第一章
基本概念
§ 1-1 热力系统
热力系统 (热力系、系统 )：人为地
研究对象
外界,系统以外的所有物质
1、系统与边界
边界 (界面 )：系统与外界的分界面
系统 与 外界 的作用都通过 边界
边界特性
真实、虚构固定、活动
热力系统分类
以系统与外界关系划分：
有 无
是否传质 开口系 闭口系
是否传热 非绝热系 绝热系
是否传功 非绝功系 绝功系
是否传热、功、质 非孤立系 孤立系
热力系统其它分类方式
其它分类方式
物理化学性质
均匀系
非均匀系
工质种类
多元系
单元系
相态
多相
单相
简单可压缩系统
最重要的 系统 ? 简单可压缩系统
只交换 热量 和 一种 准静态的 容积变化功
容积变化功
压缩功
膨胀功
§ 1-2 状态和状态参数
状态,某一瞬间热力系所呈现的宏观状况
状态参数,描述热力系状态的物理量
状态参数的 特征,
1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然
2,状态参数的积分特征,状态参数的变化量
与路径无关，只与初终态有关
3,状态参数的微分特征,全微分
状态参数的微分特征
设 z =z (x,y) dz是全微分
y x
zz
d z d x d y
xy
??????
?? ????
???? ??
充要条件：
22zz
x y y x
??
?
? ? ? ?
可判断是否
是状态参数
强度参数与广延参数
强度参数,与物质的量无关的参数
如 压力 p,温度 T
广延参数,与物质的量有关的参数 ? 可加性
如 质量 m,容积 V,内能 U,焓 H,熵 S
比参数：
比容
Vv
m?
Uu
m?
比 内能
Hh
m?
比 焓
Ss
m?
比 熵
单位,/kg /kmol 具有强度量的性质
§ 1-3 基本状态参数
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
1,压力 p
物理中 压强, 单位, Pa,N/m2
常用单位：
1 bar = 105 Pa
1 MPa = 106 Pa
1 atm = 760 mmHg = 1.013?105 Pa
1 mmHg =133.3 Pa
1 at=735.6 mmHg = 9.80665?104 Pa
绝对压力与相对压力
当 p > pb 表压力 pe
ebp p p??
当 p < pb 真空度 pv
bvp p p??
pb
pe
p pv
p
环境压力与大气压力
环境压力 指压力表所处环境
注意,环境压力 一般为 大气压, 但不一定。
见习题 1－ 7
大气压 随时间、地点变化。
物理大气压 1atm=760mmHg
当 h变化不大,ρ?常数 1mmHg=ρgh=133.322Pa
当 h变化大,ρ?ρ(h) ()p h g d h?? ? ??
见习题 1－ 4
温度 T 的一般定义
传统,冷热程度的度量。感觉，导热，热容量
微观,衡量分子平均动能的量度
T ? 0.5 m w 2
1) 同 T,0.5mw 2 不同，如碳固体和碳蒸气
2) 0.5mw 2总 ?0,T ?0,1951年核磁共振法对
氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度
3) T=0 ? 0.5mw 2=0 ? 分子一切运动停止，
零点能
热力学第零定律
温度的热力学定义
热力学第零定律 （ R.W,Fowler）
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 。
温度测量的
理论基础
B 温度计
温度的测量
温度 计
物质 （ 水银，铂电阻 ）
特性 （ 体积膨胀，阻值 ）
基准点
刻度 温标
常用温标
绝对 K 摄氏 ℃ 华氏 F 朗肯 R
100373.15
0.01273.16 0273.15
-17.8
0 -273.15
212 671.67
37.8 100
0
32
-459.67 0
459.67
491.67冰熔点水三相点
盐水沸点
发烧
水沸点
559.67
温标的换算
O[ ] [ ] 2 7 3, 1 5T K t C??
O 5[ ] ( [ ] 3 2 )
9
t C t F??
[ ] [ ] 4 5 9, 6 7t F t R??
比容 v
［ m3/kg]V
v
m
?
工质聚集的疏密程度
物理上常用 密度 ?［ kg/m3]
1
v
?
?
