第1章 热力学基本概念

第一章热力学的基本概念1.1 热力系及其描述 (1)1.1.1 热力系 (1)1.1.2 热力系的状态、平衡状态及状态参数 (2)1.1.3 状态参数的特性 (3)1．2 基本状态参数 (4)1.2.1 密度及比体积 (4)1.2.2 压力 (4)1.2.3 温度及热力学第零定律 (7)1.3 状态方程式，状态参数坐标图 (12)1.3.1 状态公理 (12)1.3.2 纯物质的状态方程式 (12)1.3.3 状态参数坐标图 (13)1.4 热力过程及热力循环 (14)1.4.1 准平衡过程 (14)1.4.2 热力循环 (16)思考题及答案 (19)1.1 热力系及其描述1.1.1 热力系在对一个现象或—个过程进行分析时为了确定研究的对象，规划出研究的范围，常从若干物体中取出需要研究的部分．这种被取出的部分叫做热力学系统，简称热力系。

热力系以外的物质世界统称为外界（或环境）。

热力系与外界的分界面叫做界面（或边界）。

所谓热力系，即是由界面包围着的作为研究对象的物体的总和。

热力系与外界之间的界面可以是真实的，也可以是假拟的，可以是固定的，也可以是运动的。

在一般情况下，热力系与外界处于相互作用中，彼此可交换能量(如热量及各种形式的功)及物质。

按热力系与外界进行物质交换的情况可将热力系分类为：闭口系(或闭系)——热力系与外界无物质交换，或者说没有物质穿过边界。

此时．热力系内部的质量将保持不变，称为控制质量(C.M.)，故闭口系即是我们所研究的某“控制质量”。

开口系(或开系)——热力系与外界之间有物质交换，或者说有物质穿过边界。

这种热力系内部的质量可以是变化的。

这时，我们可以把研究的对象规划在一定的空间范围内，这种空间范围叫作控制容积(C.V.)，或称控制体，故开口系即是我们所研究的某“控制体”。

相应地，控制质量或控制容积与外界的分界面也可称为控制面。

按热力系与外界进行能量交换的情况常将热力系分类为：简单热力系——热力系与外界只交换热量及一种形式的准静功(准静功的概念将在2－2节中讨论)；绝热系——热力系与外界无热交换；孤立系——热力系与外界既无能量交换又无物质交换。

以上是按热力系与外界的相互关系所作的分类。

热力系也可按其内部状况的不同而分类为：单元系(只包含一种化学成分的物质)、多元系(包含两种以上的物质)、均匀系(各部分具有相同的性质，如单相系)、非均匀系(各部分具有不同的性质，如复相系)；等等。

在热力工程上，能量转换是通过工作物质的状态变化来实现的。

最常用的工质是一些可压缩流体(如蒸汽动力装置中的水蒸气，燃气动力装置中的燃气，等等)。

由可压缩流体构成的热力系称为可压缩系统。

若可压缩系统与外界只有准静容积变化功(膨胀功或压缩功)的交换，则此系统称为简单可压缩系统。

工程热力学中讨论的大部分系统都是简单可压缩系统。

另外，在热力学中还会遇到一些特殊的系统，例如某种具有无限大热容量的系统，它对外放出或吸入有限的热量时其自身的温度维持不变，这种系统称为热源（或冷源）。

正确地选择热力系是进行正确的热力学分析的前提。

没有明确选定热力系之前，对力、质量、热、功等任何问题的讨论都是不可能进行的。

1.1.2 热力系的状态、平衡状态及状态参数所谓热力系的状态，即是热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。

