热力学基本概念
热力学基本概念

热力学基本概念热力学是一门研究能量转化和相互转换的科学,它关注热量、能量和功的关系,以及物质在温度、压强和体积等条件下的相互作用。
在热力学中,有一些基本概念是我们必须了解和掌握的,本文将对热力学中的基本概念进行探讨。
1. 系统和环境在热力学中,我们将研究对象称为系统,而系统外部的一切都被称为环境。
系统可以是一个物体、一个化学反应器或者一个能量转换设备等等。
而环境则包括与系统相互作用的外部介质、周围的物体以及能与系统交换热量和做功的一切。
2. 状态函数和过程函数热力学的基本概念之一是状态函数与过程函数。
状态函数是系统的某一物理量,它只与系统的初始和末状态有关,与经历的过程无关。
例如温度、压强、体积、内能等都属于状态函数。
而过程函数则与系统经历的过程有关,例如热量、功等。
3. 热平衡与热力学平衡热平衡是指当两个物体接触时,它们之间没有净热量的传递。
在热平衡状态下,物体之间的温度是相等的。
而热力学平衡是指系统内部的各个部分之间达到平衡状态,它要求系统的各种宏观性质保持不变。
4. 等温过程与绝热过程等温过程是指系统与环境之间进行热交换的过程,过程中系统的温度保持不变。
绝热过程则是指系统与环境之间没有能量传递的过程,系统内部的能量不发生改变。
5. 内能和焓内能是指系统中分子和原子的热运动能量总和,它是一个状态函数。
焓是系统的内能与系统对外做的功之和,它是一个状态函数。
内能和焓在热力学中是非常重要的概念,它们描述了系统的能量转化和传递。
6. 熵和热力学第二定律熵是一个用来描述系统无序程度的物理量,它是表示分子混乱程度的度量。
热力学第二定律是关于熵变的定律,它表明一个孤立系统的熵只能增加或保持不变,而不能减小。
7. 等压、等体和等焓过程等压过程是指系统在恒定压力下发生的过程。
等体过程是指系统的体积保持不变的过程。
而等焓过程是指系统的焓保持不变的过程。
这些过程在热力学中有着重要的应用和意义。
8. 热容和热力学第一定律热容是指单位质量物质温度上升1度所需要的热量。
热力学的基本概念

热力学的基本概念热力学是研究能量转化和能量转移的学科,它旨在理解和描述物质中能量的行为。
以下是热力学的基本概念,帮助我们深入了解这个领域。
一、能量能量是热力学的核心概念之一。
简而言之,能量是物质的一种属性,它使物质能够产生变化、产生工作或产生热。
能量可以存在于不同的形式,包括热能、机械能、电能、化学能等。
根据能量守恒定律,能量不会被创造或销毁,只能从一种形式转化为另一种形式。
二、系统和周围环境在热力学中,我们将研究对象称为系统。
系统是我们所关注的物质或物体,可以是一个小的实验室装置、一个汽车引擎或者一个大型天体。
与系统相对应的是周围环境,它是系统外的一切。
系统和周围环境之间可以发生能量和物质的交换。
三、状态变量状态变量是用来描述系统状态的参数。
常见的状态变量有温度、压力、体积和物质的组成等。
状态变量的值决定了系统所处的状态,也决定了系统内能量与周围环境的交换方式。
四、热平衡和温度热平衡是指系统与周围环境之间没有能量交换的状态。
在热平衡状态下,系统和周围环境的温度相等。
温度是描述物质热运动强度的物理量,决定了热量在系统与周围环境之间的传递方式。
五、热力学循环和过程热力学循环是指系统经历一系列过程后回到初始状态的过程。
在热力学循环中,系统的状态变化会导致能量的转化和传递,从而实现一定的工作输出。
过程是系统从一个状态变化到另一个状态的过程。
六、热力学定律热力学定律是热力学研究的基石,它描述了能量在系统和环境之间的行为。
著名的热力学定律包括:1. 第一定律:能量守恒定律,能量不会被创造或销毁,只能从一种形式转化为另一种形式。
2. 第二定律:热力学不可逆定律,能量在自然界中总是朝着更高熵的方向转化,即能量的转化会产生不可逆的损失。
3. 第三定律:热力学温标定律,描述了温度与热量之间的关系,提供了温标的定义。
七、熵熵是热力学中一个重要的概念,表示系统的无序程度。
熵增加代表系统无序程度的增加,而熵减少则代表系统向有序状态靠近。
热力学基本概念

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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。
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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
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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
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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
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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。
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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
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第一节 热力学基本概念
压缩制冷装置系统简图
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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。
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准静态过程: 状态变化过程进行得非常缓慢, 以至于过 程中的每一个中间状态都近似于平衡态.
p
准静态过程的过程曲线可以用 p-V图来描述,图上的每一点分 别 表示系统的一个平衡态.