§ 1-4 平衡状态
1、定义：
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。
温差 — 热不平衡势
压差 — 力不平衡势
化学反应 — 化学不平衡势
平衡的 本质,不存在不平衡势
平衡与稳定
稳定,参数不随时间变化
稳定 但存在 不平衡势差
去掉 外界影响，则 状态
变化
若以 （热源 +铜棒 +冷源）
为系统，又如何？
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
平衡与均匀
平衡,时间上
均匀,空间上
平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
为什么引入平衡概念？
如果 系统平衡,可用 一组 确切
的参数（ 压力, 温度 ） 描述
但平衡状态是 死态,没有能量交换
能量交换 状态变化
破坏平衡如何描述
状态公理
闭口系：
不平衡势差 ? 状态变化 ? 能量传递
消除一种不平衡势差 ? 达到某一方面平衡
?消除一种能量传递方式
而 不平衡势差彼此独立
?独立参数数目 N=不平衡势差数
=能量转换方式的数目
=各种功的方式 +热量 = n+1
n ? 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功 等
状态方程
简单可压缩系统,N = n + 1 = 2
绝热简单可压缩系统 ? N =?
状态方程 ? 基本状态参数（ p,v,T)之间
的关系
),( Tpfv ? 0),,( ?Tvpf
状态方程的具体形式
理想气体的状态方程
RTpv ?
p V m R T?
实际工质的状态方程？？？
状态方程的具体形式取决于工质的性质
座标图
简单可压缩系 N=2,平面 坐标图
p
v
1） 系统任何平衡态可
表示在坐标图上
说明：
2） 过程线中任意一点
为平衡态
3） 不平衡态无法在图
上用实线表示
常见 p-v图和 T-s图
§ 1-6 准静态过程、可逆过程
平衡状态 状态不变化
能量不能转换
非平衡状态 无法简单描述
热力学引入 准静态 （ 准平衡 ） 过程
一般过程
p1 = p0+重物
p,T
p0
T1 = T0
突然去掉重物
最终 p2 = p0
T2 = T0
p
v
1
2
.
.
准静态过程
p1 = p0+重物
p,T
p0
T1 = T0
假如重物有无限多层
每次只去掉无限薄一层
p
v
1
2
.
.
.
系统 随时 接近于平衡态
准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间
（外部作用时间）
恢复平衡所需时间
（驰豫时间）>>
有足够时间恢复新平衡 ? 准静态过程
准静态过程的工程应用
例,活塞式内燃机 2000转 /分
曲柄 2冲程 /转,0.15米 /冲程
活塞运动速度 =2000?2?0.15/60=10 m/s
压力波恢复平衡速度（声速） 350 m/s
破坏平衡所需时间
（外部作用时间） >>
恢复平衡所需时间
（驰豫时间）
一般的工程过程都可认为是 准静态过程
具体工程问题具体分析。,突然,,缓慢,
准静态过程的容积变化功
p p外
f
初始,p?A= p外 ?A+f
A
如果 p外 微小 ?
可视为 准静态过程
dl
以汽缸中工质为系统
mkg工质发生容积变
化对外界作的功
?W = p?A ?dl =pdV
1kg工质
?w =pdv
dl 很小, 近似认为 p 不变
准静态过程的容积变化功
p p外
2
mkg工质,?W =pdV
1kg工质,?w =pdv
1
2
1
W p d V? ?
2
1
w p d v? ?
注意：
上式仅适用于
准静态过程
示功图p
V
.
1
2
.
p p外
21
mkg工质：
?W =pdV
2
1
W p d V? ?
1kg工质：
?w =pdv
2
1
w p d v? ?
W
准静态容积变化功的说明p
V
.
1
2
.
1） 单位为 [kJ] 或 [kJ/kg]
2） p-V 图上用 面积 表示
3） 功的大小与路径有关，
功是过程量
4） 统一规定,dV>0，膨胀 对外作功（ 正 ）
dV<0，压缩 外内作功（ 负 ）
5） 适于 准静态下 的 任何 工质（一般为流体）
6） 外力无限制，功的表达式只是系统内部参数
7） 有无 f，只影响系统功与外界功的大小差别
摩擦损失的影响
若有 f 存在，就存在损失
p p外
21
系统对外作功 W，外界得到的功 W ’<W
若外界将得到的功 W ’再返还给系统，系
统得到的功 W’’<W’
则 外界, 活塞,
系统 不能同时恢
复原态。
摩擦损失的影响
若 f ＝ 0
p p外
21
系统对外作功 W，外界得到的功 W ’＝ W
若外界将得到的功 W ’再返还给系统
则 外界, 活塞, 系统 同时恢复原态。
可逆过程的定义
系统经历某一过程后，如果能使 系
统 与 外界 同时 恢复到初始状态，而不留
下任何痕迹，则此过程为 可逆过程 。
注意,可逆过程只是指可能性，并不
是指必须要回到初态的过程。
可逆过程的实现
准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程
无不平衡势差 通过摩擦使功变热的效应
(摩阻，电阻，
非弹性变性，
磁阻等）
不平衡势差
不可逆根源
耗散效应,
耗散效应
典型的不可逆过程
不等温传热
T1
T2
T1>T2Q
自由膨胀
真空
?
