1、热力学基本概念工程热力学工程热力学第一章第一章 基本概念基本概念第一章第一章 基本概念基本概念热能动力装置：热能动力装置：从燃料燃烧中得到热能，并利用热能得到动力的设备。热能动力装置分为两大类：热能动力装置分为两大类：燃气动力装置（内燃机、燃气轮机）蒸汽动力装置（蒸汽轮机）热能机械能化学能化学能 1-1 热能和机械能转换内燃机（汽油机）工作物质：燃气燃气热能机械能燃料化学能排入大气n燃烧、膨胀n排气n吸气n压缩工作过程：能量转换：蒸汽动力装置1锅炉2沸水管3汽锅4过热器 5汽轮机6发电机7冷凝器8泵9蓄水池158762439 燃料在锅炉中燃烧，加热沸水管内的水，使之变为蒸汽，并在过热器内过热，
2、成为过热蒸汽，完成从化学能转变到热能的过程；高温高压（相对于环境）蒸汽膨胀推动汽轮机作功（机械能）；作功后的乏汽从汽轮机进入冷凝器，被冷却水冷凝成水，并由泵加压送入锅炉加热。蒸汽动力装置工作过程：不同点：构造和工作特性不同。相同点：存在某一种媒介物质以获得能量；（如内燃机中混合气，蒸汽机中的水）存在能提供热能的能量源；余下的热能排向环境介质。结论：各种形式的热机都存在以下几个相同的热力过程：吸热、膨胀作功和排热。比较上述两种热机名词定义：工质工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。热源（高温热源）热源（高温热源）：工质从中吸取热能的物系。冷源（低温热源）冷源（低温热源）：接受工质排出热能的物
3、系。工质从高温热源吸热，将其中一部分转化为机械能而作功，并把余下部分传给低温热源。热能动力装置的工作过程可概括成：热能动力装置的工作过程可概括成：热源冷源热机作功吸热放热1-21-2热力系统热力系统热力系统（热力系）：热力系统（热力系）：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统边界：边界：系统与外界之间的分界面外界：外界：热力系统以外的部分热力系统以外的部分热力系统选取的人为性热力系统选取的人为性锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器只交换功只交换功只交换热只交换热既交换功既交换功也交换热也交换热1-21-2热力系统热力系统边界特性真实、虚构真实、虚构固定、活
4、动固定、活动1-21-2热力系统热力系统以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分：有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系1-21-2热力系统热力系统以空间为系统，进、出口边界均为假想边界，系统与外界有物质交换以气缸内气体为系统，活塞表面上的边界是移动边界，系统与外界没有物质交换1-21-2热力系统热力系统热力系统其它分类方式热力系统其它分类方式 其它分类方式其它分类方式物理化学性质物理化学性质 均匀系均匀系 非均匀系非
5、均匀系工质种类工质种类多元系多元系单元系单元系相态相态多相多相单相单相1-21-2热力系统热力系统最重要的系统最重要的系统 只交换只交换热量热量和和一种一种准静态的准静态的容积变化功容积变化功压缩功压缩功膨胀功膨胀功1-21-2热力系统热力系统 定义：用来实现能量相互转换的定义：用来实现能量相互转换的媒介媒介物质物质1-21-2热力系统热力系统气体气体理想气体理想气体实际气体实际气体蒸气蒸气 理想气体：忽略气体分子的自身体积，将分子看理想气体：忽略气体分子的自身体积，将分子看成是有质量的几何点；假设分子间没有相互吸引成是有质量的几何点；假设分子间没有相互吸引和排斥，分子之间及分子与器壁之间发生
6、的碰撞和排斥，分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞是完全弹性的，不造成动能损失。是完全弹性的，不造成动能损失。真实气体：气体分子本身占有容积真实气体：气体分子本身占有容积,分子与分子间分子与分子间有相互作用力存在的实际气体称为真实气体。真有相互作用力存在的实际气体称为真实气体。真实气体不服从理想气体定律。天然气是真实气体实气体不服从理想气体定律。天然气是真实气体。蒸气蒸气 根据压力和温度对各种蒸汽的分类为：饱和根据压力和温度对各种蒸汽的分类为：饱和蒸汽，过热蒸汽。蒸汽主要用途有加热蒸汽，过热蒸汽。蒸汽主要用途有加热/加湿；产加湿；产生动力；作为驱动等生动力；作为驱动等 。1-31-3热力状态热力
