热力学基本概念汇总

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元旦，做了一个重要决定，举家南迁。犹豫了好长时间，总算踏出了第一步。前路漫漫，吾将继续求索~~~不过最开心的是终于有了一个像样的假期，而且是一个很长的春节假期。除了吃喝睡，假期也打算把热力学相关的内容做一下梳理，算是为奢侈的堕落生活画上一个圆满的句号。

参考书籍是近期正在啃的一本英文原版书，Thermodynamics:AnEngineeringApproach第7版，是由美国内华达大学机械工程系尤努斯A.切盖尔和北卡罗来纳大学机械和航天工程系的迈克尔A.博尔斯合著的工程热力学经典书籍。

本文先对热力学的一些基本概念做简要总结，为之后的内容做铺垫。

热力学研究什么？

研究热能的有效利用及热能和其他形式能量的转换规律。

为什么要研究热力学？

节能，环保。因为能源动力必然伴随环境问题，想要青山绿水就必须在节能和环保两个方面做足工作。

热力学要学哪些内容？

1.能量转换的基本定律2.工质的基本性质与热力过程3.热工转换设备工作原理

4.化学热力学

热力学研究方法有哪些？

经典热力学，是基于连续介质的宏观研究方法。请注意，热力学的宏观规律基本都是实践总结出来的，并不是数学理论严格推导出来的，因此只在可见范围内成立。比如考察尺度极小的原子内或者尺度极大的天体间的热力关系，现有的规律就不见得能成立。

统计热力学，是从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律。由于分子的运动是无序的，所以基于统计研究的模型几乎都是近似的，模型本身就有误差。

经典热力学在大多数工程问题上都足够用了，统计热力学更多地是用来做科研。

相关学科

1.工程热力学2.传热学3.流体力学4.燃烧学

5.热物性学

设计一个热力系统，首先要利用工程热力学的知识判断方案的可行性，方案可行后就进入传热学的问题，在解决如何更好地传热时就要用到流体力学的知识，如果问题还涉及燃烧，就要用到燃烧学或化学反应动力学方面的知识，最后，只要是热力系统就一定会有工质，那工质的热物性学也是必然会用到的知识。要想成为真正的专家，那就死磕以上知识吧。

典型热力系统及其基本特征

典型热力系统：

1.活塞式内燃机2.燃气轮机（飞机发动机、电厂）3.制冷设备

4.热泵

基本特征：

1.热源，冷源2.工质3.膨胀做功，容积变化功4.循环（能持续工作的热力系统才是有价值的）

火力发电厂原理解析

图1是家乡的火力发电厂，所谓火力就是烧煤，谁让咱煤多呢。一大堆的设备最终要实现的就是将煤内蕴含的化学能转化成电能，升压后输送到国家电网为民族的伟大复兴做贡献。

图1火力发电厂

发电过程大致可以分为三个阶段。

阶段一：烧锅炉，将煤的化学能转化成热能

把煤点了烧锅炉，使锅炉中的水变成蒸汽的系统称为燃烧系统。如图2，燃烧系统由输煤、磨煤、制粉、燃烧、风烟、灰渣等环节组成。

图2燃烧系统

阶段二：过热蒸汽生推汽轮机，将热能转化为机械能

将热能转为机械能的系统称为汽水系统。请注意，这里不是指宏宝莱啊

如图3，汽水系统由锅炉、燃气轮机、凝汽器、除氧器、加热器等设备及管路构成，包括凝给水系统、再热系统、回热系统、冷却水系统和补水系统。请注意，推动燃气轮机的工质是密闭的，而用来冷却蒸汽的工质则不一定，靠近河流可能会直接使用河水，如果没有河流，会用冷却塔，而冷却塔最终是靠风冷把热散到环境中的。

图3汽水系统

阶段三：汽轮机带动发电机，将机械能转为电能

这一部分称为电气系统，该系统不包含典型热力过程，不再赘述。

以上是烧煤的火力电厂的基本原理解析，其它如烧气的、烧油的、核裂变的电厂，只是阶段一不同，即获取热能的方式不同，而阶段二、三则基本相同，都是通过蒸汽推汽轮机，然后汽轮机再推发电机进行发电。显然，整个发电系统就包含了典型的热力转化系统。

以上内容对热力学究竟要干什么做了基本的介绍，下面就重点介绍热力学的基本概念。基本概念的理解对于热力学的学习非常重要，因为热力学其实是一门哲学！！！系统（对于热力学问题，一定要先明确系统）就像物理上的受力分析一定要先明确分析对象一样，研究热力学也必须先明确分析对象，而这个分析的对象就定义为系统。系统可以是一团物质，也可以是一块区域，总之就是人为定的，怎么能让问题简单就怎么定。有了系统的概念，就可以将问题分解为要研究的对象、外界、以及系统和外界过渡处的边界，系统和外界的作用都要通过边界。边界可以是固定的，也可以活动的，可以是真实存在的，也可以是自己直接框定后假设的。以系统和外界的关系可以将系统划分为：