?
?
?
? ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
典型的不可逆过程
节流过程
(阀门）
p1 p2
p1>p2
混合过程
?
?
?
?
? ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
? ★
★
★★
★
★
★
★★★
★
★
★★
引入可逆过程的意义
? 准静态过程是实际过程的 理想化 过程，
但并非 最优 过程，可逆过程是 最优 过程。
? 可逆过程的功与热 完全 可用 系统内 工质
的 状态参数 表达，可不考虑系统与外界
的复杂关系，易分析。
? 实际过程不是可逆过程，但为了研究方
便，先按 理想 情况（ 可逆过程 ）处理，
用系统参数加以分析，然后考虑不可逆
因素加以 修正。
完全可逆、内可逆与外可逆
完全可逆
可逆 内部可逆，外部不可逆
外部可逆，内部不可逆
?常见
90 ℃
0 ℃例：
内可逆
外不可逆
§ 1-7 功 量
1,力学 定义, 力 ? 在力方向上的 位移
2,热力学 定义 (外文参考书 ）
a,当热力系与外界发生能量传递
时，如果对外界的 唯一效果可归结为
取起重物,此即为热力系对外作功。
b,功是系统与外界相互作用的一
种方式，在 力 的推动下，通过 有序 运
动方式传递的能量 。
功的表达式
功 的一般表达式
F d xw ?? ?? F d xw
热力学最常见的功 ? 容积变化功
pdvw ?? ?? pdvw
其他准静态功,拉伸功, 表面张力功, 电功 等
§ 1-8 热 量 与 熵
1,热量 定义：
热力系通过边界与外界的交换的 能
量 中，除了 功 的部分 （不确切） 。
另一定义,热量 是热力系与外界
相互作用的另一种方式，在 温度 的推
动下，以微观 无序 运动方式传递的 能
量 。
热量与容积变化功
能量传递方式 容积变化功 传热量
性质 过程量 过程量
推动力 压力 p 温度 T
标志 dV,dv dS,ds
公式
pdvw ?? T d sq ??
?? pdvw ?? Td sq
条件 准静态或可逆 可逆
熵（ Entropy） 的定义
r e vQ
dS
T
?
?
reversible熵的简单引入
re vq
ds
T
?
? 比参数 [kJ/kg.K]
ds,可逆过程 ?qrev除以传热时的 T所得的 商
清华大学 刘仙洲 教授命名为,熵,
广延量 [kJ/K]
熵的说明
1,熵 是 状态参数
2,熵 的物理意义,熵 体现了 可逆过程
传热的 大小 与 方向
3,符号 规定
系统 吸热 时 为 正 Q > 0 dS > 0
系统 放热 时 为 负 Q < 0 dS < 0
4,用途,判断热量方向
计算可逆过程的传热量
示功图与示热图
p
V
W
T
S
Q
示功图 温熵 (示热 )图
?? pdVW ?? Td SQ
§ 1-9 热力循环
要实现 连续 作功，必须构成 循环
定义：
热力系统经过一系列变化回到初
态，这一系列变化过程称为 热力循环 。
不可逆循环
分类：
可逆过程
不可逆
循环 可逆循环
正循环
p
V
T
S
净效应,对外作功 净效应,吸热
正循环：顺时针方向
2
1
1
2
逆循环
p
V
T
S
净效应,对内作功 净效应,放热
逆循环：逆时针方向
2
1
1
2
热力循环的评价指标
正循环：净效应（对外作功，吸热）
W
T1
Q1
Q2
T2
动力循环：热效率
热力循环的评价指标
逆循环：净效应（对内作功，放热）
W
T0
Q1
Q2
T2
制冷循环：制冷系数
热力循环的评价指标
逆循环：净效应（对内作功，放热）
W
T1
Q1
Q2
T0
制热循环：制热系数
第一章 小 结
基本概念：
? 热力系
? 平衡、稳定、均匀
? 准静态、可逆
? 过程量、状态量、状态参数
? 功、热量、熵
? p-V图,T-S图
? 循环、工作系数
第一章 讨论课
? 热力系
种类,闭口系、开口系、绝热系、
绝功系、孤立系
热力系的选取取决于研究目的