(pA,VA,TA) ( PC,VC,TC )
(pB,VB,TB)
O
V
➢ 理想气体状态方程
在任何情况下严格遵守“波-马定律” 、 “盖-吕定律”以 及“查理定律”的气体称为理想气体.
一般气体看作理想气体: 压力不太大(与大气压比较)
温度不太低(与室温比较)
由三定律:
p 1V1 = p 2V2 = … = 恒量
T1
T2
(质量不变)
p,V,T → p 0,V 0,T0 (标准状态)
标准状态: p 0 = 1.01325 ×105 Pa V mol = 22.4 × 10-3 m 3 • mol -1
一种基本的科学温标. 水三相点(气态、液态、固态的共存状态) 为273.16 K .
摄氏温标和绝对温标的换算: T = 273.15 + t
➢ 平衡态和准静态过程 平衡态: 在不受外界影响的条件下, 无论初始状态如何,
系统的宏观性质在经充分长时间后不再发生变化的状态.
热力学过程: 热力学系统的状态随时间发生变化的过程.
大学物理
热力学基础
第1讲 热力学的基本概念
➢ 热力学系统 在热力学中把有大量分子组成的宏观物体( 气体、
液 体、固体) 称为热力学系统, 简称系统.
系统以外与系统有着相互作用的环境称为外界.
孤立系统: 与外界不发生任何能量和物质交换 的热力学系统.
封闭系统: 与外界只有能量交换而没有物质交 换的系统. 绝热系统: 与外界没有热量交换的系统.
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定温变化, T1 = T2, (ii) 定压过程
过程中温度可不恒定。
p1=p2=psu 过程中压力恒定。dp=0, p=0 。
定压变化, p1 = p2
(iii)定容过程 (iv) 绝热过程 (v) 循环过程 V1=V2 Q=0
过程中压力可不恒定。
过程中体积保持恒定。dV=0, V=0 。 仅可能有功的能量传递形式。
1 3 N 2 H 2 NH 3 2 2
1 3 1mol的意思是: 1mol N 2 和1mol H 2 反应,生成 1molNH3 。 2 2
8. 系统变化的途径与状态函数法 途径:始态 - - - - - 终态 系统所经历过程的总和。 途径I C
d
def
dnB
1 B
1 或 B nB
(1-3)
— 反应进度, 其单位为mol。
Δ =1mol,叫发生了1mol反应进度(若说成“发生了1mol 反应”,则是错误的)。应用反应进度概念时,必须指明相应的 计量方程。如: N2+3H2=2NH3 Δ =1mol 的意思是:1molN2 和 1mol(3H2) 反应,生成1mol (2NH3);
6.热力学平衡态
定义:系统在一定环境条件下,经足够长的时间,其各部分 可观测到的宏观性质都不随时间而变,此后将系统隔离,系统
的宏观性质仍不改变,此时系统所处的状态叫热力学平衡态。 热力学平衡态应同时有:
(i)热平衡:系统各部分T 相等;若不绝热,则T系统= T环境。 (ii)力平衡:系统各部分p 相等;边界不相对位移。
(i) 对于一定量组成不变的均相流体系统,系统的任意宏观
性质是另外两个独立的宏观性质的函数: Z=f(x,y),如 nRT V 理想气体 p (ii) 状态函数的改变量只决定于系统的始态和终态,而与
热力学基本概念

热力学基本概念热力学是研究热能与其他形式能量之间转化和传递规律的科学学科。
它涉及到一系列基本概念和定律,这些概念和定律是理解和应用热力学的基础。
本文将介绍热力学中的几个基本概念,包括热、温度、功、热容和熵。
一、热热是一种能量传递方式,当物体与外界存在温度差时,热就会从高温物体传递到低温物体。
热是热力学系统与外界之间的能量交换形式之一。
热的单位是焦耳(J)。
二、温度温度是表征物体热状态的物理量,它反映了物体中分子的平均热运动程度。
温度用开尔文(K)作为单位,也可以使用摄氏度(℃)或华氏度(℉)进行表示。
热力学中的零绝对温标是绝对零度,对应着开尔文的0K。
三、功功是热力学系统与外界相互作用过程中的能量传递形式之一。
当一个物体受到外力作用,同时沿着力的方向发生位移时,就会进行功的交换。
功的单位也是焦耳(J)。
四、热容热容描述了物体受热后温度变化的程度。
它是指单位质量物体温度升高1K(或1℃)所需要吸收或放出的热量。
热容的单位可以是焦耳/开尔文(J/K)、焦耳/摄氏度(J/℃)或卡路里/开尔文(cal/K)。
五、熵熵是用来描述系统无序程度的物理量。
它是热力学第二定律的核心概念,表示系统的混乱程度或无序程度。
熵的增加代表着系统趋于混乱,反之则代表着系统趋于有序。
熵的单位是焦耳/开尔文(J/K)。
在热力学中,这些基本概念相互联系、相互影响,通过热力学定律加以描述和解释。
例如,热力学第一定律表示能量守恒,即能量可以从一种形式转化为另一种形式,但总能量的数量保持不变。
热力学第二定律则说明了在孤立系统中热流只会从高温物体流向低温物体,并且系统的熵将不断增加。
通过对这些基本概念的理解和应用,我们可以更好地理解和研究能量的转化和传递过程。
