工程热力学第一章课件.ppt

1、工程热力学教材与参考书： 工程热力学 (第4版) 沈维道等编，高等教育出版社2007 工程热力学 (第3版) 曾丹苓等编，高等教育出版社2002 热物理学概论胡汉平、程文龙编著 中国科大出版社 2009 热力学 （日）圆山重直 主编 北京大学出版社 2011 Fundamentals of Classical Thermodynamics 4th Edition Gordon J Van Wylen, etc. John Wiley and Sons InclThermodynamics-An Engineering Approach 4th Edition Yunus A. engel an

2、d Michael A. Boles McGraw Hill绪 论 热是什么？ 热是一种能量。一种可使房间变暖、物体膨胀、冰块融化等事件发生的能量，一种与温度有关的能量（增加动能、化学能、核能不能改变物体的温度）。实际上，它是组成物体的微观粒子杂乱运动（亦称热运动）的能量。热可储存在物体内，也能从一个物体“流”到另一个物体。加热和冷却是热的输运，它改变着物体的温度进而其聚集状态。温度在热现象中扮演了一个中心角色。热本质探索史：古代：公元前八世纪我国商周时期的“五行” 说 公元前六世纪西方古希腊时期的“本源”说；近代：热质说与热动说之争也困扰人类达几个世纪。 直到十九世纪中叶，由于迈尔、焦耳等人

3、的工作 现阶段自然界可为人类利用的能源种类有哪些？ 煤、石油、天然气等矿物燃料的化学能、 风能、水力能、太阳能、地热能、原子能、 海洋能（潮汐能、波浪能）等。 氢是一种能源吗？ 氢能不是一次能源，故不能与上述能源并列。 氢只是能量的载体，是否是绿色能源，视制取方式而定。l 空气能是一种能源吗？ 空气能实际上是空气所含的热能。类似的有空气能热水器、地源热泵 上述能源是如何利用的？ 除了风能和水力能等少数几种是以机械能的形式提供能量外，其它则主要以热能的形式或转换为热能（如煤、油燃烧及原子核反应）的形式供人们利用，可见能量的利用过程实质上是能量的传递和转换过程。世界上经过热能形式而被利用的能量平均

4、超过85，我国则占90以上，因此，能量利用中热能起核心作用，热能的开发利用对人类社会的发展有着重要意义。 为什么要学工程热力学？ 工程热力学的“热”指的是热能，“力”指的是机械能，顾名思义，其是研究热能与机械能转化规律的。 热能的有效利用，包括直接的热利用（如冶金、化工、食品等工业和生活中所需的各种加热）和间接的动力利用（将其转换成机械能或电能以提供动力）以及节能都离不开工程热力学的指导。此外，它在制冷与热泵、空气分离、空气调节、太阳能利用、化学反应过程、生物工程、高能激光、超导传输、航空航天等许多方面都有广泛应用。 能量守恒为什么还会有能源危机？ 提供能量来源的物质危机，实质上是能量危机。能

5、量守恒为什么还会有危机？要讲清这问题，必须引入能量品位或品级的概念。虽然能量有化学能、核能、热能等多种形式，但它们的品位是不同的，即它们的作功能力不同。 如其中热能的品位最低，如电能、机械能等可百分之百用于作功，而热能只能部分作功。能量的转化过程中，虽然数量保持不变，但品位在不断下降，即在不断贬值。现有能量中可用于作功的部分越来越少，故有能源危机。 火用+火无=常数 能量利用为什么基本都通过热能中转？目前还有其它较先进的能量利用方式吗？ 正因为热能的品位低，别的高品位能量很容易转变成热能，故能量利用基本都通过热能中转，故世界上经过热能形式而被利用的能量平均超过85，我国则占90以上。 实际上，

6、不管什么能量，最终都耗散成热。（这一点，只要看看电脑机箱中有那么多的风扇和散热片就明白了。） 现能源利用基本上遵循的是：化学能热能机械能电能 路线，但其中热能机械能转化效率受热力学定律的限制，故有化学能电能直接转化的燃料电池，也有热能电能的磁流体发电等新型较先进的能量转化方式正在研究，但目前还不够成熟，还有许多技术问题没有完全解决。此外，还有光能电能直接转化的光伏电池。人类热能动力利用及热力学发展史 热（能动）力机械简介十八世纪以前： 人力、畜力、风力、水力十八世纪：蒸汽机发明，实现了热能向机械能的转化，为工业革命的发端。可以说，热能动力利用是现代工业和科技文明的基础；十九世纪： 蒸汽轮机、内

7、燃机；二十世纪： 燃气轮机、喷气发动机、现代核动力装置、燃料电池。 一些典型的热能动力转换装置：内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机、喷气发动机、核动力装置及制冷（热泵）装置原理介绍见参考书 。 热力学发展史对热能动力装置热效率提高的追求促进了热力学的发展 热力学第零定律 1930 热力学第一定律 1850 热力学第二定律 1824 热力学第三定律 1912 可用能的概念 1942工程热力学的研究内容和研究方法主要内容：热能与机械能的转换规律热力学基本定律，这是分析问题的基础和依据。工质的热力性质。工质是能量的载体。对借助于工质实施的能量转换过程的具体分析研究需要了解工质的相关性质。基本热力过程与各种装