和方法，具有 随意 性，选取不当将
不便于分析。
一旦取定系统,沿边界 寻找相
互作用。
例 1：绝热刚性容器向气缸充气
试分别选取 闭口系 和 开口系,画出
充气前后 边界,标明 功 和 热 的方向。
(1)以容器内原有气体为系统
闭口系
功量,气体对活塞作功 W
WQ
热量,气体通过活塞从外界吸热 Q
(2)以容器内残留的气体为系统
闭口系
功量,残留气体对放逸气体作功 W’
W’ Q’
热量,残留气体从放逸气体吸热 Q’
(3)以放逸气体为系统
闭口系
功量,W + W’
热量,Q + Q’
WQ
W’ Q’
(4)以容器为系统
开口系
功量,W’
热量,Q’
W’ Q’
(5)以气缸为系统
开口系
功量,W + W’’
热量,Q + Q’’
W’’Q’’
WQ
强度量与广延量
速度 动能
高度 位能
内能温度
应力 摩尔数
（强）
（强）
（强）
（强）
（广）
（广）
（广）
（广）
思考题 7
有人说，不可逆过程是无法恢复到初
始状态的过程，这种说法对吗？
不对。关键看是否引起外界变化。
可逆过程指 若 系统回到初态，外界
同时恢复到初态。
可逆过程并不是指系统必须回到初
态的过程。
可逆过程与准静态过程的区别和联系
可逆过程 一定是 准静态过程
准静态过程 不一定是 可逆过程
可逆过程 ＝ 准静态过程 ＋ 无耗散
可逆过程 完全理想，以后均用 可逆
过程 的概念。 准静态过程 很少用。
判断是否准静态与可逆（ 1）
以冰水混合物为热力系
90 ℃
0 ℃
缓慢加热
外部温差传热
准静态过程
系统内部等温传热，无耗散 内可逆
外不可逆
判断是否准静态与可逆（ 2）
蒸汽流经减压阀进入汽轮机
典型的 不可逆过程,因有漩涡，产生 耗散
是不是 准静态,取决于 开度
判断是否准静态与可逆（ 3）
带活塞的气缸中，水被缓慢加热
缓慢加热，每一时
刻水有确定的温度 准静态加热
火与水有温差 外不可逆
以 水 为系统 内可逆
以 水＋活塞 为系统
活塞与壁面无摩擦 内可逆
活塞与壁面有摩擦 内不可逆
判断是否准静态与可逆（ 4）
电或重物
电或重物带动搅拌器加热容器中气体
电功 热
机械功 热 耗散
是否 准静态,看加热快慢
但 不可逆
有用功
气缸中气体膨胀对外作功,准静态过程
气体对外作功
若不考虑摩擦，外界得到功
但外界得到的有用功
pb
p
W p d V? ?
bp p V W? ? ?重物（）
bW W p V? ? ?有用
可逆过程与准静态过程的功
加热 A腔中气体,B被压缩,B中理想气体
BA
1） 以 B中气体为 系统
绝热，无摩擦
缓慢压缩 准静态
无摩擦 可逆
B中气体（理想气体，可逆，绝热）
kp V C o n s t?
B得到的功
B k
CW p d V d V
V
????
遵循
BAWW?
可逆过程与准静态过程的功
加热 A腔中气体,B被压缩,B中理想气体
BA
2） 以 A中气体 为 系统
绝热，无摩擦
缓慢加热 准静态
无摩擦 内可逆
3） 以 A腔 为 系统
4） 以 A＋ B为 系统
电功耗散为热 不可逆
电功耗散为热 不可逆
自由膨胀过程
刚性，绝热
真空
?
?
?
?
? ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
A
B
B中没有气体，不能取做系统
以 A中原有气体 为 系统
A中气体 非准静态
A中气体没有作 功
没有 作功对象
后 进去的对 先 进去
的 气体作功了吗？
气体混合过程
刚性，绝热,pA>>pB
?
?
?
?
? ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
A B
非准静态过程，非可逆过程
取 A或 B中气体为系统
可逆热力学
没法计算
相互有功的作用
取 A＋ B气体为系统，
无功
灵活处理功的计算
充气球
若 准静态过程
若取 进入气球的 气体 为 系统
但 pV的关系不知？
若看外部效果,pb不变
外界得到功 pb?V=气体作功
W p d V? ?
