源）如凝汽器中的冷却水二、热力系统1、热力系统和外界概念热力系:人为划分的热力学研究对象(简称热力系）。
外界:系统外与之相关的一切其他物质。
边界:分割系统与外界的界面。
在边界上可以判断系统与外界间所传递的能量和质量的形式和数量。
边界可以是实际的、假想的、固定的，或活动的。
注意:热力系的划分，完全取决于分析问题的需要及分析方法的方便。
它可以是一个设备（物体），也可以是多个设备组成的系统。
如：可以取汽轮机内的空间作为一个系统，也可取整个电厂的作为系统。
2、热力系统分类按系统与外界的能量交换情况分1）绝热系统：与外界无热量交换。
2）孤立系统：与外界既无能量（功量、热量）交换，又无质量交换的系统。
注意：实际中，绝对的绝热系和孤立系统是不存在的，但在某些理想情况下可简化为这两种理想模型。
这种科学的抽象给热力学的研究带来很大的方便。
如：在计算电厂中的汽轮机作功时，通常忽略汽缸壁的散热损失，可近似看作绝热系统。
状态及基本状态参数状态参数特点u状态参数仅决定于状态，即对应某确定的状态，就有一组状态参数。
反之，一组确定的状态参数就可以确定一个状态。
状态参数的变化量仅决定于过程的初终状态，而与达到该状态的途径无关。
因此，状态参数的变化量可表示为（以压力p为例）：二、基本状态参数1.表压与真空表压力：当气体的压力高于大气压力时（称为正压），压力表的读数（pg），如锅炉汽包、主蒸汽的压力等。
有:pg=p-pb p的计算式：p=pg+pb真空（度）：当气体的压力低于大气压力时（称为负压），负压表（真空表）的读数（pv），如凝汽器的压力、炉膛压力等。
有: pv=pb-p p的计算式：p=pb-pv压力的单位（1）国际制：1帕=1pa=1N/m21千帕=1kpa=103pa1兆帕=1Mpa=106pa ; 1巴=1bar=105pa（2）工程中可用液柱高和工程大气压表示压力大小。
1mmHg≈1工程大气压=1at=1kg/cm2（3）标准大气压：将纬度45o海平面上的常年平均气压称之，（物理大气压）1标准大气压=1atm=760mmHg=（4）标准状态: 处于1标准大气压下，温度为0 oC的状态.各种压力单位与帕的换算关系2、温度（1）概念：传统：标志物体冷热程度的物理量。
微观：衡量分子平均动能的量度。
（2）温标：温度的数值标尺。
温标的建立是确定其基准点和分度方法，常用的有摄氏温标和热力学温标。
1）摄氏温标（t，℃）：2）热力学温标（绝对温标、开尔文温标）（T，K）：以水的三相点为基点，并定义为K,每1/为1K。
3）相互关系：基准点不同，但分度一样热力学第零定律：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。
或表述为处于热平衡的物体必具有相同的温度。
是温度测量的理论基础。
温度的热力学定义：处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量——温度。
温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量测温仪表日常：水银温度计，酒精温度计，工业：热电偶、热电阻、辐射温度计计量：铂电阻温度计3、比体积v （比容）比体积：单位质量工质所占有的容积。
v=V/m 单位：(m3/kg)密度ρ：单位容积内工质的质量。
ρ=m/V单位：(kg/m3)相互关系：ρv=1即互为倒数例题分析例题1-1：如图所示,用水银压力计测量凝汽器的压力，已知测压计读数为706mmHg,当地大气压pb＝，求凝汽器的绝对压力、表压力和真空。
解：由于凝汽器内蒸汽的密度远小于水银的密度，忽略蒸汽高度产生的压力，则凝汽器内真空:pv=706× =94110(Pa)绝对压力力p＝pb-pv＝98070—94110＝3960(Pa)凝汽器的表压力pg=p-pb=3960-98070=94110(Pa)说明：凝汽器内的表压力为负值．称为负压，负压与真空的绝对数值是相等的。
例1-2一台型号HGl021／—540／540的锅炉，其中指的是蒸汽的表压力为，当地大气压为750mmHg，试求蒸汽的绝对压力为多少解：根据p=pb+pg，则绝对压力为p=750×十×l06=×106(Pa) ＝18 .3Mpa1-3 平衡状态和热力过程1．平衡状态（3）实现平衡的条件热平衡：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。
化学平衡：系统内各组成成分不再变化。
（4）平衡状态特点：1）只有平衡状态是可以描述的（有确定的状态参数）；2）平衡状态不会自行打破；3）非平衡状态会自动趋于平衡。
2、状态方程式状态方程式：状态参数之间的函数关系式称为状态方程。
简单可压缩系统：系统和外界只有热量和体积变化功（膨胀功或压缩功）交换的系统。
对这种系统只需两个独立的状态参数，便可确定它的平衡状态（由状态定理）。
3、状态参数坐标图两个独立的状态参数可以确定一个状态，这样由任意两个相互独立的状态参数构成一个直角坐标图称为状态参数坐标图。