7、状态状态：状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：状态参数：描述热力系状态的物理量描述热力系状态的物理量状态参数分类：强度参数：强度参数：无关无关 如如压力压力 p、温度温度T广延参数：广延参数：有关有关可加性可加性 如如 质量质量m、容积、容积 V、内能、内能 U、焓、焓 H、熵、熵S按与所含按与所含工质的量工质的量有关否分有关否分比参数：比参数：比比容容VvmUum比比内能内能Hhm比比焓焓Ssm比比熵熵单位：单位：/kg /kmol 具有强度量的性质具有强度量的性质1-31-3热力状态热力状态速度速度动能动能高度高度 位能位能 内能内能温度温度（强）（
8、强）（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）（广）（广）1-31-3热力状态热力状态基本状态参数212,12,112abzzdzdzdz压力压力 p、温度、温度 T、比容、比容 v1-31-3热力状态热力状态按是否直按是否直接或容易接或容易测量分测量分非基本状态参数内能内能U、焓、焓 H、熵、熵S状态参数的状态参数的数学特征数学特征：状态确定，则状态参数也确定状态确定，则状态参数也确定(,)Zx y 0dz1 2ab1-31-3热力状态热力状态1 1、压力、压力 p 物理中物理中压强压强，单位单位:Pa,N/m2常用单位：常用单位：1 bar=105 Pa 1 MPa=106 Pa 1
9、 atm=760 mmHg=1.013 105 Pa 1 mmHg=133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg=9.80665 104 Pa二、基本状态参数气体分子撞击器壁的统计（平均）效果气体分子撞击器壁的统计（平均）效果压力压力p测量测量一般是工质绝对压力与环境压力的相对值一般是工质绝对压力与环境压力的相对值 相对相对压力压力注意：注意：只有只有绝对压力绝对压力 p 才是才是状态参数状态参数1-21-2热力状态热力状态绝对压力与相对压力当当 p pb表压力表压力 peebppp当当 p 有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程 可逆过程可逆过程 系统经历某一过程
10、后，如果能使系统经历某一过程后，如果能使系统系统与与外外界界同时同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为则此过程为可逆过程可逆过程。1-6 1-6 热力过程热力过程注意：注意：可逆过程只是指可能性，并不可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。是指必须要回到初态的过程。1-6 热力过程 典型的不可逆过程不等温传热不等温传热自由膨胀自由膨胀T1T2T1T2Q真空真空 1-6 热力过程节流过程节流过程 (阀门）阀门）混合过程混合过程 p1p2p1p21-7 过程功和热量1 1、力学力学定义定义:力力 在力方向上的在力方向上的位移位移2、热力学热
11、力学定义定义a a、当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的的唯一效果可归结为取起重物唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对，此即为热力系对外作功。外作功。b b、功是系统与外界相互作用的一种方式，在功是系统与外界相互作用的一种方式，在力力的的推动下，通过推动下，通过有序有序运动方式传递的能量运动方式传递的能量。功的定义功的定义1-7 过程功和热量功功的一般表达式的一般表达式Fdxw Fdxw热力学最常见的功热力学最常见的功 容积变化功容积变化功 pdvwpdvw1-7 过程功和热量pV12Wpp外外21mkg工质：工质：W =pdV21WpdV1k
12、g工质：工质：w=pdv21wpdv可逆过程的功可逆过程的功1-7 过程功和热量热力系通过边界与外界的交换的热力系通过边界与外界的交换的能量能量中，中，除了除了功功的部分的部分（不确切）（不确切）。另一定义：另一定义：热量热量是热力系与外界相互作是热力系与外界相互作用的另一种方式，在用的另一种方式，在的推动下，以的推动下，以微观微观无序无序运动方式传递的运动方式传递的能量能量。热量定义1-7 过程功和热量过程的热量过程的热量TSQ TdSQ1.8 热力循环要实现要实现连续连续作功，必须构成作功，必须构成循环循环定义：定义：热力系统经过一系列变化后，又热力系统经过一系列变化后，又回到原初始状态的