8、置的热力循环分析。研究方法：以“宏”为主，以“微”为辅；大量采用抽象、概括、理想化和简化的方法。热力学的方法及语言力学研究由少量粒子组成的微观系统；使用位置、速度等反映每个粒子运动的“微观变量”；采用运动方程，求变化的细节。量子力学采用的是包含微观粒子量子态全部信息的“波函数”。热力学研究由大量粒子组成的宏观系统；使用温度、体积、压力、能量、熵等反映系统整体性质的“宏观变量”；采用能量方程和熵方程，不究变化过程的细节，只求系统整体变化的结果。由一系列特殊词汇概念构成其语言，须准确掌握。宏观研究方法与微观研究方法 宏观研究方法是以一些基本的唯象定律为基础，针对具体问题采用抽象、概括、理想化和简化

9、的方法（如将燃气、水蒸气等抽象成理想气体，将实际过程简化为可逆过程进行分析，然后再修正），抽出共性，突出本质，建立分析模型，推导出一系列有用的公式，得到若干重要结论。由于这些基本定律为大量的经验观察所证实，是可靠和普适的，故采用宏观研究方法所得到的结果也是可靠的。缺憾是其不能对热现象的本质及内在原因给予解释。微观研究方法是从物质是由大量分子和原子等粒子所组成的事实出发，将宏观性质作为在一定宏观条件下大量分子和原子的相应微观量的统计平均值，利用牛顿力学或量子力学以及统计方法，将大量粒子在一定宏观条件下一切可能的微观运动状态予以统计平均，得到物质的宏观特性和有关热的基本定律。因而其可阐明热现象的本

10、质，解释其发生原因。但其对微观粒子（分子或原子）的结构及相互作用做出的模型假设只能是近似的，这就导致所求得的理论结果往往不够精确。 工程热力学主要应用宏观的研究方法以确保结果的可靠实用，辅之以统计物理的微观解释以加深理解。 第一章 概念与定义1. 热力系统热力系统 与力学中的隔离体概念类似，为便于分析，与力学中的隔离体概念类似，为便于分析，热力学热力学中常将一定量的中常将一定量的物质或空间物质或空间人为分割出来作为研究对象，人为分割出来作为研究对象，此即为热力系统（简称热力系或此即为热力系统（简称热力系或系统系统）。环绕系统的外）。环绕系统的外部物体统称为部物体统称为外界或环境外界或环境。系统

11、与外界的交界面称为。系统与外界的交界面称为边边界界。 外界外界或环境或环境可以是自然存在的，如大气环境，也可以是人为设置可以是自然存在的，如大气环境，也可以是人为设置的，如恒温设备一类，总之应是的，如恒温设备一类，总之应是真正对系统状态产生直接影响的部真正对系统状态产生直接影响的部分分。系统的边界既可以是固定的又可以是活动的，既可以是真实的，。系统的边界既可以是固定的又可以是活动的，既可以是真实的，又可以是虚构的（见图又可以是虚构的（见图1-11-1）。）。 系统分类 根据系统与外界相互作用中根据系统与外界相互作用中质量和能量交换情况质量和能量交换情况，热力系又可分为，热力系又可分为 闭口系闭

12、口系、开口系开口系和和孤立系孤立系。闭口系闭口系：与外界之间只有能量交换而无质量交换的系统与外界之间只有能量交换而无质量交换的系统。物质不能透过物质不能透过 其边界其边界，系统质量保持恒定不变，故闭口系统又叫做，系统质量保持恒定不变，故闭口系统又叫做控制质量控制质量。开口系开口系：与外界之间既有能量交换又有质量交换的系统与外界之间既有能量交换又有质量交换的系统。物质可透过边物质可透过边界在其与外界间流动界在其与外界间流动。系统内的能量和质量均可变化，但这种变化的空。系统内的能量和质量均可变化，但这种变化的空间间范围范围不变，故开口系统又叫做不变，故开口系统又叫做控制容积控制容积，或，或控制体，

13、控制边界控制体，控制边界。孤立系孤立系：与外界之间既无能量交换又无质量交换的系统与外界之间既无能量交换又无质量交换的系统。孤立系统的一。孤立系统的一切相互作用都发生在系统内部。切相互作用都发生在系统内部。 以上是最常用的热力系分法。当然根据系统的其它特点还可有一些以上是最常用的热力系分法。当然根据系统的其它特点还可有一些别的分法别的分法，如根据，如根据物质种类划分的物质种类划分的单元系与多元系单元系与多元系；根据物质聚集状态划分的；根据物质聚集状态划分的单相系与多相系单相系与多相系等。另外还有等。另外还有与外界无热交换的与外界无热交换的绝热系绝热系；具有无限大热容量以致吸入或放出有限的热量其温

