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1、第一章第一章 热力学基本热力学基本概念与基本定律概念与基本定律第一节第一节 热力学基本概念热力学基本概念 一、工质、热源和热力系统一、工质、热源和热力系统热机热机：能将热能转换为机械能的机器。：能将热能转换为机械能的机器。工质：工质：热能与机械能之间转换是通过一种媒介物质热能与机械能之间转换是通过一种媒介物质在热机中的一系列状态变化过程来实现的，这种媒在热机中的一系列状态变化过程来实现的，这种媒介物质称为工质。介物质称为工质。介质，简称工质。工质的一般是具有良好流动性和介质，简称工质。工质的一般是具有良好流动性和膨胀性的气体膨胀性的气体(含水蒸气含水蒸气)。热源：热源：热容积很大且在吸收或放出
2、有限量热量时自热容积很大且在吸收或放出有限量热量时自身温度及其他热力学参数没有明显改变的物体。向身温度及其他热力学参数没有明显改变的物体。向系统提供热量的热源称为高温热源；接收系统放热系统提供热量的热源称为高温热源；接收系统放热的热源称为低温热源或冷源。的热源称为低温热源或冷源。热力系统：热力系统：按照系统与外界之间的关系，可以将系统分为如下按照系统与外界之间的关系，可以将系统分为如下几种类型：几种类型：（1 1）封闭系：与外界之间不存在物质交换的系统。）封闭系：与外界之间不存在物质交换的系统。（2 2）开口系，局外界之间既存在物质交换也存在）开口系，局外界之间既存在物质交换也存在能量交换的系
3、统能量交换的系统（3 3）绝热系：与外界之间不存在热交换的系统，）绝热系：与外界之间不存在热交换的系统，(4)(4)孤立系：与外界之间既无物质交换，也无能量交孤立系：与外界之间既无物质交换，也无能量交换的系统换的系统二、工质的热力学状态及其状态参数1 1、基本概念、基本概念 (1)(1)热力学状态：热力学状态：工质在某一瞬间所呈现的物理状态（工质在某一瞬间所呈现的物理状态（P-VP-V，T-s)T-s)(2)(2)平衡状态：平衡状态：在外界条件不变的情况下，即使经历较长时在外界条件不变的情况下，即使经历较长时间，系统的宏观特性仍不发生变化，间，系统的宏观特性仍不发生变化，(3)(3)状态参数：
4、状态参数：热力学参数，是描述系统所处状态的物理量。热力学参数，是描述系统所处状态的物理量。一般用两个相互独立的状态参数就可以确定系统的一个状态。一般用两个相互独立的状态参数就可以确定系统的一个状态。状态参数大致可以分为基本参数和导出参数两种，前者可以状态参数大致可以分为基本参数和导出参数两种，前者可以直接测量而得，如温度、压力等，后者一般不能测量，只能直接测量而得，如温度、压力等，后者一般不能测量，只能用基本参数依据某种关系推导而得，如内能、比焓、比熵等。用基本参数依据某种关系推导而得，如内能、比焓、比熵等。(4)(4)状态方程：状态方程：在平衡状态下，系统的某一参数与独立于在平衡状态下，系统
5、的某一参数与独立于它的另一参数之间有着确定的联系，将这种联系表达出来的它的另一参数之间有着确定的联系，将这种联系表达出来的数学方程式就是状态方程，数学方程式就是状态方程，2 2、基本状态参数、基本状态参数(1)(1)温度：温度：“T”“T”，单位为开尔文，单位为开尔文(K)(K)。热力学温度与摄。热力学温度与摄氏温度氏温度之间的关系是：之间的关系是：T Tt t十十273.15(K)273.15(K)（2 2）压力：帕斯卡）压力：帕斯卡(Pa)(Pa)。工程上（。工程上（MPa)MPa)作为压力单位作为压力单位 1at 1atlkgflkgfcmcm2 298067Pa;1mmHg98067P
6、a;1mmHg133.32lPa133.32lPa 1mmH 1mmH2 2O O9 98067Pa8067Pa p p=p pamb amb+p pe e;p p=p pamb amb-p pv v(3)(3)比容：单位质量物质所占有的容积称为比容比容：单位质量物质所占有的容积称为比容(国国标中改称质量体积或比体积标中改称质量体积或比体积)，以，以“表示，单位为表示，单位为M M3 3/kg/kg。根据定义，比容与密度。根据定义，比容与密度(kg(kgm m3 3)互为倒数。互为倒数。三、状态的改变三、状态的改变(1)(1)过程：过程：系统由其初始平衡态，经过一系列中间系统由其初始平衡态，经
7、过一系列中间状态而达到某一新的平衡态的变化过程称为热力状态而达到某一新的平衡态的变化过程称为热力过程，简称过程。过程，简称过程。(2)(2)准静态过程；准静态过程；每一中间状态既离开平衡态，每一中间状态既离开平衡态，又无限接近于平衡态，又无限接近于平衡态，(3)(3)可逆过程：可逆过程：系统完成某一过程之后，若能够沿系统完成某一过程之后，若能够沿原路径返回其初始平衡态，且系统和外界均不留原路径返回其初始平衡态，且系统和外界均不留下任何宏观的变化痕迹，则称该过程为可逆过程；下任何宏观的变化痕迹，则称该过程为可逆过程；(4)(4)循环：循环：系统经历了若干不相重复的过程，最后系统经历了若干不相重复
