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thefirstandsecond

lawsofthermodynamicsarethemostwidelyused.

在热力学中，我们将推导有关能量转化和传递与物性参数，如温度、压强及密度等关系间的方程。

因此，在热力学中，物质及其性质变得非常重要。

许多热力学方程都是建立在实验观察的基础之上，而且这些实验观察的结果已被整理成数学表达式或定律的形式。

其中，热力学第一定律和第二定律应用最为广泛。

1.1.1Thermodynamicsystemandcontrolvolume热力系统和控制体

Athermodynamicsystemisafixedquantityofmattercontainedwithinsomeenclosure.Thesurfaceisusuallyanobviousone（likethatsurroundingthegasinthecylinder）.However,itmaybe

animaginedboundary（likethedeformingboundaryofacertainamountofmassasitflowsthrough

apump）.

气体的固定边界）。

然而，系统边界也可以是假想的（如一定质量的流体流经泵时不断变形的边界）。

Allmatterandspaceexternaltoasystemiscollectivelycalleditssurroundings.Thermodynamicsisconcernedwiththeinteractionsofasystemanditssurroundings,oronesysteminteractingwithanother.Asysteminteractswithitssurroundingsbytransferringenergyacrossitsboundary.No

materialcrossestheboundaryofasystem.Ifthesystemdoesnotexchangeenergywiththesurroundings，itisanisolatedsystem.

系统之外的所有物质和空间统称外界或环境。

热力学主要研究系统与外界或系统与系统之间的相互作

用。

系统通过在边界上进行能量传递，从而与外界进行相互作用，但在边界上没有质量交换。

当系统与外界间没有能量交换时，这样的系统称为孤立系统。

Inmanycases,ananalysisissimplifiedifattentionisfocusedonaparticularvolumeinspaceintowhich,orfromwhich,asubstanceflows.Suchavolumeisacontrolvolume.Apump,aturbine,andaninflatingordeflatingballoonareexamplesofcontrolvolumes.Thesurfacethatcompletelysurroundsthecontrolvolumeiscalledacontrolsurface.

在许多情况下，当我们只关心空间中有物质流进或流出的某个特定体积时，分析可以

得到简化。

这样的特定体积称为控制体。

例如泵、透平、充气或放气的气球都是控制体的例子。

包含控制体的表面称为控制表面。

Thus,wemustchoose,inaparticularproblem,whetherasystemistobeconsideredorwhetheracontrolvolumeismoreuseful.Ifthereismassfluxacrossaboundary,thenacontrolvolumeisrequired;

otherwise,asystemisidentified.

因此，对于具体的问题，我们必须确定是选取系统作为研究对象有利还是选取控制体作为研究对象有

利。

如果边界上有质量交换，则选取控制体有利；

反之，则应选取系统作为研究对象。

1.1.2Equilibrium,processandcycle

Whenthetemperatureofasystemisreferredto,itisassumedthatallpointsofthesystemhavethesame,oressentiallythesame,temperature.Whenthepropertiesareconstantfrompointto

pointandwhenthereisnotendencyforchangewithtime,aconditionofthermodynamicequilibriumexists.Ifthetemperature,say,issuddenlyincreasedatsomepartofthesystemboundary,spontaneousredistributionisassumedtooccuruntilallpartsofthesystemareatthe

sametemperature.

对于某一参考系统，假设系统内各点温度完全相同。

当物质内部各点的特性参数均相同且不随时间变化时，则称系统处于热力学平衡状态。

当系统边界某部分的温度突然上升时，则系统内的温度将自发地重新分布，直至处处相同。

Whenasystemchangesfromoneequilibriumstatetoanother,thepathofsuccessivestatesthroughwhichthesystempassesiscalledaprocess.If,inthepassingfromonestatetothenext,

thedeviationfromequilibriumisinfinitesimal,aquasi-equilibriumprocessoccurs,andeachstateintheprocessmaybeidealizedasanequilibriumstate.Quasi-equilibriumprocessescanapproximatemanyprocesses,suchasthecompressionandexpansionofgasesinaninternalcombustionengine,withnosignificantlossofaccuracy.Ifthesystemgoesfromoneequilibrium

statetoanotherthroughaseriesofnonequilibriumstates（asincombustion）,anonequilibriumprocessoccurs.