14、度不变的特；具有无限大热容量以致吸入或放出有限的热量其温度不变的特殊系统殊系统热源或冷源热源或冷源；以及由可压缩物质构成的；以及由可压缩物质构成的可压缩系统可压缩系统。热力工程中最常用的工作。热力工程中最常用的工作物质物质 （简称工质）即是可压缩流体。（简称工质）即是可压缩流体。 系统既可以是某一个或几个物体，也可以是物体的某一部分，甚至只系统既可以是某一个或几个物体，也可以是物体的某一部分，甚至只是由某些边界围成的空间，故热力学中是由某些边界围成的空间，故热力学中系统的概念较物体的概念要宽系统的概念较物体的概念要宽泛泛得多。得多。正确选择热力系是进行热力学分析的前提正确选择热力系是进行热力学

15、分析的前提。热力系选得好，。热力系选得好，可使分析过程简单、明了。可使分析过程简单、明了。 （a）闭口系出口进口（b）开口系图1-1 系统与边界2.平衡状态平衡状态 热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为热力系的热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为热力系的状态状态。 在没有外界影响的条件下在没有外界影响的条件下，若系统的各部分在长时间内不再发生任何，若系统的各部分在长时间内不再发生任何宏观上可观测的变化，即称其进入了宏观上可观测的变化，即称其进入了平衡状态平衡状态。 注意：注意：平衡状态平衡状态稳定状态稳定状态 成因分析：成因分析：平衡状态本质上是一些过程的结果。设想系统内或系统与外界平

16、衡状态本质上是一些过程的结果。设想系统内或系统与外界间有不同温度的物体热接触，则经验告诉我们，必然有热自发地从高温物间有不同温度的物体热接触，则经验告诉我们，必然有热自发地从高温物体传向低温物体，系统的状态不断变化，最终达到一个温度均匀的状态。体传向低温物体，系统的状态不断变化，最终达到一个温度均匀的状态。可见温差驱动了热流，直至温差消失，系统建立起了可见温差驱动了热流，直至温差消失，系统建立起了热平衡热平衡。同样，如果。同样，如果系统内或系统与外界间有压力差存在，必将引起宏观物体的位形变化，系系统内或系统与外界间有压力差存在，必将引起宏观物体的位形变化，系统状态不断变化直至力差消失而建立起统

17、状态不断变化直至力差消失而建立起 力平衡力平衡。诸如。诸如温度、压力等温度、压力等可统可统称为称为势势。不平衡势（势差）是使系统状态发生变化的驱动力不平衡势（势差）是使系统状态发生变化的驱动力。对于有相变对于有相变或化学反应的系统，是化学势差引起相转变或化学组成的变化或化学反应的系统，是化学势差引起相转变或化学组成的变化。 对于一个状态可以自由变化的热力系，如果对于一个状态可以自由变化的热力系，如果系统内及系统与外系统内及系统与外界之间的一切不平衡势都不存在，界之间的一切不平衡势都不存在，则热力系的一切可见的宏观变化则热力系的一切可见的宏观变化均将停止，此时热力系所处的状态即是均将停止，此时热

18、力系所处的状态即是平衡状态。平衡状态。 热力学处理问题的方法 热力学热力学以以平衡态平衡态这样一种最简单的热力学状态这样一种最简单的热力学状态作为自己的主要作为自己的主要研究对象研究对象。这是它不问细节只求。这是它不问细节只求结果的结果的简捷研究方法简捷研究方法所决定的。抛开使用所决定的。抛开使用“运动运动”方程计算实际复杂的不平衡过程进行的细节，方程计算实际复杂的不平衡过程进行的细节，只只计算过程的结果，即系统状态的最终变化计算过程的结果，即系统状态的最终变化。这样。这样只要只要抓住抓住系统变化的系统变化的初始初始和和终了终了两个平衡态即可。两个平衡态即可。状态参数 处于处于平衡状态平衡状态

19、的单相热力系，若重力场造成的差别可忽略，的单相热力系，若重力场造成的差别可忽略，应应具有均匀一致的温度具有均匀一致的温度T T、压力、压力p p等，故可以用确定的等，故可以用确定的T T、p p等物理量来描述。用来等物理量来描述。用来描述热力系平衡状态的物理量称为描述热力系平衡状态的物理量称为状态参数状态参数。 常用的状态参数有常用的状态参数有6 6个：个：压力压力p p、体积、体积V V、温度、温度T T、 内能内能U、焓、焓H、熵、熵S 。 其中，前三个是可测物理量，称为其中，前三个是可测物理量，称为基本状态参量基本状态参量。后面将。后面将要指出，仅从几个热力学基本定律出发，后三个不可测量

