工程热力学第一篇热力学系统准静态过程

工程热力学第一篇

一、热力学系统

热力学系统：用界面从周围的环境中分割出来的研究对象，或空间内物体的总和。

外界：与系统相互作用的环境。

界面：可以是假想的、实际的、固定的、运动的、变形的。

1、分类：

以系统与外界关系划分：

2、状态

热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为系统的状态。

热力状态反映着工质大量分子热运动的平均特点。

系统与外界之间能够进行能量交换的根本原因在于两者之间的热力状态存在差异。

（1）平衡状态

定义：在不受外界影响的条件下（重力场除外），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。

实现平衡的充要条件：系统内部与外界之间不存在各种不平衡势差。

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

平衡的特点：具有确定的状态参数

（2）平衡与稳定

稳定：参数不随时间变化

稳定不一定平衡，但平衡一定稳定

铜棒稳定但存在不平衡势差

（3）平衡与均匀

平衡：时间上

均匀：空间上

平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的

（4）状态参数

定义：描述热力系状态的物理量

状态参数的数学特征：

1）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

状态参数的环积分为零。

2）状态参数的微分特征

设z=z(x,y)，dz是全微分

则可作为判定是否为状态参数充要条件。

（5）状态公理

闭口系：不平衡势差→状态变化→能量传递

消除一种不平衡势差→达到某一方面的平衡→消除一种能量传递方式

不平衡势差彼此独立

独立参数数目N=不平衡势差数=能量转换方式的数目=各种功的方式+热量=n+1

n--容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等

（6）状态方程式

状态方程--基本状态参数（p,v,T)之间的关系

状态方程的具体形式取决于工质的性质

（7）热力参数及坐标图

常用状态参数有6个：

压力p、温度T、比体积v、内能U、焓H、熵S。

基本状态参数：

可直接用仪表测量出来的状态参数。如：温度、压力、比容体积。

1）基本参数

压力p：物理中压强，单位:Pa,N/m2

1bar=Pa

1MPa=Pa

1atm=mmHg=1.xPa

1mmHg=.3Pa

一般是工质绝对压力与环境压力的相对值--相对压力

注意：只有绝对压力p才是状态参数

当P＞Pb→表压力Pe→P=Pb+Pe

当P＜Pb→真空度Pv→P=Pb-Pv

温度T

传统定义：冷热程度的度量。

热力学定义：温度是确定一个系统是否与其他系统处于热平衡的状态参数。温度是热平衡的唯一判据。

温标的建立：需要选定测温物质及其某一物理性质，规定基准点及分度方法。

T[K]=t[℃]+.15

比体积：

定义：单位质量的工质所占有的体积，单位m3/kg

3、强度参数与广延参数

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：

单位：/kg，/kmol其具有强度量的性质

4、坐标图

简单可压缩系N=2，平面坐标图

说明：

1）系统任何平衡态可表示在坐标图上

2）过程线中任意一点为平衡态

3）不平衡态无法在图上用实线表示

简单可压缩系统说明

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：压缩功膨胀功

5、功和热量

系统与外界在不平衡势差作用下会发生能量转换，能量转换的方式有做功和热传递。

功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过宏观有序运动方式传递的能量。

热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。

功的表达式

功的一般表达式：

热力学最常见的功--容积变化功

其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等

功和热量不是状态参数。

只有当系统状态发生改变时，才可能有功和热量的传递。

功和热量的大小不仅与过程的初终态有关，而且与过程的性质有关，它们是过程量。

系统吸热时Q＞0、放热时Q＜0;

系统对外做功时W＞0、外界对系统做功时W＜0。

示功图与示热图

6、热力过程和热力循环

热力过程定义：

热力系统从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和。

要实现连续作功，必须由热力过程构成热力循环。

热力循环定义：

热力系统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。

热力循环分类：

正循环：顺时针方向

逆循环：逆时针方向

热力循环的评价指标

正循环：净效应（对外作功，吸热）

动力循环：热效率

逆循环：净效应（对内作功，放热）

制冷循环：制冷系数

制热循环：制热系数

二、准静态过程、可逆过程与不可逆过程

1、准静态过程

定义：由一系列连续的平衡态组成的过程称为准静态过程。

实现条件：推动系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近于平衡态。

特点：准静态过程是一种理想化的过程，实际过程是实际过程进行得足够缓慢的极限情况。

准静态过程的工程条件：

破坏平衡所需时间（外部作用时间）远大于恢复平衡所需时间（驰豫时间）

工程上大多数过程，由于热力学系统恢复平衡的速度很快，可以作为准静态过程分析。

建立准静态过程概念的好处有：

1)可以用确定的状态参数变化描述过程。

2)可以在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程。

2、可逆过程与不可逆过程

定义：系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。

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。

可逆过程的实现条件

准静态过程+无耗散效应=可逆过程

不可逆根源;不平衡势差，耗散效应（通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等））

3、可逆过程与准静态过程

准静态过程与可逆过程的差别就在于有无耗散损失。

可逆过程一定是准静态过程，但准静态过程不一定是可逆过程

准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。

典型的不可逆过程