13、一系列变化过程称为回到原初始状态的一系列变化过程称为热力循环热力循环。不可逆循环不可逆循环分类：分类：可逆可逆过程过程不可逆不可逆循环循环可逆循环可逆循环1.8 热力循环 正循环正循环正循环：顺时针方向正循环：顺时针方向p21净效应：净效应：对外作功对外作功TS12净效应：净效应：吸热吸热V1.8 热力循环 逆循环逆循环：逆时针方向逆循环：逆时针方向pV21净效应：净效应：对内作功对内作功TS12净效应：净效应：放热放热1.8 热力循环正循环：净效应（对外作功，吸热）正循环：净效应（对外作功，吸热）1WQ收 益代 价净 功吸 热WQ1Q2T1T2动力循环：热效率动力循环：热效率1.8 热力循环
14、逆循环：净效应（对内作功，放热）逆循环：净效应（对内作功，放热）2QW收 益代 价吸 热耗 功WQ1Q2T0T2制冷循环：制冷系数制冷循环：制冷系数1.8 热力循环逆循环：净效应（对内作功，放热）逆循环：净效应（对内作功，放热）1QW收 益代 价放 热耗 功制热循环：制热系数制热循环：制热系数WQ1Q2T1T0 研究对象研究对象 热运动热运动:构成宏观物体的大量微观粒子的永不构成宏观物体的大量微观粒子的永不休止的无规运动休止的无规运动.热现象热现象:与温度有关的物理性质的变化。与温度有关的物理性质的变化。单个单个分子分子 无序、具有偶然性、遵循力学规律无序、具有偶然性、遵循力学规律.研究对象特
15、征研究对象特征整体整体（大量分子）（大量分子）服从统计规律服从统计规律.宏宏观量：观量：表示大量分子集体特征的物理量（可直表示大量分子集体特征的物理量（可直接测量）接测量）,如如 等等.TVp,微微观量：观量：描述个别分子运动状态的物理量（不可描述个别分子运动状态的物理量（不可直接测量），如分子的直接测量），如分子的 等等.v,m宏宏观量观量微微观量观量统计平均统计平均 研究方法研究方法1.热力学热力学 宏宏观观描述描述 实验经验总结，实验经验总结，给出宏观物体热现象的规律，给出宏观物体热现象的规律，从能量观点出发，分析研究物态变化过程中热功转从能量观点出发，分析研究物态变化过程中热功转换的关
16、系和条件换的关系和条件.1）具有可靠性；具有可靠性；2）应用宏观参量应用宏观参量.特点特点2.气体动理论气体动理论 微微观描述观描述 研究大量数目的热运动的粒子系统，应用模研究大量数目的热运动的粒子系统，应用模型假设和统计方法型假设和统计方法.两种方法的关系两种方法的关系气体动理论气体动理论热热力学力学相辅相成相辅相成 1）揭示宏观现象的本质；揭示宏观现象的本质；2）有局限性，与实际有偏差，不可任意推广有局限性，与实际有偏差，不可任意推广.特点特点RTMmPV 1.压强压强P 从力学角度描写气体状态的物理从力学角度描写气体状态的物理量。量。单位面积的压力。单位面积的压力。SFP国际单位：国际单
17、位：牛顿牛顿/米米2，Nm 2,帕（帕（Pa）1 Pa=1 Nm 2,常用单位：常用单位：大气压，大气压，atmPa10013.1atm15其它单位：其它单位：厘米汞柱，厘米汞柱，cmHg托，托，TorrPa101.333mmHg1Torr12Pa10333.1cmHg132.体积体积 V 从几何角度描写气体状态的物理量。从几何角度描写气体状态的物理量。-气体分子气体分子活动的空间活动的空间体积。体积。对于对于理想气体理想气体分子大小不计，分子活分子大小不计，分子活动的空间体积就是动的空间体积就是容器的体积容器的体积。国际单位：国际单位：米米3，m3常用单位：常用单位：升，升，ll3310m1
18、3.温度温度T 从热学角度描写气体状态的物理量。从热学角度描写气体状态的物理量。国际单位：国际单位：绝对温标绝对温标 T 开，开，k常用单位：常用单位：摄氏温标摄氏温标 t 度，度，C15.273tT 理想气体是一种理想化的模型，它的理想气体是一种理想化的模型，它的模型有两种。模型有两种。宏观模型宏观模型温度不太低温度不太低压强不太高压强不太高微观模型微观模型分子间的作用力不计分子间的作用力不计分子的体积不计分子的体积不计两种模型是等价的，两种模型是等价的，当气体的压强较低时，当气体的压强较低时，气体较稀薄，分子间的距离较大，则分子气体较稀薄，分子间的距离较大，则分子间的作用力可忽略不计，且分