8、的过程，最后又回到初始状态所形成的封闭过程叫做热力循环，又回到初始状态所形成的封闭过程叫做热力循环，简称循环。简称循环。第二节第二节 热力学第一定律热力学第一定律 一、热力学第一定律的实质与表述一、热力学第一定律的实质与表述 说法一：热可以变为功，功也可以变为热。一说法一：热可以变为功，功也可以变为热。一定量的热消失时，必产生与之数量相当的功；消耗定量的热消失时，必产生与之数量相当的功；消耗一定量的功时，也必出现相应数量的热。一定量的功时，也必出现相应数量的热。说法二：对于任何一个系统，输入系统的能量说法二：对于任何一个系统，输入系统的能量减去输出系统的能量，等于系统储存能量的增加。减去输出系
9、统的能量，等于系统储存能量的增加。二、热力学第一定律解析式二、热力学第一定律解析式三、热力学能、封闭系的第一定律表达式三、热力学能、封闭系的第一定律表达式四、焓、开口系的第一定律表达式四、焓、开口系的第一定律表达式1 1稳定流动稳定流动 稳定流动是流动过程的一种特殊情况，它满足以稳定流动是流动过程的一种特殊情况，它满足以下条件：流入和流出系统的质量流量不随时间变化；下条件：流入和流出系统的质量流量不随时间变化；系统任何一点的参数和流速不随时间变化；系统内的系统任何一点的参数和流速不随时间变化；系统内的储存能不随时间变化；单位时间内加入系统的热量和储存能不随时间变化；单位时间内加入系统的热量和系
10、统对外所做的功也不随时间改变。很多实际的流动系统对外所做的功也不随时间改变。很多实际的流动过程可以作为稳定流动过程处。过程可以作为稳定流动过程处。2 2稳定流动能量方程稳定流动能量方程H焓，焓，h质量焓或比焓质量焓或比焓第三节第三节 热力学第二定律热力学第二定律 一、熵、自然过程的方向性一、熵、自然过程的方向性 热力学第一定律，能量之间可以相互转换，以及转热力学第一定律，能量之间可以相互转换，以及转换过程中的数量关系，而没有指明此种能量与他种能换过程中的数量关系，而没有指明此种能量与他种能量相互转化的差异。量相互转化的差异。状态参数熵结出了自然过程方向性的定量描述。状态参数熵结出了自然过程方向
11、性的定量描述。熵就是在可逆的条件下，传入系统的微元热量熵就是在可逆的条件下，传入系统的微元热量dQdQ与与热源温度热源温度T T的比值。理论证明了熵确实是一个状态参数，的比值。理论证明了熵确实是一个状态参数，单位质量熵符号单位质量熵符号s)s)的单位是的单位是kJkJ(kgK)(kgK)。二、热力学第二定律、熵增原理二、热力学第二定律、熵增原理说法一：热不可能自发地、不付代价地从低说法一：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体。温物体传向高温物体。说法二：只冷却一个热源而连续做功的循环说法二：只冷却一个热源而连续做功的循环发动机是造不或功的。发动机是造不或功的。三、卡诺循环与卡诺定理
12、三、卡诺循环与卡诺定理 卡诺循环与卡诺定律主要解决了如何提高从高温卡诺循环与卡诺定律主要解决了如何提高从高温热源所吸取热量中转变为功的比例，即提高循环热热源所吸取热量中转变为功的比例，即提高循环热效率的问题。效率的问题。1 1、卡诺循环、卡诺循环 卡诺循环是由两个可逆定温过程和两个可逆绝卡诺循环是由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程所构成的动力循环。热过程所构成的动力循环。卡诺循环的热效率式可得出：卡诺循环的热效率式可得出：(1)(1)循环热效率循环热效率决定于高温恒温热源与低温决定于高温恒温热源与低温恒温热源的温度恒温热源的温度T T1 1和和T T2 2；提高；提高 ，提高，提高T T1
13、1，降低降低T T2 2 。(2)(2)循环热效率循环热效率永远小于永远小于100100；(3)(3)当当T T1 1T T2 2时，时，o o。在没有温差存在的体。在没有温差存在的体系中，热能不可能转变为机械功。系中，热能不可能转变为机械功。2 2卡诺定理卡诺定理 卡诺循环是一种理想循环，实际上定温吸热或卡诺循环是一种理想循环，实际上定温吸热或放热和可逆膨胀或压缩都是不可能的。放热和可逆膨胀或压缩都是不可能的。主要结论如下：主要结论如下：(1)(1)在两个不同湿度的恒温热源间工作的一切在两个不同湿度的恒温热源间工作的一切可逆循环，均具有相同的热效率，且与工质的性可逆循环，均具有相同的热效率，且与工质的性质无关。质无关。(2)(2)在两个不同温度的恒温热源问工作的任何在两个不同温度的恒温热源问工作的任何不可逆循环，其热效率必低于在两个同样恒温热不可逆循环，其热效率必低于在两个同样恒温热源间工作曲可逆循环。源间工作曲可逆循环。