第一章
基本概念
Basic Concepts
§ 1-1 热力系统
热力系统 (热力系、系统 )：人为地
研究对象
1,系统 的定义
Thermodynamic system
system
A quantity of matter or a region
in space chosen for study
§ 1-1 热力系统
外界,系统以外的所有物质
2,系统、外界 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
surroundings
boundary
边界特性
真实、虚构固定、活动
fixed, movable real, imaginary
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
Types of System
开口系
绝热系
孤立系
Closed system Control mass
Isolated system
Open system Control volume
闭口系
Adiabatic system
1 2
34
m
QW
1 ? 开口系
§ 1-1 热力 系统
非孤立系＋相关外界
＝ 孤立系
1+2 ?闭口系
1+2+3 ? 绝热闭口系
1+2+3+4 ? 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
Simple compressible system
§ 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
State and state properties
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
Total
differentials
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 具有强度参数的性质
Intensive properties Extensive properties
强度参数与广延参数
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）
Velocity Kinetic Energy
Height Potential Energy
Temperature Internal Energy
Stress Mol
§ 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 ( pressure )
物理中 压强, 单位, Pa (Pascal),N/m2
常用单位 Units：
1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa
1 MPa = 106 Pa
1 atm = 760 mmHg = 1.013?105 Pa
1 mmHg = 133.3 Pa
1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665?104 Pa
Basic state properties
压力 p测量
示意图
绝对压力 与 环境压力 的 相对值
—— 相对压力
注意,只有 绝对压力 p 才 是 状态参数
U-tube manometer Bourdon Tube
绝对压力与相对压力
示意图
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
relative pressureabsolute pressure
Gage pressure
Vacuum pressure
环境压力与大气压力
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
环境压力 Environmental pressure
大气 压力 Atmospheric pressure
barometric
hbarometer
大气压力 Atmospheric pressure
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
Other Pressure
Measurement Devices
高精度测量,活塞压力计
piston manometer
工业或一般科研测量,压力传感器
Pressure transducers
Piezoelectric effect
§ 1-3 基本状态参数
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
2,温度 T ( Temperature )
Basic state properties
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
温度的热力学定义
热力学第零定律 （ R.W,Fowler in 1931）
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
The Zeroth Law of Thermodynamics
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 。
If two bodies are in thermal
equilibrium with a third body,they
are also in thermal equilibrium with
each other.
Temperature measurement
温度 计
物质 （ 水银，铂电阻 ）
特性 （ 体积膨胀，阻值 ）
基准点
刻度 Scale
温标 Temperature scale
Reference state
温标 Temperature scale
? 热力学温标（绝对温标） Kelvin scale
（ Britisher,L,Kelvin,1824-1907）
? 摄氏温标 Celsius scale (Swedish,A,
Celsius,1701-1744）
? 华氏温标 Fahrenheit scale (German,
G,Fahrenheit,1686-1736)
? 朗肯温标 Rankine scale (W,Rankine,
1820-1872)
常用温标之间的关系
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
盐水熔点
发烧
水沸点
559.67
温标的换算
O[ ] [ ] 2 7 3, 1 5T K t C??
O 5[ ] ( [ ] 32 )
9
t C t F??
[ ] [ ] 4 5 9, 6 7t F t R??
Temperature Measurement
Devices
日常,水银温度计, 酒精温度计，
thermometer
工业,热电偶 Thermocouple
热电阻 Resistance temperature detector
辐射温度计 Radiation thermometer
计量,铂电阻温度计 Platinum
§ 1-3 基本状态参数
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
3,比容 v ( specific volume )
Basic state properties
[m3/kg]V
v
m
?
工质聚集的疏密程度
物理上常用 密度 density ? [kg/m3]
1
v
?
?
§ 1-4 平衡状态 Equilibrium state
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。
A system in equilibrium experiences
no changes when it is isolated from it
surroundings.
Many types of Equilibrium
1、热平衡 Thermal equilibrium,
if the temperature is the same
throughout the entire
温差 Temperature differential
热不平衡势 Unbalanced potentials
Many types of Equilibrium
2,力平衡 Mechanical equilibrium,
if there is no change in pressure at
any point of the system with time
The variation of pressure as a result of
gravity in most thermodynamic system is
relatively small and usually disregarded
压差 Pressure differential
力不平衡势 Unbalanced potentials
Many types of Equilibrium
3、相平衡 Phase equilibrium,
when the mass of each phase
reaches an equilibrium level and stays
there
4、化学平衡 Chemical equilibrium,
if its chemical composition does
not change with time,That is,no
chemical reactions occur.