其中，闭口系（控制质量）、开口系（控制容积）、绝热系、孤立系是四个最典型的系统（图4）。注意，任何非孤立系+相关外界就可以转化为孤立系。

图4典型系统

图5人为选系统

简单可压缩系，是最重要的一种系统，该系统只交换热量和一种准静态的容积变化功。常见的压缩和膨胀都属于容积变化。

状态和状态参数

所谓状态，即热力系统在某一时刻所呈现的宏观状态。状态参数，即用来描述热力系统状态的物理量。

1.状态参数的特征

1）状态确定，状态参数就确定。

2）积分特征，状态量与路径无关，只与系统的初终态有关，对应数学上的点函数和态函数。比如爬山，状态量就是海拔，和你从什么路径爬上去无关。

3）微分特征，对应数学上的全微分。2.判断状态参数的充要条件3.状态参数分类1）强度量，intensiveproperties与物质的量无关的参数，如温度T，压力p。2）广延量，extensiveproperties

与物质的量有关的参数，如质量m，容积V，内能U，焓H，熵S。广延量除以质量或摩尔量可转化单位量的比参数，比参数可以当做强度量使用，如比容v，比内能u，比焓h，比熵s。

总结一下：

a）状态参数字符都用斜体表示；b）强度量，压力一般用小写p，温度用大写T；c）广延量，除质量m是小写外，其他参数都为大写；d）比参数都是小写，而且由于比参数具有强度量的性质，应用比广延量更广泛；

e）压力p，温度T，比容v是基本状态参数，即工程上容易测量的参数。

4.状态参数的测量

1）压力p

热力学中的压力对应的是物理中的压强，单位为Pa，帕斯卡是一个很小的单位，工程上常用单位有：

图6工程压力换算

所谓大气压，其实就是你头顶上空气的重力，是地心对大气的引力作用产生的。大多数时候我们都是在大气压下测量，测压表测到的是表压力，也就是不包含大气压部分，但是我们必须要注意，绝对压力才是热力学中的状态参数。另外，也要注意，环境压力并不一定是大气压力，如果测压表本身就是放在一个有压力的容器内，那它测到的压力加上该容器内的环境压力才是绝对压力。

通过图7可以很直观地分清楚大气压力、表压力、绝对压力、真空度的概念。

图7压力示意图

实际的大气压随时间和地点是变化的，但是，工程中，当处理的问题高度变化不大时，密度就认为是常数，如果高度变化很大，就必须考虑密度随高度的变化，此时的大气压就需要积分求。

工业上通常用压力传感器测量工质压力，是通过膜片微电压的不同来确定其压力。精度最高的是活塞压力计，其原理是转化成测砝码重量来确定压力，通常用来做其它测压仪器的标定。

2）温度T

按高中物理的定义，温度就是冷热程度的一个度量，但是说实话温度很难直观的感受到，即使同样是20℃，触摸钢铁仍然会比触摸木头要冷。这是因为我们感受到的是热流量，也就是热量传递的快慢。

如果从分子动力学角度考虑，温度反映的是分子平均动能的度量，与分子运动的平方成正比。那当物体达到绝对零度时，分子到底还动不动？答案是还在动，会有零点能。

热力学第零定律证明了温度的可测性，第零定律指出：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。如图8，如果AB和BC分别达到热平衡，那AC也一定达到热平衡。如果将B看做是一个温度计，就是用A标定好的温度计B，可以拿来去测量C的温度。

图8第零定律描述

温度的热力学定义：处于同一热平衡状态的各个热力系统，必定有一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量，就定义为温度。温度是确定一个系统是否与其他系统处于热平衡的物理量。

有了温度的定义后，还需要人为规定一下具体的温度点，也就是温标的规定。图9是绝对温标、摄氏温标、华氏温标的对应关系。

图9温标对应关系

常见的温度测量工具有：a）水银温度计

b）酒精温度计

c）热电偶，铜和康铜

d）热电阻

e）辐射温度计

f）铂电阻温度计

g）激光全息干涉仪

h）CARS法，相干反斯托克斯拉曼光谱

3）比容v

比容表示的是工质聚集的疏密程度，其倒数就是我们熟悉的密度。

平衡状态

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。平衡状态贯穿于整个热力学的学习过程，必须掌握。

这里要注意区分一下平衡状态和稳定状态。不受外界影响的稳定是平衡态，而受外界影响的稳定并不是平衡态，也就是说平衡必稳定，稳定却不一定平衡。

常见的平衡状态有：热平衡、压力平衡、相平衡、化学平衡。只要系统内没有不平衡的势，就是达到了平衡。

另外还需要区分平衡和均匀的区别，平衡是从时间上衡量的，即状态参数不随时间变化，而均匀是从空间上衡量的，即系统内任何位置的状态参数都一致。显然，平衡不一定均匀，但单相平衡态则一定是均匀的。

从以上定义看，平衡其实是一个死态，我们实际更