20、要指出，仅从几个热力学基本定律出发，后三个不可测量就可用前三个可测量来表示。就可用前三个可测量来表示。 基本状态参数压力 热力学中的压力指的是气体压强， 法定单位：帕（Pa） 1 Pa=1 N/m2 其它单位：巴（bar）、标准大气压（atm）、工程大气压（at）、 毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）。 1 atm = 760 mmHg =10332.3 mmH2O （相当于我国黄海海面大气压，可将水银柱支持760毫米高，水10.3米）， 1 atm =1.033 at （kg/cm2） ， 1 bar =105 Pa =0.9869 atm =1.0197 at ，可见巴（ bar

21、 ）与两个大气压接近. Pa的单位太小，故常用MPa （106Pa）或bar 关于压力的测量，关键是抓住 当地大气压pb 的概念。当地指的是所处位置的大气压。 压力计测得是表压力pe或真空度pv ，它是一个相对压力 ，它与绝对压力的关系 beppppppbv比体积 关于体积，没有太多好讲的，这里重点讲一下 比体积，即单位物质所占的体积 它与 密度 互为倒数。温度 温度这一概念在热科学中占据中心地位，放到后面详细讲。 mVv Vm 广延量与强度量势与位 状态参数除状态参数除压力压力p p、体积、体积V V、温度、温度T T、内能内能U、焓、焓H、熵、熵S 还有许多，如还有许多，如自由能自由能F、

22、自由焓自由焓G等，它们是上述常用状态参数的某种组合。等，它们是上述常用状态参数的某种组合。另外，若是电介质处于电场中或磁性物质处于磁场中，还应有另外，若是电介质处于电场中或磁性物质处于磁场中，还应有电场强度电场强度E、总极化强度总极化强度P、磁场强度磁场强度H、总磁化强度、总磁化强度M。以上这些以上这些物理量可分为两大类物理量可分为两大类。一类。一类与系统的质量有关，称为与系统的质量有关，称为广延量广延量。如上。如上述的述的V、U、H、S、F、G、P、M等。这些量可以等。这些量可以“分割分割”，系统，系统总量等总量等于各部分之和于各部分之和。因而，可以问譬如系统某一部分（甚至某一微元）的体积、

23、。因而，可以问譬如系统某一部分（甚至某一微元）的体积、能量是多少，能量是多少，但不但不能问某一能问某一“点点”的体积、能量是多少。另一类的体积、能量是多少。另一类与系统的与系统的质量无关，称为质量无关，称为强度量强度量。如上述的。如上述的p、T、E、H等。强度量等。强度量不不具有具有加和加和性，性，但但可可以逐以逐点点地测量和改变，可以造成空间均匀或不均匀的分布。地测量和改变，可以造成空间均匀或不均匀的分布。 广延量除以总质量即可转化为强度量，但在其相应的名称前须冠以广延量除以总质量即可转化为强度量，但在其相应的名称前须冠以“比比”字，并用小写字母字，并用小写字母表示，如比体积表示，如比体积v

24、、比内能、比内能u、比焓、比焓h、比熵、比熵s等。等。 广延量广延量和和强度量强度量基本上是基本上是成对出现成对出现的：的：体积体积V和和压力压力p，熵熵S和和温度温度T，总极总极化强度化强度P和和电场强度电场强度E，总磁化强度总磁化强度M和和磁场强度磁场强度H，等等。，等等。每一对变量的每一对变量的乘积乘积，例如，例如pV，TS，EP，HM都都具有能量的量纲具有能量的量纲，故它们又称为，故它们又称为“共轭共轭”变量变量。其中的。其中的强度量强度量，我们前面说了，称为，我们前面说了，称为“势势”，那么相应的，那么相应的广延量广延量，我们也给它一个名称，叫作我们也给它一个名称，叫作“位位”。位的

25、变化是由其相应势的不平衡所导位的变化是由其相应势的不平衡所导致致的，譬如，压力差导致系统体积变化，温度差导致系统熵的变化，等等。的，譬如，压力差导致系统体积变化，温度差导致系统熵的变化，等等。故故势势决定着其相应决定着其相应位位发生发生变化变化的的趋势趋势，强度量强度量控制着系统的状态变化。控制着系统的状态变化。 后面将要讲到，各种势与其相应位的变化的乘积（如后面将要讲到，各种势与其相应位的变化的乘积（如pdV，TdS，EdP，HdM等）均等）均为为可逆热力过程中系统与外界交换的能量可逆热力过程中系统与外界交换的能量 。 势参量不仅是系统的属性，当系统的状态被确定以后，若势参量不仅是系统的属性