19、子间的距离间的作用力可忽略不计，且分子间的距离远远大于分子本身的线度，分子的体积也远远大于分子本身的线度，分子的体积也可忽略不计。可忽略不计。在外界条件一定的情况下，系统内部在外界条件一定的情况下，系统内部各处均匀一致，宏观性质不随时间各处均匀一致，宏观性质不随时间 t 改变。改变。例如：例如：在一个容器中间，在一个容器中间，有一隔板，一边为真空，有一隔板，一边为真空，另一边盛有气体，如果另一边盛有气体，如果外界条件不变的情况下，外界条件不变的情况下，气体处于气体处于热平衡态热平衡态，当抽出隔板后，右边的当抽出隔板后，右边的气体向左边扩散，气体气体向左边扩散，气体密度不均匀，气体处于密度不均匀
20、，气体处于非平衡态非平衡态，经过一段时，经过一段时间后，内部均匀一致，间后，内部均匀一致，达到新的达到新的热平衡态热平衡态。隔板隔板真空真空 理想气体处于热平衡态下时，各状态理想气体处于热平衡态下时，各状态参量之间的关系。参量之间的关系。RTMmPV1.1.摩尔数：摩尔数：Mm气体质量气体质量摩尔质量摩尔质量单位：摩尔，单位：摩尔，mol2.普适气体恒量普适气体恒量 R1-1-kmolJ 31.8R1-1-kmollatm 082.0R1摩尔气体在标准状态下：摩尔气体在标准状态下：000RTVP000TVPR273104.2210013.135R2734.22atm1lR或或1-1-kmolJ
21、 31.81-1-kmollatm 082.0RTMmPV 由理想气体状态方程由理想气体状态方程:分子的质量为分子的质量为 m0，分子数为，分子数为 N，气体质量：气体质量：0Nmm 摩尔质量：摩尔质量：00mNM N0为阿伏加德罗常数，为阿伏加德罗常数，23010022.6NRTmVNNmP000nkTTNRVNP0其中其中VNnk为玻尔兹曼常数为玻尔兹曼常数0NRk为分子数密度为分子数密度2310022.631.8k/J1038.123nkTPTP.理想气体理想气体.处在热平衡态处在热平衡态RTMmPV理想气体状态方程理想气体状态方程.理想气体理想气体.处在热平衡态处在热平衡态222111
22、TVPTVP气体定律气体定律.质量不变质量不变.同种气体同种气体1.理想气体状态方程：单位要配套使用理想气体状态方程：单位要配套使用RTMmPV PVTRPam3 k8.31Jm ol-1k-1atmlk0.082atmlm ol-1k-12.气体定律：方程两边单位统一气体定律：方程两边单位统一222111TVPTVP例：例：一氧气瓶盛有体积为一氧气瓶盛有体积为 V1=30l，压强为，压强为 P1=130 atm的氧气，若压强下降到的氧气，若压强下降到P2=10 atm,就应停止使用重新灌气，有一车间每就应停止使用重新灌气，有一车间每天用掉天用掉 P3=1 atm、V3=40 l 的氧气，问的
23、氧气，问这瓶氧气能用几天？设使用中温度不变。这瓶氧气能用几天？设使用中温度不变。解：解：由理想气体状态方程：由理想气体状态方程：RTMmPV有有RTPVMm 原氧气瓶内质量原氧气瓶内质量RTMVPm111氧气瓶剩余质量氧气瓶剩余质量RTMVPm122每天使用氧气质量每天使用氧气质量RTMVPm333使用的天数使用的天数321mmmn33121)(VPVPPn40130)10130(天90例：教室的容积是例：教室的容积是100m100m3 3，在温度是，在温度是77，大气压强为，大气压强为1.01.010105 5PaPa时，室内空气的质量是时，室内空气的质量是130kg130kg，当温度升高，
24、当温度升高到到2727时大气压强为时大气压强为1.21.210105 5PaPa时，教室内空气质量是时，教室内空气质量是多少？多少？理想气体的状态方程的应用理想气体的状态方程的应用解：初态：解：初态：P P1 1=1.0=1.010105 5papa，V V1 1=100m=100m3 3，T T1 1=273+7=280K=273+7=280K 末态：末态：P P2 2=1.2=1.210105 5PaPa，V V2 2=？，？，T T2 2=300K=300K 根据理想气体状态方程：根据理想气体状态方程：222111TVPTVP31122123.89 mVTPTPV12VV 说明有气体流入
25、房间说明有气体流入房间kgmVVm6.1451303.891001212例：一定质量的理想气体处于某一初始状态，现要使它例：一定质量的理想气体处于某一初始状态，现要使它的温度经过状态变化后，回到初始状态的温度，下列过的温度经过状态变化后，回到初始状态的温度，下列过程可以实现的是程可以实现的是 A A先保持压强不变而使体积膨胀，接着保持体积不变先保持压强不变而使体积膨胀，接着保持体积不变而减小压强而减小压强B B先保持压强不变而使体积减小，接着保持体积不变先保持压强不变而使体积减小，接着保持体积不变而减小压强而减小压强C C先保持体积不变而增大压强，接着保持压强不变而先保持体积不变而增大压强，接