在热力学中我们一般取设备中的流体工质(主要是气体)作为研究对象，这时热力系的状态即是指气体所呈现的物理状况。

热力系可能呈现各种不同的状态，其中具有特别重要意义的是所谓平衡状态。

平衡状态是指，在没有外界影响的条件下系统的各部分在长时间内不发生任何变化的状态。

处于平衡状态的热力系各处的温度、压力等参数是均匀一致的。

试设想系统中各物体之间有温差存在而发生热接触，则必然有热自发地从高温物体传向低温物体，这时系统不会维持状态不变，而是不断产生状态变化直至温差消失而达到平衡。

这种平衡称为热平衡。

可见，温差是驱动热流的不平衡势，而温差的消失则是系统建立起热平衡的必要条件。

同样，如果物体间有力的相互作用(例如由压力差引起)，则将引起宏观物体的位形变化，这时系统的状态不断变化直至力差消失而建立起平衡。

这种平衡称为力学平衡。

所以，力差也是驱使系统状态变化的一种不平衡势，而力差的消失是使系统建止起力学平衡的必要条件。

对于有相变或化学反应的系统，还可能出现由某些势差引起的相转变或化学组成变化，而在达到平衡时也应以相应的势差的消失作为平衡的必要条件(相平衡和化学平衡条件将在后续有关章节中讨论)。

这样，对于一个状态可以自由变化的热力系而言，如果系统内或系统与外界之间的一切不平衡势都不存在，则热力系的一切可见宏观变化均将停止，此时热力系所处的状态即是平衡状态。

各种不平衡势的消失是系统建立起平衡状态的必要条件。

由上所述，处于平衡状态的热力系应具有均匀一致的温度(T)、压力(P)等。

因此，对于任意给定的平衡热力系可以用确定的T,P 等物理量来描述。

这些用来描述热力系平衡状态的物理量称为状态参数。

处于平衡状态的热力系其状态参数具有确定的数值，而非平衡热力系的状态参数是不确定的。

在对非平衡热力系进行热力学分析时常将热力系分割为一些小的微团。

当所分的微团宏观上足够小而微观上足够大，以致可将微团视为一平衡热力系时，对这样的微团也可用状态参数来描述。

在热力学中，把介质视为连续体。

在此连续体内所谓一点处的热力参数，实际上是指围绕此点的某微团所具有的热力参数。

1.1.3 状态参数的特性描述热力系状态的物理量可分为两类：凡把热力系视为一个整体来定义，即与系统中所含物质的数量有关的物理量称尺度量，例如系统的总容积V、总质量m、总能量E 等。

尺度量具有可加性，在系统中其总量等于各部分分量之和。

例如∑∑∑===i ii iiiEEmmVV,,，等等。

对于平衡热力系而言，尺度量与系统的体积或质量成正比。

对于任意给定的平衡及非平衡热力系，尺度量一般均具有确定的数值。

凡与系统中所含物质的数量无关，在热力系中任一点具有确定的数值的物理量称为强度量。

压力p、温度T 即是强度量的例子。

强度量不具有可加性。

就整个系统而言，强度量对于平衡状态才具有确定的数值，对于非平衡状态一般没有确定的数值。

还有一些强度量是由尺度量转化得出的。

尺度量对质量(或体积)的微商具有强度量的性质，例如尺度量V 对m 的微商vmV=δδ即是如此。

ν称为系统的比体积。

比体积v 可视为强度量。

以后还要讲到另一些比参数，它们也具有这样的性质。

上面讲到的一些状态参数，是由系统本身的内部热力状态决定的，称为热力状态参数。

此外，还有一些参数，它们与热力系的内部状态无关，而需借助外部参考系来决定，例如热力系作为一个整体的运动速度，热力系整体的重力位能，等等。

它们描述热力系的力学状态，称为力学状态参数，或者叫做外参数。

状态参数是状态的单值函数，热力系状态一定，其状态参数的数值也一定。

确定状态参数的函数称为状态函数或点函数，它们具有以下数学特征。

在任意过程中，当热力系从初态1过渡到终态2时，任意状态参数的变化量均等于初、终状态下该状态参数的差值，而与过程如何进行无关，即1221ξξξ-=⎰d （1-1）式中， ξ表示任意状态参数。