常用的有p-v图和T-s图等.坐标图上的一个点表示工质所处的一个状态，线表示某个热力过程。
点——状态（1、2）线——热力过程（1—2）二、热力过程和准平衡过程实际过程与准平衡过程(2)按过程与外界产生的效果分1)可逆过程：一个过程进行以后，若使其原路返回至原态，并使系统和外界不发生任何改变，则这一过程称为可可逆过程，2)不可逆过程:否则称为不可逆过程。
实现可逆过程的充要条件推动过程进行的势差无限小，如传热无温差，无压差；不存在任何耗散效应，如作机械运动时不存在摩擦。
可逆运动与不可逆运动平衡过程与可逆过程比较1）都是理想化过程。
2）平衡指系统内部状态的平衡，可逆指与外界的效果。
3）可逆必平衡，平衡不一定可逆。
但不平衡一定不可逆。
分析研究可逆过程的意义：可逆过程是一个理想过程，自然界中一切实际过程（如传热、混合、扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等）均是不可逆过程。
可逆过程的概念为热力学分析提供了很大的方便。
利用这一概念可以将复杂的实际过程近似简化为一个理想的可逆过程加以研究，然后再加以适当的修正，所以研究可逆过程在理论上具有十分重要的意义。
1-4 功和热量3、可逆过程的体积变化功与p-v图（1）体积变化功：这种直接由系统容积变化与外界间发生作用而传递的功称为体积变化功（膨胀功或压缩功）。
（1）体积变化功对由气缸和活塞所包围的热力系统，进行的微元过程中，如活塞所受推力为F,位移为dx,则系统对外界作的膨胀功为：δW=Fdx对可逆过程，F=pA,所以有：（2）功的计算及P-V图二、热量与T-S图1．热量的定义：工程热力学中把依靠温差而通过边界传递的能量称为热量。
热量和热能不同，热量不是状态参数，它不仅与过程初、终态有关，而且与过程如何进行密切相关；热能则是物质热运动形态的反映，仅取决于状态，是状态参数。
可见：热量是过程量；热量是传递的能量（瞬时量）2．热量的符号与单位热量：用Q表示，国际单位制中，热量的单位是焦（耳），用J表示。
工程上常用千焦（kJ）表示，1kJ=1000J比热量：1kg气体与外界交换的热量，用q表示，单位为J/kg。
热量正负:工程热力学中规定，工质从外界吸热，热量为正；工质向外界放热，热量为负。
3、热量的计算和T-S图热力系与外界进行的各种能量交换所遵循的规律都是类似的，可以采用描述功的类似的方式来描述热量的传递。
热量与容积变化功熵及T—S图可逆过程中比容的变化是做容积功的标志，那么在可逆传热过程中也应该存在某一状态参数可用来作为热量传递的标志。
我们就定义这个新的状态参数为“熵”。
以符号S表示.熵的定义式：dS=dQ/T或ds=dq/T熵的单位：kJ/k或J/k比熵：s=S/m,比熵的单位：kJ/（）或J/（）例1-4如图所示，1kg气体经历了AB、BC、CA三个可逆过程，试求出每个过程的功量和整个过程的总功量。
解：计算各过程曲线下的面积就是相应过程的功WAB=1/2(P1+P2)(V2-V1)=- WBAWBC=0WCA=p1(v1-v2)=-p1(v2-v1)= -WACWABC=wAB+WCA =1/2(p2-p1)(v2-v1)即整个过程的功是封闭三角形ABC的面积.理论上说，常见液体和固体物质中，水的比热容最大对上表中数值的解释：(1)比热此表中单位为kJ/(kg·℃)/ J/(kg·℃)，两单位为千进制1kJ/(kg·℃)/=1*10³J/(kg·℃)(2)水的比热较大，金属的比热更小一些(3)c铝>c铁>c钢>c铅补充说明：⒈不同的物质有不同的比热，比热是物质的一种属性，因此，可以用比热的不同来（粗略地）鉴别不同的物质（注意有部分物质比热相当接近）⒉同一物质的比热一般不随质量、形状的变化而变化。
如一杯水与一桶水，它们的比热相同。
⒊对同一物质，比热值与物态有关，同一物质在同一状态下的比热是一定的（忽略温度对比热的影响），但在不同的状态时，比热是不相同的。
例如水的比热与冰的比热不同。
⒋在温度改变时，比热容也有很小的变化，但一般情况下可以忽略。
比热容表中所给的比热数值是这些物质在常温下的平均值。
⒌气体的比热容和气体的热膨胀有密切关系，在体积恒定与压强恒定时不同，故有定容比热容和定压比热容两个概念。
但对固体和液体，二者差别很小，一般就不再加以区分。
常见气体的比热容（单位：kJ/(kg·K)）Cp Cv氧气氢气水蒸气氮气什么是显热、潜热、热湿比及焓什么是显热显热主要表现在由于空气干球温度的变化而发生的热量转移，比如空气干球温度的升高或降低而引起的热量。
潜热的发生总会伴随着物质相态的变化，简单的理解就是水在沸腾的时候要吸收很多的热量而温度没多大的变化。
所以，在空调负荷的计算时，因为空气里含有水蒸汽，所以就要计算其显热负荷和潜热负荷。
显热对固态、液态或气态的物质加热，只要它的形态不变，则热量加进去后，物质的温度就升高，加进热量的多少在温度上能显示出来，即不改变物质的形态而引起其温度变化的热量称为显热。