26、着保持压强不变而使体积膨胀使体积膨胀D D先保持体积不变而减小压强，接着保持压强不变而先保持体积不变而减小压强，接着保持压强不变而使体积减小使体积减小A理想气体状态方程的应用要点理想气体状态方程的应用要点1）选对象）选对象根据题意，选出所研究的某一部分气体这部分气体在状态变化过程中，其质量必须保持一定2）找参量）找参量找出作为研究对象的这部分气体发生状态变化前后的一组T、p、V数值或表达式其中压强的确定往往是个关键，需注意它的一些常见情况(参见第一节)，并结合力学知识(如力平衡条件或牛顿运动定律)才能写出表达式3）认过程）认过程过程表示两个状态之间的一种变化方式，除题中条件已直接指明外，在许多
27、情况下，往往需要通过对研究对象跟周围环境的相互关系的分析中才能确定认清变化过程这是正确选用物理规律的前提4）列方程）列方程根据研究对象状态变化的具体方式，选用气态方程或某一实验定律代入具体数值时，T必须用热力学温度，p、V两个量只需方程两边对应一致练习：粗细均匀的，一端开口、一端封闭的细玻璃管中，练习：粗细均匀的，一端开口、一端封闭的细玻璃管中，有质量为有质量为10mg10mg的某种理想气体，被长为的某种理想气体，被长为h=16cmh=16cm的水银柱的水银柱封闭在管中，当玻璃管开口向上，竖直插在冰水中时，封闭在管中，当玻璃管开口向上，竖直插在冰水中时，管内气柱的长度管内气柱的长度L=30cm
28、L=30cm如图所示若将玻璃管从冰水如图所示若将玻璃管从冰水中取出后，颠倒使其竖直开口向下，温度升高到中取出后，颠倒使其竖直开口向下，温度升高到2727（已知大气压强为（已知大气压强为75cmHg75cmHg）试求：（）试求：（1 1）若玻璃管太）若玻璃管太短，颠倒时溢出一些水银，水银与管口齐平，但气体没短，颠倒时溢出一些水银，水银与管口齐平，但气体没有泄漏，气柱长度变为有泄漏，气柱长度变为50cm50cm，则管长为多少？（，则管长为多少？（2 2）若）若玻璃管足够长，水银未溢出，但溢出一些气体，气柱长玻璃管足够长，水银未溢出，但溢出一些气体，气柱长变为变为30cm30cm，则逸出气体的质量是
29、多少？，则逸出气体的质量是多少？（1 1）玻璃管长度）玻璃管长度l=50+15=65cm l=50+15=65cm（2 2）逸出的气体的质量）逸出的气体的质量m=mm=m1 1-m-m2 2=4.1mg=4.1mg例：一圆柱形气缸直立在地面上，内有一个有质量、无摩例：一圆柱形气缸直立在地面上，内有一个有质量、无摩擦的绝热活塞，把气缸分成容积相同的擦的绝热活塞，把气缸分成容积相同的A A、B B两部分，如图两部分，如图两部分气体的温度相同，均为两部分气体的温度相同，均为T T0 0=27=27，A A部分气体的压强部分气体的压强P PA0A0=1.0=1.010105 5PaPa，B B部分气体
30、的压强部分气体的压强P PB0B0=2.0=2.010105 5papa现对现对B B部分气体加热，使活塞上升，保持部分气体加热，使活塞上升，保持A A部分气体的温度不变，部分气体的温度不变，使使A A部分气体的体积减小为原来的部分气体的体积减小为原来的2/32/3求此时：求此时：（1 1）A A部分气体的压强部分气体的压强P PA A（2 2）B B部分气体的温度部分气体的温度T TB BPA A=1.5=1.510105 5Pa TPa TB B=500K=500KAB分析：分析：A气体做等温变化，气体做等温变化，B气体三个参量均发生变化气体三个参量均发生变化 A、B之间的联系：之间的联系
31、：1、体积之和不变、体积之和不变 2、压强差不变、压强差不变练习：护士为病人输液时，必须排尽输液管中的空气，练习：护士为病人输液时，必须排尽输液管中的空气，否则空气泡进入血管后会随着血液向前流动，否则空气泡进入血管后会随着血液向前流动，而当流而当流到口径较细的血管时，会出现到口径较细的血管时，会出现“栓塞栓塞”阻碍血液的流阻碍血液的流动，造成严重的医疗事故。某病人的体温为动，造成严重的医疗事故。某病人的体温为37，舒，舒张压为张压为80mmHg，收缩压为，收缩压为120mmHg，假设一护士在，假设一护士在为病人输液时，一时疏忽将一个大气压，体积为为病人输液时，一时疏忽将一个大气压，体积为0.0
