工程热力学基本概念

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1、第1章基本概念(3学时)概念(反映事物本质特征和一般属性的思维形式)是建筑科学大厦的基石，在学习热力学的基本定律之前，有必要先建立某些基本概念。本章将讨论热力系统、平衡状态、状态参数、准平衡过程、可逆过程、功、热量、熵基本概念。这些概念很重要，在本课程的学习中经常会用到，因此对这些概念应有正确的理解和应用。1-1热力系统1-1-1系统与外界研究任何事物均需选择一定的对象，对于热力学来说也不能例外。通常根据所研究问题的需要，在相互作用的各部分物质中，人为选取某个空间内的物质作为研究对象。这种作为研究对象的某指定空间内的物质称为热力学系统或热力系统(Thermodynamicsystem

2、)，简称系统或体系(System)。或者说，把包含在规定边界之内的物质的总和称为热力系统。系统之外的一切物质统称为外界(Outside)或环境(Environment)。外界中的某一部分又能划分出来作为另一个系统。系统与外界的交界面称为边界(Boundary)。系统的边界可能是真实的，也可能是假想的，可以是固定的，也可以是移动的。选择边界时要使系统具有明确的(单值性的)含义。系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移。200904271-1-2闭口系统与开口系统33按照系统与外界有无物质交换的情况，系统可分为两类：系统和外界可以有能量的交换，但没有物质的交换，这种系统称为闭口

3、系统(Closedsystem)。这类系统的特点是没有物质穿过边界，其内部的质量恒定不变，故又可称为定质量热力系统(Thermalsystematconstantmass)或控制质量(Controlmass)。又因无物质流过边界进出热力系统，故也称为不流动热力系统。如果系统的边界可以移动，那么闭口系统的体积就能够改变。注意，闭口系统具有恒定的质量，但具有恒定质量的系统未必都是闭口系统。系统和外界有物质的交换，这种系统称为开口系统(Opensystem)或流动热力系统(Thermalsystemofflow)。这类系统的特点是有物质穿过边界，其内部的质量可以保持恒定或发生变化，系统边界

4、所占空间的范围相对固定，故又可称为控制容积或控制体(Controlvolume)，按照普郎特(LudwigPrandtl,1875-1953,德国流体力学家)的意见，有时也称为控制空间(Controlspace)。如果开口系统内的工质质量与参数随时间变化，则称为不稳定流动开口系统(Opensystemofunsteadyflow)。如果开口系统内的工质质量与参数不随时间变化，则称为稳定流动开口系统(Opensystemofsteadyflow)。区分闭口系统和开口系统的关键是有没有物质穿过边界，并不是系统的质量发生了变化。控制质量或控制容积与外界的分界面称为控制面(Controlsu

5、rface)。1-1-3简单系统、绝热系统与孤立系统和外界不进行热交换的热力系统称为绝热系统33(Adiabaticsystem)。和外界既无能量交换又无物质交换的系统称为孤立系统(Isolatedsystem)。和外界只交换热量和一种形式的准静态功的系统称为简单系统(Simplesystem)。准静态功的概念见1-7节。在简单系统中，表面现象、重力、电和磁的效应都不呈现出来。绝对的绝热系统和孤立系统是不存在的。孤立系统一定是闭口的和绝热的，但闭口系统或绝热系统不一定都是孤立的。1-1-4均匀系统于非均匀系统，单元系统与多元系统系统也可按其内部状况的不同而分为以下几种。内部各部分化学

6、成分和物理性质都均匀一致的系统称为均匀系统。由两个或两个以上的相所组成的系统称为非均匀系统。只含有一种化学成分物质的系统称为单元系统。由两种或两种以上物质组成的系统称为多元系统。由可压缩流体组成的系统称为可压缩系统。与外界只有热量和准静态容积变化功(膨胀功或压缩功)交换的可压缩系统称为简单可压缩系统。工程热力学中讨论的大部分系统都是简单可压缩系统。1-2状态和状态参数1-2-1热力系统的状态和状态参数热力系统在某一瞬间所处的宏观物理状况称为系统的状态(Stateofsystem)。状态的概念要通过系统的变量来表征。用以描述系统所处状态的一些宏观物理量称为33状态参数(StatePar

7、ameters)。系统是由工质组成的，而系统内工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况就称为工质的状态(Stateofworkingmedium)，描述工质状态的参数也就称为工质的状态参数或状态参量(Stateparameters)。状态一定，描述状态的参数也就一定。状态参数的变化只取决于给定的初始与最终状态，而与变化过程中所经历的中间状态和路径无关。系统内部(热力)状态要用内部状态参数来描述。常用的内部状态参数有压力、温度、比容、内能、焓、熵、自由能，自由焓等