热力学在能源、化学、物理等领域都有广泛的应用,并对相关工程和技术的发展起到了重要的推动作用。
总结起来,热力学基本概念包括热、温度、功、热容和熵。
这些概念相互联系、相互作用,通过热力学定律来描述和解释。
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(2)强度性质。 强度性质是指与系统中物质的量无关的性 质,它们不具有加和性。上述分隔为两部分的容器,其气体的温度 T、压力p、密度ρ等都不具有加和性,故皆为强度性质。
应指出,在一定条件下,广度性质可转化成强度性质。例如, 摩尔体积(Vm=V/n)是物质的量为1 mol时物质所具有的体积,因 强调的是1 mol物质的量,故不具有加和性,亦即广度性质的摩尔值 应为强度性质。换言之ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ某些广度性质的比值往往是强度性质。
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7. 可逆过程
可逆过程是热力学中一个重要的概念,指在系统状态变化的全 过程中,不仅系统内部任何瞬间都无限接近平衡态,而且系统与环 境间也无限接近平衡。例如,系统与环境间在无限小的温度差下发 生的热交换过程,即T(环)=T±dT(dT为具有正值的无限小量);又如 在无限小的压力差下发生的体积变化过程,即p(环)=p±dp(dp为具 有正值的无限小量)。上述在一系列无限接近平衡条件下进行的过程, 在热力学中称为可逆过程。可逆过程是一种理想化的过程。这种过 程实际上是不可能的,因为每个过程的发生都要引起状态的改变, 而状态的改变一定会破坏平衡。
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(1)隔离系统。隔离系统与环境之间既无物质交换,亦无 任何形式的能量交换,所以系统完全不受环境的影响。
(2)封闭系统。封闭系统与环境之间只有能量交换而无物 质交换。
(3)敞开系统。敞开系统与环境之间既有能量交换,又有 物质交换。
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二、 系统的性质
物质的性质可分为微观性质和宏 观性质两类,前者包括分子的极性、 偶极矩、磁矩等;后者包括温度T、 压力p、体积V、密度ρ、粘度η、表 面张力σ、热力学能U等。热力学研 究的是由极大量粒子构成的系统的宏 观性质,简称性质。微观性质不在热 力学讨论的范围内。
热力学基本概念

热力学基本概念热力学是一门研究热和能的转化以及它们与物质之间的相互关系的学科。
它广泛应用于物理学、化学、材料科学、生物学等领域。
热力学的基本概念对于理解能量转化和热平衡非常重要。
在本文中,我们将介绍热力学的基本概念,包括热能、温度、功、熵等,并探讨它们之间的关系。
首先,我们来谈谈热能。
热能是物质内部的一种能量形式,它与分子的热运动有关。
物体的温度越高,分子的热运动越激烈,热能也就越大。
热能可以通过传热的方式从一个物体传递到另一个物体,使得物体的温度发生变化。
在热力学中,温度是描述物体热能状态的量。
它是物体内部分子平均热运动的强度的度量。
温度的单位是开尔文(K),常用的温标有摄氏度和华氏度。
摄氏度是以水的冰点和沸点为基准,而华氏度则是以水的冰点和人的体温为基准。
两个温标之间的转换公式是:C = (F - 32) / 1.8,F = C * 1.8 + 32。
热力学中还有一个重要概念是功。
功是由外界对物体施加的力通过物体的位移所做的功。
它与能量转化和传递密切相关。
功可以使热能转化为其他形式的能量,比如机械能。
例如,我们可以用火柴点燃汽油,然后汽油的能量转化为汽车的动能,推动汽车前进。
功的单位是焦耳(J)。
除了功,熵也是热力学中的一个重要概念。
熵是描述物质分子无序程度的量。
物体越有序,熵就越低;物体越无序,熵就越高。
例如,一个玻璃杯打碎后,碎片的布局变得更加无序,熵增加。
根据热力学第二定律,熵在一个孤立系统中总是增加的。
熵的单位是焦耳/开尔文(J/K)。
热力学的基本概念之间有一些重要的关系。
根据热力学第一定律,能量守恒,即能量既不能被创造也不能被销毁,只能转化为其他形式的能量。
数学上可以表示为:ΔU = Q - W,其中ΔU表示系统内能的变化,Q表示系统吸收的热量,W表示系统对外做的功。
根据热力学第二定律,一个孤立系统的总熵是不会减少的,只能增加或保持不变。
数学上可以表示为:ΔS ≥ 0,其中ΔS表示系统熵的变化。
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温度的热力学定义
热力学第零定律(R.W. Fowler) 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。
温度测量的理论 基础 B 温度计
为什么叫做热力学第零定律
热力学第零定律 热力学第一定律 热力学第二定律 热力学第三定律
1931年
T
18401850年 E
18541855年 S
