工程热力学02

老牧童 • 2025-05-05 19:45 • 未分类

工程热力学02本文介绍了热能和机械能相互转换的基本概念包括工质热源与冷源的定义以及热力系统绝热系统和孤立系统的分类

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第一章基本概念及定义

1-1 热能和机械能相互转换的过程

工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质

热源：与工质进行热交换的物质系统

细分的话，把工质从中吸取热能的物系称为热源（高温热源），把接受工质排除热能的物系称为冷源（低温热源），热源和冷源可以是恒温的，也可以是变温的。

1-2 热力系统

热力系统：被人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统称为热力系统

外界：与系统发生质能交换的物体统称外界

边界：系统与外界之间的分界面称为边界

边界可以是实际存在的，也可以是假想的，可以是固定不动的，也可以有位移和变形

根据热力系统和外界之间的能量和物质交换情况，热力系统可分为以下类型：

闭口系统：热力系统和外界只有能量交换而无物质交换

闭口系统内的质量保持恒定不变，又称为控制质量

开口系统：热力系统和外界不仅有能量交换而且有物质交换

开口系统通常是在某一划定的空间范围内进行的，又称为控制容积

区分闭口系和开口系的关键在有没有质量越过边界，并不是系统的质量是不是发生变化

绝热系统：热力系统和外界无热量交换

不管是开口系还是闭口系，只要没有热量越过边界就是绝热系

孤立系统：热力系统和外界既无能量交换又无物质交换

孤立系必定是绝热的，但绝热系不一定是孤立系

自然界没有孤立系统

简单可压缩系：热力系与外界可逆功交换只有体积变化功（膨胀功或压缩功）一种形式

1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数

热力学状态：工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况

状态参数：用来描述工质所处平衡状态的宏观物理量

状态参数的全部或一部分发生变化，即表明物质所处的状态发生了变化

物质状态变化也必然可由状态参数的变化显现

状态参数一旦完全确定，工质状态也就确定了

状态参数是热力系统状态的单值函数，它的值取决于给定的状态，而与如何达到这一状态的途径无关，这一特性表现在数学上是点函数，其微元差是全微分，而全微分沿闭合路线的积分等于零

常用的状态参数：压力p、温度T、体积V、热力学能（内能）U、焓H和熵S

基本状态参数：可直接用仪器测量，有压力p、温度T、体积V

其余状态参数可据基本状态参数间接算得

强度量：与系统质量的多少无关，有压力、温度

广延量：与系统质量成正比，具有可加性，如体积、热力学能、焓和熵等

广延量的比参数（即单位质量工质的参数）又具有强度量的性质，如比体积、比热力学能、比焓和比熵，通常热力系的光延参数用大写字母表示，其比参数则用小写字母表示

温度是物体冷热程度的标志

物质具有某种宏观性质，当各物体的这一性质不同时，它们若相互接触，其间将有净能流传递；当这一性质相同时，它们之间达到热平衡。这一宏观物理性质称为温度

从微观上看，温度标志物质分子热运动的激烈程度

对于气体，温度是大量分子平移动能平均值的量度，关系式：

$\frac{m\overline{c}^{2}}{2}=BT$

其中，T是热力学温度； $\bar{c}$ 是分子移动的均方根速度；

$B=\frac{3}{2}k$

$k=(1.380058\pm 0.000012)\times10 ^{-23} J/K$ 是玻尔兹曼常数

热量传递的方向总是由温度高的物体传向温度低的物体

热量传递是持续不断进行的，直到两物体的温度相等为止？

测量温度的仪器称为温度计，温标是温度的数值表示法

国际上规定热力学温标（绝对温标）作为测量温度的最基本温标，它是根据热力学第二定律的基本原理制定的，和测温物质的特性无关，温度单位是开尔文，把水的三相点的温度作为单一基准点，并规定为273.16K，热力学温度单位“开尔文”是水的三相点温度的1/273.16

t为摄氏温度，单位摄氏度℃

T为热力学温度

压力：单位面积上所受的垂直作用力称为压力（压强），单位帕斯卡Pa， $1Pa=1N/m^{2}$

测量工质压力的仪器称为压力计，压力计所测得的压力是工质的真实压力（绝对压力）与环境介质压力 $p_{b}$ 之差，称为表压力 $p_{e}$ 或真空度 $p_{v}$

当绝对压力大于大气压力时 $p=p_{b}+p_{e}$

当绝对压力低于大气压力时 $p=p_{b}-p_{v}$

气体的绝对压力由测压仪表的读数和当地大气压共同决定，测压仪表读数改变气体压力不一定改变

比体积：单位质量物质所占的体积 $v=\frac{V}{m}$ ，单位 $m^{3}/kg$

密度：单位体积物质的质量 $\rho =\frac{m}{V}$ ，单位 $kg/m^{3}$

1-4 平衡状态、状态方程式、坐标图

平衡状态：一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态称为平衡状态

均匀不是系统处于平衡状态的必要条件

稳定状态和平衡状态的区别：只要系统的参数不随时间而改变，就认为系统处在稳定状态，不用考虑参数不变是怎么实现的；平衡状态必须是在没有外界作用下实现参数保持不变

一个热力系如果其两个状态相同，则其所有状态参数均一一对应相等；只有所有状态参数均对应相等，才能说这个热力系的两个状态相同

简单可压缩系只要两个独立参数对应相同就可以判定两个状态相同，两个独立参数可确定一个状态，其他状态参数可表示为这两个独立参数的函数

状态方程式：对于简单可压缩热力系统，当它处于平衡状态时，各部分具有相同的压力、温度和比体积等参数，且这些参数服从一定的关系式，这样的关系式叫做状态方程式

理想气体的状态方程： $pv=R_{g}T,pV=mR_{g}T,pV=nRT$

$R_{g}$ ：气体常数， $J/(kg\cdot K)$

：摩尔气体常数， $R=8.3145J/(mol\cdot K)$

$R=MR_{g}$

由于两个独立参数可以完全确定简单可压缩系的平衡状态，所以由任意两个独立的状态参数所组成的平面坐标图上的任意一点，都相应于热力系的某一确定的平衡状态；同样热力系每一平衡状态都可在这样的坐标图上用一点来表示。这种由热力系状态参数所组成的坐标图称为热力状态坐标图

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