基本概念
§ 1-1 热力系统
热力系统 (热力系、系统 )：人为地
研究对象
外界,系统以外的所有物质
1、系统与边界
边界 (界面 )：系统与外界的分界面
系统 与 外界 的作用都通过 边界
边界特性
真实、虚构固定、活动
热力系统分类
以系统与外界关系划分：
有 无
是否传质 开口系 闭口系
是否传热 非绝热系 绝热系
是否传功 非绝功系 绝功系
是否传热、功、质 非孤立系 孤立系
热力系统其它分类方式
其它分类方式
物理化学性质
均匀系
非均匀系
工质种类
多元系
单元系
相态
多相
单相
简单可压缩系统
最重要的 系统 ? 简单可压缩系统
只交换 热量 和 一种 准静态的 容积变化功
容积变化功
压缩功
膨胀功
§ 1-2 状态和状态参数
状态,某一瞬间热力系所呈现的宏观状况
状态参数,描述热力系状态的物理量
状态参数的 特征,
1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然
2,状态参数的积分特征,状态参数的变化量
与路径无关，只与初终态有关
3,状态参数的微分特征,全微分
状态参数的微分特征
设 z =z (x,y) dz是全微分
y x
zz
d z d x d y
xy
??????
?? ????
???? ??
充要条件：
22zz
x y y x
??
?
? ? ? ?
可判断是否
是状态参数
强度参数与广延参数
强度参数,与物质的量无关的参数
如 压力 p,温度 T
广延参数,与物质的量有关的参数 ? 可加性
如 质量 m,容积 V,内能 U,焓 H,熵 S
比参数：
比容
Vv
m?
Uu
m?
比 内能
Hh
m?
比 焓
Ss
m?
比 熵
单位,/kg /kmol 具有强度量的性质
§ 1-3 基本状态参数
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
1,压力 p
物理中 压强, 单位, Pa,N/m2
常用单位：
1 bar = 105 Pa
1 MPa = 106 Pa
1 atm = 760 mmHg = 1.013?105 Pa
1 mmHg =133.3 Pa
1 at=735.6 mmHg = 9.80665?104 Pa
绝对压力与相对压力
当 p > pb 表压力 pe
ebp p p??
当 p < pb 真空度 pv
bvp p p??
pb
pe
p pv
p
环境压力与大气压力
环境压力 指压力表所处环境
注意,环境压力 一般为 大气压, 但不一定。
见习题 1－ 7
大气压 随时间、地点变化。
物理大气压 1atm=760mmHg
当 h变化不大,ρ?常数 1mmHg=ρgh=133.322Pa
当 h变化大,ρ?ρ(h) ()p h g d h?? ? ??
见习题 1－ 4
温度 T 的一般定义
传统,冷热程度的度量。感觉，导热，热容量
微观,衡量分子平均动能的量度
T ? 0.5 m w 2
1) 同 T,0.5mw 2 不同，如碳固体和碳蒸气
2) 0.5mw 2总 ?0,T ?0,1951年核磁共振法对
氟化锂晶体的实验发现负的开尔文温度
3) T=0 ? 0.5mw 2=0 ? 分子一切运动停止，
零点能
热力学第零定律
温度的热力学定义
热力学第零定律 （ R.W,Fowler）
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 。
温度测量的
理论基础
B 温度计
温度的测量
温度 计
物质 （ 水银，铂电阻 ）
特性 （ 体积膨胀，阻值 ）
基准点
刻度 温标
常用温标
绝对 K 摄氏 ℃ 华氏 F 朗肯 R
100373.15
0.01273.16 0273.15
-17.8
0 -273.15
212 671.67
37.8 100
0
32
-459.67 0
459.67
491.67冰熔点水三相点
盐水沸点
发烧
水沸点
559.67
温标的换算
O[ ] [ ] 2 7 3, 1 5T K t C??
O 5[ ] ( [ ] 3 2 )
9
t C t F??
[ ] [ ] 4 5 9, 6 7t F t R??
比容 v
［ m3/kg]V
v
m
?
工质聚集的疏密程度
物理上常用 密度 ?［ kg/m3]
1
v
?
?