§ 1-4 平衡状态 Equilibrium state
温差 — 热不平衡势
压差 — 力不平衡势
相变 — 相不平衡势
化学反应 — 化学不平衡势
平衡的 本质,不存在不平衡势
In an equilibrium state there are no
unbalanced potentials
平衡 Equilibrium与稳定 Steady
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 Equilibrium与均匀 Even
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
§ 1-5 状态方程、坐标图
平衡状态 可用 一组 状态参数描述其状态
状态公理：对组元一定的 闭口系,
独立状态参数个数 N=n+1
想确切描述某个热力系，是
否需要所有状态参数？
状态公理 State postulate闭口系：
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
不平衡势差 状态变化 能量传递
消除一种 达到某一 消除一种能量
不平衡势差 方面平衡 传递方式
简单可压缩系统的独立变量数
简单可压缩系统,N = n + 1 =
绝热简单可压缩系统 ? N =?
2
只交换 热量 和 一种 准静态的 容积变化功
The state of a simple compressible
system is completely specified by two
independent properties
状态方程 Equation of state
简单可压缩系统,N = 2
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？？？
取决于工质的性质
The Ideal-Gas Equation of State
座标图 diagram
简单可压缩系统 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
2
1
§ 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
quasi-static,or quasi-equilibrium
一般过程 Process
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 Quasi-static process
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
准静态过程有实际意义吗？
既是平衡，又是变化
既可以用状态参数描述, 又可进行热功转换
疑问,理论上 准静态 应无限
缓慢,工程上 怎样处理？
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
Relaxation time
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 mkg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
Moving Boundary Work
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 indicator (p-V) diagramp
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
.
2） p-V 图上用 面积 表示
3） 功的大小与路径有关，
过程量 Path function
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
1） 单位为 [kJ] 或 [kJ/kg]W
w
摩擦损失 Friction Loss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 Friction Loss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 reversible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 。
A process that can reversed
without leaving any trace on the
surroundings,That is,both the
system and the surroundings are
returned to their initial states at
the end of the reverse process.
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
irreversibility
Dissipative effect
Heat transfer
常见的不可逆过程
不等温传热
T1
T2
T1>T2Q
节流过程
(阀门）
p1 p2
p1>p2
Frequently encountered irreversibilities
Throttler
常见的不可逆过程
混合过程
?
?
?
?
? ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
? ★
★
★★
★
★
★
★★★
★
★
★★
自由膨胀
真空
?
?
?
?
? ?
?
?
?
?
?
?
Frequently encountered irreversibilities
Unrestrained expansion Mixing process
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 ?常见
90 ℃
0 ℃例：
内可逆
外不可逆
Totally reversible
Internally reversible
外部可逆，内部不可逆
Externally reversible
§ 1-7 功 量 Work
1,力学 定义, 力 ? 在力方向上的 位移
2,热力学 定义 I
热力学 定义 II
功的热力学定义 II
Work is an energy interaction
between a system and its surroundings,
if the energy crossing the boundary of a
closed system is not heat,it must be
work.
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 Heat and Entropy
Heat is defined as the form of energy
that is transferred between two
systems (or its surroundings) by
virtue of a temperature difference.
热量 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
r e 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
3,熵 的物理意义,熵 体现了 可逆过程
传热的 大小 与 方向
2,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 Cycle
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 。
A system is said to have undergone
a cycle if it returns to its initial state
at the end of the process
循环和过程 Cycle and process
p
v
1
2 3 T
s
1
2
3
4
4
循环由过程构成
不可逆循环
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
顺时针方向
2
1
1
2
动力循环 Power cycle
逆循环
p
V
T
S
净效应,对内作功 净效应,放热
逆时针方向
2
1
1
2
制冷循环
Refrigeration cycle
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
制热循环：制热系数
第一章 小 结 Summary
基本概念：
? 热力系
? 平衡态
? 准静态、可逆
? 过程量、状态量、状态参数
? 功量、热量、熵
? p-V图,T-S图
? 循环、评价指标
第一章 讨论课 Discussion
? 热力系
种类,闭口系、开口系、绝热系、
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)以气缸活塞为系统
开口系
功量,W + W’’
热量,Q + Q’’
W’’Q’’
WQ
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 useful work
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 pd 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腔 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 pd V? ?