32、1cm3，温度为，温度为27的空气泡打入静脉血管，当空气的空气泡打入静脉血管，当空气泡随血液流到横截面积为泡随血液流到横截面积为1mm2的血管时，产生的血管时，产生“栓塞栓塞”的最小长度为多少？的最小长度为多少？6.54cm巩固练习：巩固练习：1 1、在截面积、在截面积S=1cmS=1cm2 2，两端封闭粗细均匀的玻璃管中央，两端封闭粗细均匀的玻璃管中央，有一段水银柱，有一段水银柱，A A、B B两部分空气柱长两部分空气柱长l l1 1=l=l1 1=40cm=40cm左左端为端为77，右端为，右端为1717时，求：时，求：(1)(1)左边也上升到左边也上升到1717时，水银柱会向何处移动？移
33、动时，水银柱会向何处移动？移动多少？多少？水银柱会向右移水银柱会向右移 SVTTTTl11212(2)(2)左、右两边都升高左、右两边都升高1010时，水银柱是否移动？为什时，水银柱是否移动？为什么？么？TTPP11若若l1l2呢？呢？若是同时降温呢？若是同时降温呢？若玻璃管处于竖直放置情况呢？若玻璃管处于竖直放置情况呢？ABA2 2、如图、如图8-98-9所示，透热汽缸所示，透热汽缸A A被活塞封闭一定质量气被活塞封闭一定质量气体，其体积体，其体积VA=4.8LVA=4.8L，活塞另一边与大气相通汽缸，活塞另一边与大气相通汽缸与透热容器与透热容器B B相连，体积相连，体积VB=2.4LVB=
34、2.4L，置于恒温箱中，置于恒温箱中，汽缸汽缸A A与容器与容器B B相连的细管（体积不计且绝热）中间相连的细管（体积不计且绝热）中间有阀门有阀门K K将两部分分开已知，环境温度为将两部分分开已知，环境温度为2727，恒，恒温箱的温度为温箱的温度为127127今将阀门今将阀门K K打开，汽缸中最后打开，汽缸中最后气体的体积多大？气体的体积多大？3 3、如图、如图8-108-10所示，一端开口的均匀玻璃管内，一段水所示，一端开口的均匀玻璃管内，一段水银柱封闭着一段空气柱当温度为银柱封闭着一段空气柱当温度为2727时，气柱长时，气柱长10cm10cm，右侧水银柱比左侧水银柱高，右侧水银柱比左侧水银
35、柱高2cm2cm，比玻璃管开口，比玻璃管开口位置高位置高1cm1cm当温度升高到当温度升高到100100时，封闭的气柱有多时，封闭的气柱有多长？（大气压相当长？（大气压相当76cm76cm水银柱产生的压强）水银柱产生的压强）由题意可知，变化后温度为由题意可知，变化后温度为100100大于大于6666，所以变化后右侧水银面低于左侧水银面，所以变化后右侧水银面低于左侧水银面，设低设低x x厘米则变化后气柱状态为厘米则变化后气柱状态为例：例：实验室内备有米尺、天平、量筒、温度计、气压实验室内备有米尺、天平、量筒、温度计、气压计等器材，需选取哪几件最必备的器材，测量哪几个计等器材，需选取哪几件最必备的
36、器材，测量哪几个数据，即可根据物理常数表和气体定律估算出教室内数据，即可根据物理常数表和气体定律估算出教室内现有的空气分子数？写出表达式现有的空气分子数？写出表达式需选取米尺、温度计、气压计三件器材需选取米尺、温度计、气压计三件器材用米尺测出教室的长、宽、高，算出体积用米尺测出教室的长、宽、高，算出体积V；用温度；用温度计测出室温，设为计测出室温，设为T；用气压计读出大气压，设为；用气压计读出大气压，设为p 充满氢气的橡皮球，球壳的质量是球内所充充满氢气的橡皮球，球壳的质量是球内所充氢气质量的氢气质量的3 3倍，在标准状态下空气密度与氢倍，在标准状态下空气密度与氢气密度之比是气密度之比是292
37、292。现在球内氢气的压强是。现在球内氢气的压强是球外空气压强的球外空气压强的1.51.5倍，球内外温度都是倍，球内外温度都是00。问氢气开始上升时的加速度是多少？问氢气开始上升时的加速度是多少？1.4 准平衡过程与可逆过程准平衡过程与可逆过程 热力过程、准平衡过程与可逆过程热力过程、准平衡过程与可逆过程 热力过程：热力过程：热力系由一状态向另一状态变化时所经历全部状态的总和。一、准平衡过程一、准平衡过程 1.定义：定义：在热力过程中，不平衡势差无限小，热力学所经历的一系列状态都无限接近于平衡状态的热力过程。2.实现条件：实现条件：推动过程进行的势差无限小。3.特点：特点：由于热力系经历的过程