是否传热 是否传功 是否传热、功、质
非绝热系 非绝功系 非孤立系
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
热力系统其它分类方式
均匀系 物理化学性质
非均匀系
其它分类方式
工质种类
单元系 多元系
单相
相态 多相
简单可压缩系统
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
§1-3状态和状态参数
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 状态参数的特征:
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
uU m
h H m
比内能 比焓
s S m
比熵
单位:/kg /kmol 具有强度量的性质
§1-3 基本状态参数
压力 p、温度 T、比容 v (容易测量)
§1-2 热力系统
1
m
Q W
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
4
3
非孤立系+相关外界
=孤立系
练习:系统的划分和传递能量的 区别
1、热力系统的划分
2、能量传递的识别
结论:1、系统的划分影响求解问题的难 易程度 2、要通过穿过边界的能量性质考察能量 的传递形式
当h变化大,ρ ρ(h) p (h)gdh
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
1) 同T , 0.5mw 2 不同,如碳固体和碳蒸气 2) 0.5mw 2总0, T 0, 1951年核磁共振法对
氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度
1、压力 p 物理中压强,单位: Pa , N/m2 常用单位: 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa
绝对压力与相对压力
1906年 S基准
温度计
温度的测量
物质 (水银,铂电阻) 特性 (体积膨胀,阻值)
基准点 刻度
温标
绝对K
373.15
273.16 273.15
常用温标
摄氏℃
华氏F
100 水沸点
212
37.8
发烧 100
0.01 0
水三相点 冰熔点
32
-17.8 盐水沸点 0
朗肯R
671.67
559.67
491.67 459.67
qk
高温液体
冷凝器
高温蒸汽
膨胀阀
压缩机 wc
低温液汽混合物
蒸发器 q0
低温蒸汽
风冷热泵冷热水机组
太阳能吸收式空调
零能耗住宅设备系统图
三、主要研究内容:
1、是否一定要消耗热量和功量? 2、循环过程的条件和限度? 3、工质性质的影响? 4、影响转换效率的因素? 水蒸汽?氟里昂?热电联供? 热电冷三联供?
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是全微分
dz
z x
y
dx
z y
x
dy
充要条件:
2z 2z xy yx
可判断是否 是状态参数
强度参数与广延参数
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
比体积:v
v V [m3/kg] m
工质聚集的疏密程度
物理上常用密度 [kg/m3]
v 1
§1-4 平衡状态
1、定义: 在不受外界影响的条件下(重力场除
第一章 基本概念
• 热力系统 • 状态及状态参数 • 平衡状态、状态公理及状态方程 • 准静态过程与可逆过程
1-1热能转换装置的工作过程
一、蒸汽动力循环
锅 炉
4
1 汽轮机 12 汽轮机 s 膨胀 23 凝汽器 p 放热
发电机 34 给水泵 s 压缩
2
41 锅炉 p 吸热
凝汽器
3 给水泵
二.蒸汽压缩式制冷的理论循环
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。
温差 — 热不平衡势 压差 — 力不平衡势 化学反应 — 化学不平衡势
平衡的本质:不存在不平衡势
平衡与稳定
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
§1-2 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
§1-2 热力系统
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
• 移动和虚构边界
热力系统分类
以系统与外界关系划分:
是否传质
有 开口系
无 闭口系
当 p > pb 当 p < pb
表压力 pe 真空度 pv
p pe pb p pb pv
peppv Nhomakorabeapb
p
环境压力与大气压力
环境压力指压力表所处环境的压力 注意:环境压力一般为大气压,但不一定。
大气压随时间、地点变化。 物理大气压 1atm=760mmHg
当h变化不大,ρ常数 1mmHg= ρgh=133.322Pa