26、，当系统的状态被确定以后，若没有外部约束没有外部约束（如刚性壁、绝热壁等），系统与环境之间还要维持热平衡、力平衡等势（如刚性壁、绝热壁等），系统与环境之间还要维持热平衡、力平衡等势平衡。也就是说，平衡。也就是说，外界可以通过温度、压力等势的变化来外界可以通过温度、压力等势的变化来影响影响和和规定规定系统系统的性质和状态的性质和状态，因此，因此，T T、p p等势参数有时也叫外参数。等势参数有时也叫外参数。 状态方程热力系的状态由状态参数来描述。这些状态参数分别从不同的角度描述系热力系的状态由状态参数来描述。这些状态参数分别从不同的角度描述系统某一方面的宏观特性。统某一方面的宏观特性。状态参数状

27、态参数有许多，但它们有许多，但它们之间并非彼此独立之间并非彼此独立而是而是存在一定的相互依赖关系存在一定的相互依赖关系。事实上，经验告诉我们：常常。事实上，经验告诉我们：常常仅需选择少数几仅需选择少数几个个独立独立状态参量就状态参量就可确定一个热力系的平衡状态可确定一个热力系的平衡状态。其余的状态参数也因之。其余的状态参数也因之确定，故可作为这些独立变量的函数。确定，故可作为这些独立变量的函数。热力系独立的状态参数的个数如何确定？热力系独立的状态参数的个数如何确定？系统的状态变化由势控制，而不同的势系统的状态变化由势控制，而不同的势相互独立，故自然想到系统独立的状态参数的个数等于系统中势的个数

28、。但在给定的条件下，相互独立，故自然想到系统独立的状态参数的个数等于系统中势的个数。但在给定的条件下，有些势对系统的状态变化不起作用，譬如，在无外部电场（或磁场）的情况下的电场强度有些势对系统的状态变化不起作用，譬如，在无外部电场（或磁场）的情况下的电场强度（或磁场强度），用刚性壁（或绝热壁）将系统与外界完全隔开情况下的压力（或温度）等（或磁场强度），用刚性壁（或绝热壁）将系统与外界完全隔开情况下的压力（或温度）等势。势。故准确地说，故准确地说，系统独立的状态参数的个数应是系统与外界系统独立的状态参数的个数应是系统与外界有相互作用有相互作用的的势的个数势的个数，即等于起作用的外参数的个数。即等

29、于起作用的外参数的个数。在一定的外界条件下，若热力系与在一定的外界条件下，若热力系与环境之间存在不平衡势，将会驱动系统的状态变化。每达到一种平衡对应一种不平衡势的消环境之间存在不平衡势，将会驱动系统的状态变化。每达到一种平衡对应一种不平衡势的消失，从而可得到一个确定的描述系统平衡特性的状态参数。所有不平衡势消失，系统的平衡失，从而可得到一个确定的描述系统平衡特性的状态参数。所有不平衡势消失，系统的平衡状态也告确定。状态也告确定。 状态公理对于组成一定的闭口系统，其与外界的相互作用只表现为能量交换，与对于组成一定的闭口系统，其与外界的相互作用只表现为能量交换，与每对共轭的势与位每对共轭的势与位相

30、应的相应的能量交换能量交换独立进行，因而，独立进行，因而，决定其平衡状态的决定其平衡状态的独立变量的个数也等于系统与外界交换能量的方式的总数独立变量的个数也等于系统与外界交换能量的方式的总数。在这些方式。在这些方式中，除了一种为微观的传热外其余均为宏观的作功，故中，除了一种为微观的传热外其余均为宏观的作功，故确定其平衡态的确定其平衡态的独立状态参数的个数为独立状态参数的个数为n+1。 n为可能的功的形式数。这称为为可能的功的形式数。这称为状态公理。状态公理。简单可压缩系即只有体积变化功（膨胀功或压缩功）而不存在电功、磁功等其它简单可压缩系即只有体积变化功（膨胀功或压缩功）而不存在电功、磁功等其

31、它形式的功，则根据状态公理，决定其平衡状态的独立状态参数只有形式的功，则根据状态公理，决定其平衡状态的独立状态参数只有2 2个。原则上，个。原则上，可以任意选取一对独立参数作为自变量，其余参数则为因变量。但通常在基本状可以任意选取一对独立参数作为自变量，其余参数则为因变量。但通常在基本状态参数态参数p p、V V、T T中任选一对自变量。对于基本状态参数，可有中任选一对自变量。对于基本状态参数，可有 p=p（V，T），）， V=V（p，T），）， T=T（p ，V） 或综合写成或综合写成 F（p，V，T）=0 此此反映基本状态参数反映基本状态参数p、V、T 间函数关系的方程式称为物质的间函数关

32、系的方程式称为物质的状态方程状态方程式式，它是一种描述物质自身性质的本征方程。如：它是一种描述物质自身性质的本征方程。如：理想气体状态方程式理想气体状态方程式 mRTpV 虽然热力学告诉我们：一般化学结构和组成均匀一致的纯虽然热力学告诉我们：一般化学结构和组成均匀一致的纯物质均存在关系式物质均存在关系式F（p，V，T）= 0 ， 但它却不能给出但它却不能给出任何物质这一任何物质这一关系式的具体形式，这还有赖于实验及对物关系式的具体形式，这还有赖于实验及对物质结构的认识质结构的认识。热力学理论可指导实验，却不能代替实验。热力学理论可指导实验，却不能代替实验。 对简单可压缩平衡热力系，由于独立的状