38、中每一状态均可称为平衡态，因而准平衡过程可在状态参数坐标图中用连续曲线表示，称过程曲线；准平衡过程是一种理想化的过程，是实际过程进行得足够缓慢的极限情况，一切实际过程只能接近于准平衡过程，在工程实际设备中进行的过程常常可作为准平衡过程。二、可逆过程二、可逆过程 1.定义：定义：系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹。可逆过程与准平衡过程从定义上的一个重要区别就在于过程逆行,“没有遗留下任何变化”，例如功、热、状态等变化。2.实现条件：实现条件：推动过程的势差无限小，而且不存在任何耗散现象。无耗散效应的准平衡过程就是可逆过程。所谓耗散指固体
39、或液体的磨擦、电阻、非弹性形变、磁滞等现象起的效应，使能量耗散了，变为热。可逆过程是热力学的抽象，实际过程是无法实现的，但人们可以无限的接近它。研究可逆过程的目的，在于抓主要矛盾，反映本质。把可逆过程作为实际过程中能量转化效果的比较标准。在实际热力学计算中，通常是把某一实际过程理想化为可逆过程计算，然后引入必要的经验修正。功和热量功和热量 1 1功是力学相互作用下的能量转移功是力学相互作用下的能量转移 将力学平衡条件被破坏时所产生的对系统将力学平衡条件被破坏时所产生的对系统状态的影响称为状态的影响称为“力学相互作用力学相互作用”。例如图例如图4.24.2中从中从(I)(I)变为变为()()的过
40、程中，的过程中，由于气体施予活塞方向向上的压力始终比外界由于气体施予活塞方向向上的压力始终比外界向下的压力大一点儿，气体就能克服重力及大向下的压力大一点儿，气体就能克服重力及大气压强作功而准静态地膨胀。气压强作功而准静态地膨胀。功是力学相互作用过程中系统和外界之间功是力学相互作用过程中系统和外界之间转移的能量转移的能量功：功：在力学中，功被定义为物体所受的力与该力方向上产生的位移的乘积；在热力学中，功是系统与外界相互作用而传递的能量。当系统作功时，其对外界的作用可用在外界举起重物的单一效果来代替。体积变化功：体积变化功：可压缩系统通过体积的变化（膨胀或压缩）来和外界交换的功量。规定：规定：系统
41、对外界做功，功量为正；外界对系统做功，功量为负。功是传递过程中的一种能量形式。它是伴随着相互作用而产生的，不是系统所含有的能量，所以我们不能说一个系统具有多少功。2.2.功的计算功的计算 21pdVW 单位工质：21pdvw可逆过程的比容变化功w的大小可以在p-v图上用过程曲线下面的面积表示。关于功，应注意如下几点关于功，应注意如下几点(1)(1)功与系统状态间无对应关系，说明功功与系统状态间无对应关系，说明功不是状态参量。不是状态参量。(2)(2)只有在广义力只有在广义力(例如压强、电动势等例如压强、电动势等)作用下产生了广义位移作用下产生了广义位移(例如体积变化和例如体积变化和电量迁移电量
42、迁移)后才作了功。后才作了功。(3)(3)在非准静态过程中，很难计算系统对在非准静态过程中，很难计算系统对外作的功。外作的功。在以后的讨论中，系统对外作功的计算在以后的讨论中，系统对外作功的计算通常均局限于准静态过程。通常均局限于准静态过程。功有正负之分，将外界对气体作的功以功有正负之分，将外界对气体作的功以W W 表示，气体对外作的功以表示，气体对外作的功以 W W 表示。表示。对于同一过程，对于同一过程，W W =-=-W W。2体积的膨胀功体积的膨胀功 由于气体体积减小了由于气体体积减小了 A A d dx x ，即，即 d dV V=-=-A A d dx x 所以上式又可写成所以上式
43、又可写成 xApWedddVpWed(一一)体积膨胀功体积膨胀功气缸中有一无摩擦且可上下移动气缸中有一无摩擦且可上下移动的截面积为的截面积为A A的活塞，内中封有流的活塞，内中封有流体体(液体或气体液体或气体)，见图，见图设活塞外侧的压强为设活塞外侧的压强为 p pe e ,在它的作用下，在它的作用下，活塞向下移动活塞向下移动 d dx x 距离，距离，则外界对气体所作元则外界对气体所作元功为功为在无摩擦的准静态过程在无摩擦的准静态过程(即可逆过程即可逆过程)中，中，外界施予气体的压强的大小等于气体内部外界施予气体的压强的大小等于气体内部压强的大小压强的大小.在无限小的可逆过程中外界对气体所作
44、元在无限小的可逆过程中外界对气体所作元功的表达式和气体对外作元功的表达式分功的表达式和气体对外作元功的表达式分别为别为 pdVWdVpVpWedddpdVWVV22它们是系统状态参量它们是系统状态参量p p、V V的函数。的函数。式中的式中的 d dW W 就是图中就是图中V V到到V+V+d dV V区间内曲区间内曲线下的面积。线下的面积。W W 就是从就是从V V1 1到到V V2 2区间内曲线下的面积区间内曲线下的面积。说明功与变化路径有关，功不是系统状态的属说明功与变化路径有关，功不是系统状态的属性，它不是状态的函数。性，它不是状态的函数。在无穷小变化过程中所作的元功在无穷小变化过程中