当热力系经历一封闭的状态变化过程而又回复到原始状态时，其状态参数的变化为0，即⎰=0ξd （1-2）可见，状态函数的微分是全微分。

1．2 基本状态参数简单可压缩平衡系的状态常用状态参数比体积v 、压力P 、温度T 来描述。

这些物理量都是可以测量的，称为基本状态参数。

1.2.1 密度及比体积密度是单位容积内所含物质的质量，其法定计量单位为千克每立方米(kg/m 3)。

若质量为m 的物质占有的体积为 V ，则其密度 ρ为V m=ρ （1-3）比体积是单位质量的物质所占有的体积，其单位为立方米每千克(m 3/kg)。

若质量为m 的物质占有的体积为 V ，则其比体积为m Vv =不难看出，比体积与密度互为倒数，即1=ρυ （1-4）总容积V 、总质量m 为具有可加性的尺度量，但 ρ、 v 则为强度量而不具有可加性。

从微观意义上讲，对一定气体而言，密度、比体积均为描绘分子聚集疏密程度的物理量。

1.2.2 压力单位面积上所受到的垂直作用力称为压力(或压强)。

若总力F 垂直作用于面积 上，则其压力p 为A Fp = （1-5）根据分子运动论，气体的压力是气体分子运动撞击表面，而在单位面积上所呈现的垂直于壁面的平均作用力，23220mw n p = 式中， 0n 为单位容积内的分子数， 22mw 为分子的平均移动动能。

液体系统除传递压力外，在重力场中还有由于液体的重量而产生的静压力。

静压力与液柱的垂直高度有关。

1．压力的测量、表压力和绝对压力流体的压力用压力计测量。

工程上常用的压力计有两种，即弹簧管压力计及测量微小压力的U 形管压力计。

它们实际上是测量压差的仪器，故又称压差计。

弹簧管压力计的基本结构如图1－1所示。

它利用弹簧管在内外压差作用下产生变形，从而拨动指针转动来指示工质与环境间的压差。

图1—1 弹簧管压力计 图1—2 U 形管压力计U 形管压力计如图1－2所示，其主要部件为一U 形玻璃管，管内盛有用来测压的液体，例如水银或水。

U 形管的一端与被测系统相连，另一端与环境(例如大气)相通。

当系统压力与环境压力不等时，即可由U 形管两边液柱的高度差读出系统与环境之间的压差。

根据流体静力学原理，在连通容器内同一高度上的压力相等。

于是，对于A -A 等压面可写出力平衡方程如下：gH p p b ρ+=或 g p p H bρ-= （1-6）式中： H 为U 形管两边的液柱高度差，m ；p 为被测系统的压力，Pa ；b p 为环境压力(一般情况下为大气压力)，Pa ；ρ为测压液体的密度，kg/m 3；g 为重力加速度， 2/s m ．由式(1-6)可见，当选定测压液体，且将 g ,ρ视为常数时，液柱高度差H 与压差( b p p -)成正比，故可用高度差H 单值地度量压差 p ∆。

这就是U 形管压差计的工作原理。

式(1-6)反映了压力与液柱高度差H 间的数量关系。

工程上常用水或水银作为测压液体，其密度随温度变化而变化。

它们在4℃及0℃时的密度分别为33)4(/102m kg C O H o=ρ 3)0(/595.13m kg C Hg o =ρ 同时假定重力加速度 g 为常数，其数值为2/80665.9s m g =在公制中， g ρ称为重度，用 γ表示。

水在4℃，水银在0℃时的重度分别为33)4(/9806/10002m N m kgf C O H o==γ 33)0(/133321/13595m N m kgf C Hg o ==γ 当水的温度不为4℃或水银的温度不为0℃时，液体密度 ρ发生变化，但在工程近似计算中常忽略 ρ随温度的变化而仍取上述数值。