§ 1-4 平衡状态
1、定义：
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。
温差 — 热不平衡势
压差 — 力不平衡势
化学反应 — 化学不平衡势
平衡的 本质,不存在不平衡势
平衡与稳定
稳定,参数不随时间变化
稳定 但存在 不平衡势差
去掉 外界影响，则 状态
变化
若以 （热源 +铜棒 +冷源）
为系统，又如何？
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
平衡与均匀
平衡,时间上
均匀,空间上
平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
为什么引入平衡概念？
如果 系统平衡,可用 一组 确切
的参数（ 压力, 温度 ） 描述
但平衡状态是 死态,没有能量交换
能量交换 状态变化
破坏平衡如何描述
状态公理
闭口系：
不平衡势差 ? 状态变化 ? 能量传递
消除一种不平衡势差 ? 达到某一方面平衡
?消除一种能量传递方式
而 不平衡势差彼此独立
?独立参数数目 N=不平衡势差数
=能量转换方式的数目
=各种功的方式 +热量 = n+1
n ? 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功 等
状态方程
简单可压缩系统,N = n + 1 = 2
绝热简单可压缩系统 ? N =?
状态方程 ? 基本状态参数（ p,v,T)之间
的关系
),( Tpfv ? 0),,( ?Tvpf
状态方程的具体形式
理想气体的状态方程
RTpv ?
p V m R T?
实际工质的状态方程？？？
状态方程的具体形式取决于工质的性质
座标图
简单可压缩系 N=2,平面 坐标图
p
v
1） 系统任何平衡态可
表示在坐标图上
说明：
2） 过程线中任意一点
为平衡态
3） 不平衡态无法在图
上用实线表示
常见 p-v图和 T-s图
§ 1-6 准静态过程、可逆过程
平衡状态 状态不变化
能量不能转换
非平衡状态 无法简单描述
热力学引入 准静态 （ 准平衡 ） 过程
一般过程
p1 = p0+重物
p,T
p0
T1 = T0
突然去掉重物
最终 p2 = p0
T2 = T0
p
v
1
2
.
.
准静态过程
p1 = p0+重物
p,T
p0
T1 = T0
假如重物有无限多层
每次只去掉无限薄一层
p
v
1
2
.
.
.
系统 随时 接近于平衡态
准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间
（外部作用时间）
恢复平衡所需时间
（驰豫时间）>>
有足够时间恢复新平衡 ? 准静态过程
准静态过程的工程应用
例,活塞式内燃机 2000转 /分
曲柄 2冲程 /转,0.15米 /冲程
活塞运动速度 =2000?2?0.15/60=10 m/s
压力波恢复平衡速度（声速） 350 m/s
破坏平衡所需时间
（外部作用时间） >>
恢复平衡所需时间
（驰豫时间）
一般的工程过程都可认为是 准静态过程
具体工程问题具体分析。,突然,,缓慢,
准静态过程的容积变化功
p p外
f
初始,p?A= p外 ?A+f
A
如果 p外 微小 ?
可视为 准静态过程
dl
以汽缸中工质为系统
mkg工质发生容积变
化对外界作的功
?W = p?A ?dl =pdV
1kg工质
?w =pdv
dl 很小, 近似认为 p 不变
准静态过程的容积变化功
p p外
2
mkg工质,?W =pdV
1kg工质,?w =pdv
1
2
1
W p d V? ?
2
1
w p d v? ?
注意：
上式仅适用于
准静态过程
示功图p
V
.
1
2
.
p p外
21
mkg工质：
?W =pdV
2
1
W p d V? ?
1kg工质：
?w =pdv
2
1
w p d v? ?
W
准静态容积变化功的说明p
V
.
1
2
.
1） 单位为 [kJ] 或 [kJ/kg]
2） p-V 图上用 面积 表示
3） 功的大小与路径有关，
功是过程量
4） 统一规定,dV>0，膨胀 对外作功（ 正 ）
dV<0，压缩 外内作功（ 负 ）
5） 适于 准静态下 的 任何 工质（一般为流体）
6） 外力无限制，功的表达式只是系统内部参数
7） 有无 f，只影响系统功与外界功的大小差别
摩擦损失的影响
若有 f 存在，就存在损失
p p外
21
系统对外作功 W，外界得到的功 W ’<W
若外界将得到的功 W ’再返还给系统，系
统得到的功 W’’<W’
则 外界, 活塞,
系统 不能同时恢
复原态。
摩擦损失的影响
若 f ＝ 0
p p外
21
系统对外作功 W，外界得到的功 W ’＝ W
若外界将得到的功 W ’再返还给系统
则 外界, 活塞, 系统 同时恢复原态。
可逆过程的定义
系统经历某一过程后，如果能使 系
统 与 外界 同时 恢复到初始状态，而不留
下任何痕迹，则此过程为 可逆过程 。
注意,可逆过程只是指可能性，并不
是指必须要回到初态的过程。
可逆过程的实现
准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程
无不平衡势差 通过摩擦使功变热的效应
(摩阻，电阻，
非弹性变性，
磁阻等）
不平衡势差
不可逆根源
耗散效应,
耗散效应
典型的不可逆过程
不等温传热
T1
T2
T1>T2Q
自由膨胀
真空
?