45、所作的元功d dW W 不满足不满足多元函数中全微分的条件。多元函数中全微分的条件。d dW W 仅表示沿某一路径的无穷小的变化，仅表示沿某一路径的无穷小的变化，故在微分号故在微分号d d上加一杠上加一杠d d以示区别。以示区别。若同样从图上之若同样从图上之C C变到变到D D，但不沿等温线，但不沿等温线C-DC-D变化，变化，而沿先等压后等体的而沿先等压后等体的C-A-C-A-D D 曲线变化，或沿先等体曲线变化，或沿先等体后等压的后等压的C-B-DC-B-D曲线变化，曲线变化，这三条曲线下的面积均不这三条曲线下的面积均不等等.(一一)理想气体在几种可逆过程中功的计算理想气体在几种可逆过程中
46、功的计算 (1)(1)等温过程等温过程(isothermal process)(isothermal process)若过程进行得足够缓慢，任一瞬时系统若过程进行得足够缓慢，任一瞬时系统从热源吸收的热量总能补充系统对外作功从热源吸收的热量总能补充系统对外作功所减少的内能，所减少的内能，使系统的温度总是与热源的温度相等使系统的温度总是与热源的温度相等 (更确切地说，它始终比热源温度低很小更确切地说，它始终比热源温度低很小的量的量)。等温过程中做的功等温过程中做的功因为等温膨胀时，因为等温膨胀时，V V2 2V V1 1，W W0 0，说明气，说明气体对外作功。体对外作功。利用利用p p1 1V
47、V1 1=p=p2 2V V2 2的关系，的关系，2121121VVVVVVnRTVdVRTpdVW121ppnRTW(2)(2)等压过程等压过程 (isobatic process)(isobatic process)然后使气体与一系列的温度分别为然后使气体与一系列的温度分别为T T1 1+TT、T T1 1+2+2TT、T T1 1+3+3TTT T2 2-T-T、T T2 2的热源依次相接的热源依次相接触，触，每次只有当气体的温度均匀一致，且与所接触每次只有当气体的温度均匀一致，且与所接触 的热源温度相等时，才使气缸与该热源脱离，的热源温度相等时，才使气缸与该热源脱离，如此进行直至气体温
48、度达到终温为止，如此进行直至气体温度达到终温为止，这就是准静态的等压加热过程。这就是准静态的等压加热过程。设想导热气缸中被活设想导热气缸中被活 塞封有一定量塞封有一定量的气体，活塞的压强始终保持恒量。的气体，活塞的压强始终保持恒量。(例如把气缸开端向上竖直放置后再例如把气缸开端向上竖直放置后再加一活塞，则气体压强等于活塞的重加一活塞，则气体压强等于活塞的重量所产生的压强再加上大气压强。量所产生的压强再加上大气压强。)等压功为等压功为 2121)(12VVVVVVpdVppdVW)(12TTRW（四（四)功的一般表达式功的一般表达式d dW W=-=-p p d dV V，d dW W=F F
49、d dl l.d dW=W=d dA,A,可知可知,在准静态过程中在准静态过程中,外界对系统所作元功为外界对系统所作元功为 d dW W=Y Yi i d dX Xi i 其中其中 x xi i 称为广义坐标称为广义坐标(generalized(generalized coordinates)coordinates)，d dx xi i 称为广义位移称为广义位移(generalized displacement)(generalized displacement)，下标，下标 i i对应对应于不同种类的广义位移。于不同种类的广义位移。前面所提到的前面所提到的V V、l l、A A、等都是不同等
50、都是不同i i的广的广义坐标。义坐标。广义坐标广义坐标 x xi i 是广延量是广延量(extensive quantity)(extensive quantity)，二、可逆过程的热二、可逆过程的热1.1.定义：定义：系统与外界之间依靠温差传递的能量，用符号Q表示，单位J或kJ。单位物质所做的体积变化功用q表示，单位J/kg或kJ/kg。规定：规定：系统吸收热量，热量为正；系统放出热量，热量为负。4热量与热质说热量与热质说 (一一)热量热量(quantity of heat(quantity of heat)当系统状态的改变来源于热学平衡条件的破当系统状态的改变来源于热学平衡条件的破坏，也即