第一章 完
End of Chapter one
基本概念
Basic Concepts
§ 1-1 热力系统
热力系统 (热力系、系统 )：人为地
研究对象
1,系统 的定义
Thermodynamic system
system
A quantity of matter or a region
in space chosen for study
§ 1-1 热力系统
外界,系统以外的所有物质
2,系统、外界 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
surroundings
boundary
边界特性
真实、虚构固定、活动
fixed, movable real, imaginary
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
Types of System
开口系
绝热系
孤立系
Closed system Control mass
Isolated system
Open system Control volume
闭口系
Adiabatic system
1 2
34
m
QW
1 ? 开口系
§ 1-1 热力 系统
非孤立系＋相关外界
＝ 孤立系
1+2 ?闭口系
1+2+3 ? 绝热闭口系
1+2+3+4 ? 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
Simple compressible system
§ 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
State and state properties
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
Total
differentials
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 具有强度参数的性质
Intensive properties Extensive properties
强度参数与广延参数
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）
Velocity Kinetic Energy
Height Potential Energy
Temperature Internal Energy
Stress Mol
§ 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 ( pressure )
物理中 压强, 单位, Pa (Pascal),N/m2
常用单位 Units：
1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa
1 MPa = 106 Pa
1 atm = 760 mmHg = 1.013?105 Pa
1 mmHg = 133.3 Pa
1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665?104 Pa
Basic state properties
压力 p测量
示意图
绝对压力 与 环境压力 的 相对值
—— 相对压力
注意,只有 绝对压力 p 才 是 状态参数
U-tube manometer Bourdon Tube
绝对压力与相对压力
示意图
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
relative pressureabsolute pressure
Gage pressure
Vacuum pressure
环境压力与大气压力
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
环境压力 Environmental pressure
大气 压力 Atmospheric pressure
barometric
hbarometer
大气压力 Atmospheric pressure
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
Other Pressure
Measurement Devices
高精度测量,活塞压力计
piston manometer
工业或一般科研测量,压力传感器
Pressure transducers
Piezoelectric effect
§ 1-3 基本状态参数
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
2,温度 T ( Temperature )
Basic state properties
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
温度的热力学定义
热力学第零定律 （ R.W,Fowler in 1931）
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
The Zeroth Law of Thermodynamics
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 。
If two bodies are in thermal
equilibrium with a third body,they
are also in thermal equilibrium with
each other.
Temperature measurement
温度 计
物质 （ 水银，铂电阻 ）
特性 （ 体积膨胀，阻值 ）
基准点
刻度 Scale
温标 Temperature scale
Reference state
温标 Temperature scale
? 热力学温标（绝对温标） Kelvin scale
（ Britisher,L,Kelvin,1824-1907）
? 摄氏温标 Celsius scale (Swedish,A,
Celsius,1701-1744）
? 华氏温标 Fahrenheit scale (German,
G,Fahrenheit,1686-1736)
? 朗肯温标 Rankine scale (W,Rankine,
1820-1872)
常用温标之间的关系
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
盐水熔点
发烧
水沸点
559.67
温标的换算
O[ ] [ ] 2 7 3, 1 5T K t C??
O 5[ ] ( [ ] 32 )
9
t C t F??
[ ] [ ] 4 5 9, 6 7t F t R??
Temperature Measurement
Devices
日常,水银温度计, 酒精温度计，
thermometer
工业,热电偶 Thermocouple
热电阻 Resistance temperature detector
辐射温度计 Radiation thermometer
计量,铂电阻温度计 Platinum
§ 1-3 基本状态参数
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
3,比容 v ( specific volume )
Basic state properties
[m3/kg]V
v
m
?
工质聚集的疏密程度
物理上常用 密度 density ? [kg/m3]
1
v
?
?
§ 1-4 平衡状态 Equilibrium state
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。
A system in equilibrium experiences
no changes when it is isolated from it
surroundings.
Many types of Equilibrium
1、热平衡 Thermal equilibrium,
if the temperature is the same
throughout the entire
温差 Temperature differential
热不平衡势 Unbalanced potentials
Many types of Equilibrium
2,力平衡 Mechanical equilibrium,
if there is no change in pressure at
any point of the system with time
The variation of pressure as a result of
gravity in most thermodynamic system is
relatively small and usually disregarded
压差 Pressure differential
力不平衡势 Unbalanced potentials
Many types of Equilibrium
3、相平衡 Phase equilibrium,
when the mass of each phase
reaches an equilibrium level and stays
there
4、化学平衡 Chemical equilibrium,
if its chemical composition does
not change with time,That is,no
chemical reactions occur.