?
?
?
? ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
典型的不可逆过程
节流过程
(阀门）
p1 p2
p1>p2
混合过程
?
?
?
?
? ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
? ★
★
★★
★
★
★
★★★
★
★
★★
引入可逆过程的意义
? 准静态过程是实际过程的 理想化 过程，
但并非 最优 过程，可逆过程是 最优 过程。
? 可逆过程的功与热 完全 可用 系统内 工质
的 状态参数 表达，可不考虑系统与外界
的复杂关系，易分析。
? 实际过程不是可逆过程，但为了研究方
便，先按 理想 情况（ 可逆过程 ）处理，
用系统参数加以分析，然后考虑不可逆
因素加以 修正。
完全可逆、内可逆与外可逆
完全可逆
可逆 内部可逆，外部不可逆
外部可逆，内部不可逆
?常见
90 ℃
0 ℃例：
内可逆
外不可逆
§ 1-7 功 量
1,力学 定义, 力 ? 在力方向上的 位移
2,热力学 定义 (外文参考书 ）
a,当热力系与外界发生能量传递
时，如果对外界的 唯一效果可归结为
取起重物,此即为热力系对外作功。
b,功是系统与外界相互作用的一
种方式，在 力 的推动下，通过 有序 运
动方式传递的能量 。
功的表达式
功 的一般表达式
F d xw ?? ?? F d xw
热力学最常见的功 ? 容积变化功
pdvw ?? ?? pdvw
其他准静态功,拉伸功, 表面张力功, 电功 等
§ 1-8 热 量 与 熵
1,热量 定义：
热力系通过边界与外界的交换的 能
量 中，除了 功 的部分 （不确切） 。
另一定义,热量 是热力系与外界
相互作用的另一种方式，在 温度 的推
动下，以微观 无序 运动方式传递的 能
量 。
热量与容积变化功
能量传递方式 容积变化功 传热量
性质 过程量 过程量
推动力 压力 p 温度 T
标志 dV,dv dS,ds
公式
pdvw ?? T d sq ??
?? pdvw ?? Td sq
条件 准静态或可逆 可逆
熵（ Entropy） 的定义
r e vQ
dS
T
?
?
reversible熵的简单引入
re vq
ds
T
?
? 比参数 [kJ/kg.K]
ds,可逆过程 ?qrev除以传热时的 T所得的 商
清华大学 刘仙洲 教授命名为,熵,
广延量 [kJ/K]
熵的说明
1,熵 是 状态参数
2,熵 的物理意义,熵 体现了 可逆过程
传热的 大小 与 方向
3,符号 规定
系统 吸热 时 为 正 Q > 0 dS > 0
系统 放热 时 为 负 Q < 0 dS < 0
4,用途,判断热量方向
计算可逆过程的传热量
示功图与示热图
p
V
W
T
S
Q
示功图 温熵 (示热 )图
?? pdVW ?? Td SQ
§ 1-9 热力循环
要实现 连续 作功，必须构成 循环
定义：
热力系统经过一系列变化回到初
态，这一系列变化过程称为 热力循环 。
不可逆循环
分类：
可逆过程
不可逆
循环 可逆循环
正循环
p
V
T
S
净效应,对外作功 净效应,吸热
正循环：顺时针方向
2
1
1
2
逆循环
p
V
T
S
净效应,对内作功 净效应,放热
逆循环：逆时针方向
2
1
1
2
热力循环的评价指标
正循环：净效应（对外作功，吸热）
W
T1
Q1
Q2
T2
动力循环：热效率
热力循环的评价指标
逆循环：净效应（对内作功，放热）
W
T0
Q1
Q2
T2
制冷循环：制冷系数
热力循环的评价指标
逆循环：净效应（对内作功，放热）
W
T1
Q1
Q2
T0
制热循环：制热系数
第一章 小 结
基本概念：
? 热力系
? 平衡、稳定、均匀
? 准静态、可逆
? 过程量、状态量、状态参数
? 功、热量、熵
? p-V图,T-S图
? 循环、工作系数
第一章 讨论课
? 热力系
种类,闭口系、开口系、绝热系、
绝功系、孤立系
热力系的选取取决于研究目的