33、态参数只有两个，对简单可压缩平衡热力系，由于独立的状态参数只有两个，因而可用任意因而可用任意两个独立状态参数组成二维平面坐标系两个独立状态参数组成二维平面坐标系。坐。坐标图上的任意一点代表某一确定的平衡状态，如图标图上的任意一点代表某一确定的平衡状态，如图1-21-2所所示。这种由热力状态参数组成的坐标系称为示。这种由热力状态参数组成的坐标系称为热力状态坐标热力状态坐标系系。它使系统的热力状态及其变化过程可视，给热力学研。它使系统的热力状态及其变化过程可视，给热力学研究带来了很大方便，已成为研究实际热力学过程的有效的究带来了很大方便，已成为研究实际热力学过程的有效的建模工具建模工具。 必须指出

34、：必须指出：只有平衡状态才能用状态坐标图上的点表示只有平衡状态才能用状态坐标图上的点表示。不平衡状态由于没有确定的热力状态参数，无法在图上表不平衡状态由于没有确定的热力状态参数，无法在图上表示。示。 （a）p-V图（b）T-S图图1-2 常用的热力状态图pvTs3. 准平衡过程准平衡过程 热力系若总是处于某个平衡态将毫无作为，因一切的变化都停止。而热力系若总是处于某个平衡态将毫无作为，因一切的变化都停止。而能能量的传递、转换等都需通过某个热力过程即热力系状态连续变化的过程量的传递、转换等都需通过某个热力过程即热力系状态连续变化的过程来完成，这只有当系统处于非平衡状态下才有可能。来完成，这只有当

35、系统处于非平衡状态下才有可能。那么，研究平衡态那么，研究平衡态的热力学能否对的热力学能否对非平衡过程非平衡过程进行表述和计算呢？进行表述和计算呢？分析：分析：在外界条件给定的情况下，系统终将进入平衡态。此时一切的内、外在外界条件给定的情况下，系统终将进入平衡态。此时一切的内、外不平衡势都消失，若外界条件不变，则系统的状态也不发生变化。可见不平衡势都消失，若外界条件不变，则系统的状态也不发生变化。可见打破这种平衡的必是外界的变化。打破这种平衡的必是外界的变化。 外界可通过温度、压力等势的变化外界可通过温度、压力等势的变化使其与系统间产生势差，从而影响系统，使系统的状态和性质发生变化，使其与系统间

36、产生势差，从而影响系统，使系统的状态和性质发生变化，直至与外界达成新的平衡。直至与外界达成新的平衡。注意，这里出现两个有因果关系的变化。一注意，这里出现两个有因果关系的变化。一是外界的首先变化，另一是系统的随之变化。与之相应的有两个时间，是外界的首先变化，另一是系统的随之变化。与之相应的有两个时间，一是一是外界势参数的变化时间外界势参数的变化时间，它取决于其变化量与变化速度；另一是，它取决于其变化量与变化速度；另一是系系统状态的自我调整时间统状态的自我调整时间，即系统由非平衡态趋向新的平衡态所需的时间，即系统由非平衡态趋向新的平衡态所需的时间，通常称为通常称为弛豫时间弛豫时间。 若外界变化的速

37、度很快以致系统的调整跟不上，则在其变化若外界变化的速度很快以致系统的调整跟不上，则在其变化过程中，系统内部始终处于非平衡状态，其与外界间有有限过程中，系统内部始终处于非平衡状态，其与外界间有有限的势差存在。这时无法用一个确定的参数去描述非均匀的系的势差存在。这时无法用一个确定的参数去描述非均匀的系统状态，更谈不上对与过程有关的量进行计算。但反之，若统状态，更谈不上对与过程有关的量进行计算。但反之，若外界变化的速度很慢，则系统的调整时间相对来讲可忽略，外界变化的速度很慢，则系统的调整时间相对来讲可忽略，可近似认为整个系统在变化过程中几乎时时紧跟外界的变化。可近似认为整个系统在变化过程中几乎时时紧

38、跟外界的变化。理想的极限情形为：任何时刻系统的状态都无限接近于外参理想的极限情形为：任何时刻系统的状态都无限接近于外参数在那一时刻停止变化后可能达到的平衡态，与外界的各种数在那一时刻停止变化后可能达到的平衡态，与外界的各种势差为无限小。这种势差为无限小。这种无限缓慢无限缓慢的的热力过程称为准平衡过程，热力过程称为准平衡过程，或准静态过程。或准静态过程。这一概念的根本特点是：过程发生时，系统这一概念的根本特点是：过程发生时，系统的状态既连续不断地改变但又时时不偏离平衡。动中有静，的状态既连续不断地改变但又时时不偏离平衡。动中有静，静中寓动。它很好地化解了静中寓动。它很好地化解了“平衡平衡”与与“