§ 1-4 平衡状态 Equilibrium state
温差 — 热不平衡势
压差 — 力不平衡势
相变 — 相不平衡势
化学反应 — 化学不平衡势
平衡的 本质,不存在不平衡势
In an equilibrium state there are no
unbalanced potentials
平衡 Equilibrium与稳定 Steady
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 Equilibrium与均匀 Even
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
§ 1-5 状态方程、坐标图
平衡状态 可用 一组 状态参数描述其状态
状态公理：对组元一定的 闭口系,
独立状态参数个数 N=n+1
想确切描述某个热力系，是
否需要所有状态参数？
状态公理 State postulate闭口系：
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
不平衡势差 状态变化 能量传递
消除一种 达到某一 消除一种能量
不平衡势差 方面平衡 传递方式
简单可压缩系统的独立变量数
简单可压缩系统,N = n + 1 =
绝热简单可压缩系统 ? N =?
2
只交换 热量 和 一种 准静态的 容积变化功
The state of a simple compressible
system is completely specified by two
independent properties
状态方程 Equation of state
简单可压缩系统,N = 2
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？？？
取决于工质的性质
The Ideal-Gas Equation of State
座标图 diagram
简单可压缩系统 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
2
1
§ 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
quasi-static,or quasi-equilibrium
一般过程 Process
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 Quasi-static process
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
准静态过程有实际意义吗？
既是平衡，又是变化
既可以用状态参数描述, 又可进行热功转换
疑问,理论上 准静态 应无限
缓慢,工程上 怎样处理？
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
Relaxation time
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 mkg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
Moving Boundary Work
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 indicator (p-V) diagramp
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
.
2） p-V 图上用 面积 表示
3） 功的大小与路径有关，
过程量 Path function
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
1） 单位为 [kJ] 或 [kJ/kg]W
w
摩擦损失 Friction Loss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 Friction Loss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 reversible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 。
A process that can reversed
without leaving any trace on the
surroundings,That is,both the
system and the surroundings are
returned to their initial states at
the end of the reverse process.
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
irreversibility
Dissipative effect
Heat transfer
常见的不可逆过程
不等温传热
T1
T2
T1>T2Q
节流过程
(阀门）
p1 p2
p1>p2
Frequently encountered irreversibilities
Throttler
常见的不可逆过程
混合过程
?
?
?
?
? ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
? ★
★
★★
★
★
★
★★★
★
★
★★
自由膨胀
真空
?
?
?
?
? ?
?
?
?
?
?
?
Frequently encountered irreversibilities
Unrestrained expansion Mixing process
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 ?常见
90 ℃
0 ℃例：
内可逆
外不可逆
Totally reversible
Internally reversible
外部可逆，内部不可逆
Externally reversible
§ 1-7 功 量 Work
1,力学 定义, 力 ? 在力方向上的 位移
2,热力学 定义 I
热力学 定义 II
功的热力学定义 II
Work is an energy interaction
between a system and its surroundings,
if the energy crossing the boundary of a
closed system is not heat,it must be
work.
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 Heat and Entropy
Heat is defined as the form of energy
that is transferred between two
systems (or its surroundings) by
virtue of a temperature difference.
热量 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
r e 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
3,熵 的物理意义,熵 体现了 可逆过程
传热的 大小 与 方向
2,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 Cycle
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 。
A system is said to have undergone
a cycle if it returns to its initial state
at the end of the process
循环和过程 Cycle and process
p
v
1
2 3 T
s
1
2
3
4
4
循环由过程构成
不可逆循环
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
顺时针方向
2
1
1
2
动力循环 Power cycle
逆循环
p
V
T
S
净效应,对内作功 净效应,放热
逆时针方向
2
1
1
2
制冷循环
Refrigeration cycle
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
制热循环：制热系数
第一章 小 结 Summary
基本概念：
? 热力系
? 平衡态
? 准静态、可逆
? 过程量、状态量、状态参数
? 功量、热量、熵
? p-V图,T-S图
? 循环、评价指标
第一章 讨论课 Discussion
? 热力系
种类,闭口系、开口系、绝热系、
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)以气缸活塞为系统
开口系
功量,W + W’’
热量,Q + Q’’
W’’Q’’
WQ
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 useful work
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 pd 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腔 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 pd V? ?
第一章 完
End of Chapter one