和方法，具有 随意 性，选取不当将
不便于分析。
一旦取定系统,沿边界 寻找相
互作用。
例 1：绝热刚性容器向气缸充气
试分别选取 闭口系 和 开口系,画出
充气前后 边界,标明 功 和 热 的方向。
(1)以容器内原有气体为系统
闭口系
功量,气体对活塞作功 W
WQ
热量,气体通过活塞从外界吸热 Q
(2)以容器内残留的气体为系统
闭口系
功量,残留气体对放逸气体作功 W’
W’ Q’
热量,残留气体从放逸气体吸热 Q’
(3)以放逸气体为系统
闭口系
功量,W + W’
热量,Q + Q’
WQ
W’ Q’
(4)以容器为系统
开口系
功量,W’
热量,Q’
W’ Q’
(5)以气缸为系统
开口系
功量,W + W’’
热量,Q + Q’’
W’’Q’’
WQ
强度量与广延量
速度 动能
高度 位能
内能温度
应力 摩尔数
（强）
（强）
（强）
（强）
（广）
（广）
（广）
（广）
思考题 7
有人说，不可逆过程是无法恢复到初
始状态的过程，这种说法对吗？
不对。关键看是否引起外界变化。
可逆过程指 若 系统回到初态，外界
同时恢复到初态。
可逆过程并不是指系统必须回到初
态的过程。
可逆过程与准静态过程的区别和联系
可逆过程 一定是 准静态过程
准静态过程 不一定是 可逆过程
可逆过程 ＝ 准静态过程 ＋ 无耗散
可逆过程 完全理想，以后均用 可逆
过程 的概念。 准静态过程 很少用。
判断是否准静态与可逆（ 1）
以冰水混合物为热力系
90 ℃
0 ℃
缓慢加热
外部温差传热
准静态过程
系统内部等温传热，无耗散 内可逆
外不可逆
判断是否准静态与可逆（ 2）
蒸汽流经减压阀进入汽轮机
典型的 不可逆过程,因有漩涡，产生 耗散
是不是 准静态,取决于 开度
判断是否准静态与可逆（ 3）
带活塞的气缸中，水被缓慢加热
缓慢加热，每一时
刻水有确定的温度 准静态加热
火与水有温差 外不可逆
以 水 为系统 内可逆
以 水＋活塞 为系统
活塞与壁面无摩擦 内可逆
活塞与壁面有摩擦 内不可逆
判断是否准静态与可逆（ 4）
电或重物
电或重物带动搅拌器加热容器中气体
电功 热
机械功 热 耗散
是否 准静态,看加热快慢
但 不可逆
有用功
气缸中气体膨胀对外作功,准静态过程
气体对外作功
若不考虑摩擦，外界得到功
但外界得到的有用功
pb
p
W p d V? ?
bp p V W? ? ?重物（）
bW W p V? ? ?有用
可逆过程与准静态过程的功
加热 A腔中气体,B被压缩,B中理想气体
BA
1） 以 B中气体为 系统
绝热，无摩擦
缓慢压缩 准静态
无摩擦 可逆
B中气体（理想气体，可逆，绝热）
kp V C o n s t?
B得到的功
B k
CW p d V d V
V
????
遵循
BAWW?
可逆过程与准静态过程的功
加热 A腔中气体,B被压缩,B中理想气体
BA
2） 以 A中气体 为 系统
绝热，无摩擦
缓慢加热 准静态
无摩擦 内可逆
3） 以 A腔 为 系统
4） 以 A＋ B为 系统
电功耗散为热 不可逆
电功耗散为热 不可逆
自由膨胀过程
刚性，绝热
真空
?
?
?
?
? ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
A
B
B中没有气体，不能取做系统
以 A中原有气体 为 系统
A中气体 非准静态
A中气体没有作 功
没有 作功对象
后 进去的对 先 进去
的 气体作功了吗？
气体混合过程
刚性，绝热,pA>>pB
?
?
?
?
? ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
A B
非准静态过程，非可逆过程
取 A或 B中气体为系统
可逆热力学
没法计算
相互有功的作用
取 A＋ B气体为系统，
无功
灵活处理功的计算
充气球
若 准静态过程
若取 进入气球的 气体 为 系统
但 pV的关系不知？
若看外部效果,pb不变
外界得到功 pb?V=气体作功
W p d V? ?