39、变化变化” ” 这一对矛盾。这一对矛盾。 准平衡过程把热力系变化所经历的一连串中间状态抽象为准平衡过程把热力系变化所经历的一连串中间状态抽象为一个平衡态的系列一个平衡态的系列，因而其可用状态参数描述和分析，并，因而其可用状态参数描述和分析，并可用状态参数坐标图上的一条连续曲线表示。可用状态参数坐标图上的一条连续曲线表示。图1-3 准平衡变化过程示意图ytddtdy4.4.可逆过程可逆过程系统与外界间存在系统与外界间存在有限势差有限势差的热力过程，是一的热力过程，是一迅速发生迅速发生的的非平衡过程非平衡过程，其向着使势差消除的方向进行。因而是其向着使势差消除的方向进行。因而是单向单向的即的即不可

40、逆不可逆的过程。的过程。 无限小势差无限小势差的推动下的推动下缓慢缓慢进行的进行的准平衡过程准平衡过程，系统在变化过程中时刻保，系统在变化过程中时刻保持着内外的各种平衡。因而有理由设想：这一变化持着内外的各种平衡。因而有理由设想：这一变化或许或许可随时随地反向可随时随地反向进行，即过程是进行，即过程是可逆可逆的。的。前提：前提：无无摩擦、磁滞、电阻等摩擦、磁滞、电阻等耗散效应耗散效应因素存在。因素存在。分析：分析： 准平衡过程着重于系统的平衡，可将准平衡过程着重于系统的平衡，可将摩擦力等耗散因素摩擦力等耗散因素计入外界的势中一并计入外界的势中一并考虑。考虑。 涉及到过程的涉及到过程的可逆性问题

41、可逆性问题，情况就大不一样，须将其从外界势中分离出，情况就大不一样，须将其从外界势中分离出来来单独考虑单独考虑。若无耗散效应存在，准平衡过程中，系统与外界势相等（相差无。若无耗散效应存在，准平衡过程中，系统与外界势相等（相差无限小），正反向运动都可。但若有耗散效应存在，则系统与外界相差微量的势限小），正反向运动都可。但若有耗散效应存在，则系统与外界相差微量的势差不足以使系统正行或逆行。差不足以使系统正行或逆行。 譬如，若系统体积变化边界运动时需克服摩擦力，则要使系统体积膨胀，外界的压力势须譬如，若系统体积变化边界运动时需克服摩擦力，则要使系统体积膨胀，外界的压力势须比系统的低出一有限量；若要使

42、系统体积收缩，外界的压力势又须比系统的高出一有限量。比系统的低出一有限量；若要使系统体积收缩，外界的压力势又须比系统的高出一有限量。可见可见即使过程进行得很慢，使系统每一步的状态都接近于平衡状态，系统与外即使过程进行得很慢，使系统每一步的状态都接近于平衡状态，系统与外界的势也不相同界的势也不相同，且在任何位置且在任何位置变更系统的运行方向须变更外界的作用势变更系统的运行方向须变更外界的作用势。故。故有有摩擦等耗散效应存在的热力过程也是不可逆摩擦等耗散效应存在的热力过程也是不可逆的。的。准平衡过程，着眼点在热力过程中系统所经历的各状态的特征。准平衡过程，着眼点在热力过程中系统所经历的各状态的特征

43、。可逆过程，考虑的是过程所产生的效果。不仅要求系统内是平衡的，且可逆过程，考虑的是过程所产生的效果。不仅要求系统内是平衡的，且系统系统与与外界外界的作用的作用能无条件地逆复能无条件地逆复，过程进行时不存在任何能量的耗散。因而，过程进行时不存在任何能量的耗散。因而，可逆过程一定是准平衡过程，但反之未必，准平衡过程只是可逆过程的必要可逆过程一定是准平衡过程，但反之未必，准平衡过程只是可逆过程的必要条件条件。可逆过程是无摩擦等耗散的准平衡过程。可逆过程是无摩擦等耗散的准平衡过程。可逆过程是热力学的一个可逆过程是热力学的一个极为重要极为重要的概念。后面将要讲到，的概念。后面将要讲到，1 .可逆过程中，

44、可逆过程中，因无耗散效应，真正实现了系统与外界各种势的相等。故系统与外界间的能量交换因无耗散效应，真正实现了系统与外界各种势的相等。故系统与外界间的能量交换（作功与传热）可用系统的状态参数表示。这给（作功与传热）可用系统的状态参数表示。这给热力计算热力计算带来极大方便。另外，带来极大方便。另外，2. 对于一个已经达到平衡的热力系，它所实现的是一动态平衡。即平衡时系统内因微对于一个已经达到平衡的热力系，它所实现的是一动态平衡。即平衡时系统内因微观粒子的涨落，随时都有围绕平衡态的微小变化。这一变化必是可逆的。因而，可观粒子的涨落，随时都有围绕平衡态的微小变化。这一变化必是可逆的。因而，可逆过程的结

45、果可作为系统的逆过程的结果可作为系统的平衡判据平衡判据。3. 熵熵这一状态函数就是在研究可逆循环时这一状态函数就是在研究可逆循环时发发现现的。凡是包含熵因子的状态函数的改变量均必须严格地遵循可逆变化的途径去的。凡是包含熵因子的状态函数的改变量均必须严格地遵循可逆变化的途径去计计算算。4. 热力学热力学基本关系式基本关系式的的建立建立正是基于可逆过程的特性。正是基于可逆过程的特性。 总之，总之，热力学的研究热力学的研究对象是平衡态系统，离开了可逆过程这一概念就无法处理各种实际问题。对象是平衡态系统，离开了可逆过程这一概念就无法处理各种实际问题。理论意义：理论意义：无任何损失，实际过程的无任何损失

46、，实际过程的理想极限理想极限。虽不能完全达到，却可无限。虽不能完全达到，却可无限 趋近。趋近。 可逆过程修正也为实际热力过程提供了一个简便易行的分析计算可逆过程修正也为实际热力过程提供了一个简便易行的分析计算 方法。方法。 5.热与功热与功 系统与外界因不平衡势存在而发生的相互作用将导致能量的传递。其中，系统与外界因不平衡势存在而发生的相互作用将导致能量的传递。其中，因因温度差温度差而而传递的能量传递的能量称为称为热热，其它势差传递的能量皆可谓之，其它势差传递的能量皆可谓之功功。 热热：当系统与外界存在温度差别时，就会在两者之间通过分子相互碰撞等方：当系统与外界存在温度差别时，就会在两者之间通

47、过分子相互碰撞等方式发生热（运动）能的传递，简称传热。它是在式发生热（运动）能的传递，简称传热。它是在各粒子的微观自由度各粒子的微观自由度之间直之间直接进行的能量传递。故接进行的能量传递。故传热是系统与外界间热能的迁移传热是系统与外界间热能的迁移，所传递热能的量称所传递热能的量称为为热量热量。 热力学中约定：系统热力学中约定：系统吸热吸热，热量热量为为正正，放热放热则为则为负负。热量的单位是。热量的单位是J（焦（焦耳）。系统与外界交换的热量用字母耳）。系统与外界交换的热量用字母Q表示。表示。 后面将要讲到，对于某一从状态后面将要讲到，对于某一从状态1 1变到状态变到状态2 2 的可逆过程（见图

48、的可逆过程（见图1-41-4），有），有 其微分过程其微分过程 分别为系统的温度与熵。可逆过程的热量可用图上过程线下方的分别为系统的温度与熵。可逆过程的热量可用图上过程线下方的面积表示，故图又叫示热图。面积表示，故图又叫示热图。 21TdSQTdSQ ST,功功：当当系统与外界存在其它势差系统与外界存在其它势差时，也会通过边界传递能量，与传热不同，时，也会通过边界传递能量，与传热不同，其全部效果均可等价于举起重物，故其全部效果均可等价于举起重物，故传递的是规则的宏观运动能量传递的是规则的宏观运动能量，统称，统称为为做功做功。因而，做功是通过系统的。因而，做功是通过系统的宏观可观测自由度宏观可观

49、测自由度进行的能量传递。进行的能量传递。 力学上，机械功的定义为：功力力学上，机械功的定义为：功力位移位移 热力学中，功可定义为：功广义力热力学中，功可定义为：功广义力广义位移广义位移 约约定：定：系统对外界做功系统对外界做功，功为，功为正正，外界，外界对系统做功对系统做功，则为，则为负负。功的单位。功的单位是是J（焦耳）。（焦耳）。宏观量的有限变化过程宏观量的有限变化过程 微变过程微变过程上式积分时，必须考虑做功过程中广义力上式积分时，必须考虑做功过程中广义力 随广义位移随广义位移 的变化关系。这的变化关系。这里里 应是应是系统对外界系统对外界实际实际施加的作用施加的作用，它与外界对系统的反

50、作用相等。，它与外界对系统的反作用相等。若过程若过程可逆可逆，系统与外界的势差无限小，其，系统与外界的势差无限小，其可用系统的势参数表示可用系统的势参数表示。所以，。所以，与热量一样与热量一样，可逆过程的功也可全部用系统的参数计算。可逆过程的功也可全部用系统的参数计算。21)(dxxFWdxxFW)()(xFx)(xF下面介绍几种不同形式的功：下面介绍几种不同形式的功：（1 1）气体体积变化功）气体体积变化功 以气体工质在气缸中以气体工质在气缸中可逆可逆膨胀为例推导气体体积功计算式。工质施加在活塞上膨胀为例推导气体体积功计算式。工质施加在活塞上的力与外界作用在活塞上的反力随时相差一无限小量。因