当系统从一个平衡状态转变为另一个平衡状态时，系统所经历的一系列由中间状态组成的变化历程称

为过程。

若从一个状态到达另一个状态的过程中，始终无限小地偏离平衡态，则称该过程为准静态过程，可以把其中任一个中间状态看作为平衡状态。

准静态过程可近似视为许多过程的叠加结果，而不会显著减小其精确性，例如气体在内燃机内的压缩和膨胀过程。

如果系统经历一系列不平衡状态（如燃烧），从一个平衡状态转变为另一个平衡状态，则其过程为非平衡过程。

thesystemgoesacycle.Attheendofthecycle,thepropertiesofthesystemhavethesamevaluestheyhadatthebeginning.

当系统从一个给定的初始状态出发，经历一系列中间过程又回到其初始状态，则称系统经历了一个循

环。

循环结束时，系统中的各参数又与初始参数相同。

Theprefixiso-isattachedtothenameofanypropertythatremainsunchangedinaprocess.Anisothermalprocessisoneinwhichthetemperatureisheldconstant;

inaniso-baricprocess,thepressureremainsconstant;

anisometricprocessisaconstant-volumeprocess.

在任一特性参数名称前加上前缀iso-，表示该参数在整个过程保持不变。

等温（isothermal）过程中

温度保持不变；

等压（isobaric）过程中压强恒定；

等容（isometric）过程中体积保持不变。

1.1.3Vapor-liquidphaseequilibriuminpuresubstance

纯物质的气-液相平衡

Considerasasystem1kgofwatercontainedinthepiston/cylinderarrangementshowninFig.

1-1（a）.Supposethatthepistonandweightmaintainapressureof0.1MPainthecylinderandthat

theinitialtemperatureis20℃.Asheatistransferredtothewater,thetemperatureincreasesappreciably,thespecificvolumeincreasesslightly,andthepressureremainsconstant.Whenthetemperaturereaches99.6℃,additionalheattransferresultsinachangeofphase,asindicatedinFig.1-1（b）.Thatis,someoftheliquidbecomesvapor,andduringthisprocessboththe

temperatureandpressureremainconstant,butthespecificvolumeincreasesconsiderably.When

thelastdropofliquidhasvaporized,furthertransferofheatresultsinanincreaseinbothtemperatureandspecificvolumeofthevapor,asshowninfig.1-1（c）.

如图1-1（a）所示，由活塞和气缸组成的装置中装有1kg水。

假定活塞和其上的重物使气缸内压强维持

在0.1Mpa，初始温度20℃。

当有热量开始传递给水时，缸内水温迅速上升，而比容略有增加，气缸

也就是说，一部分水开始气化变为蒸汽，在此相变过程中，温度和压强始终保持不变，但比容却有大

幅度的增加。

当最后一滴液体被气化时，进一步的加热将使蒸汽温度和比容均有所增加，如同1-1（c）

所示。

图1-1液体在常压下的蒸发过程

Thetermsaturationtemperaturedesignatesthetemperatureatwhichvaporizationtakesplaceatagivenpressure.Thispressureiscalledthesaturationpressureforthegiventemperature.Thus,for

waterat99.6℃thesaturationpressureis0.1MPa,andforwaterat0.1MPathesaturation

temperatureis99.6℃.

在给定压强下发生气化的温度称为饱和温度，压强称为给定温度下的饱和压强。

因此，99.6℃水的饱和压强是0.1MPa，0.1MPa水的饱和温度为99.6℃。

Ifasubstanceexistsasliquidatthesaturationtemperatureandpressure,itiscalledsaturatedliquid.Ifthetemperatureoftheliquidislowerthanthesaturationtemperaturefortheexistingpressure,itiscalledeitherasubcooledliquid（implyingthatthetemperatureislowerthanthesaturationtemperatureforthegivenpressure）oracompressedliquid（implyingthatthepressureisgreaterthanthesaturationpressureforthegiventemperature）.

如果某一工质为液态并处于其饱和温度和饱和压强下，则称该液体为饱和液体。

如果液体温度低于当

前压强下的饱和温度，则称该液体为过冷液体（表明液体的当前温度低于给定压强下的饱和温度）或压缩液体（表明液体的当前压强大于给定温度下的饱和压强）。

Whenasubstanceexistsaspartliquidandpartvaporatthesaturationtemperature,itsqualityisdefinedastheratioofthemassofvaportothetotalmass.Thus,inFig.1-1（b）,ifthemassofthevaporis0.2kgandthemassoftheliquidis0.8kg,thequalityis0.2or20%.Qualityhasmeaning

onlywhenthesubstanceisinasaturatedstate.

1-1（b）所示，若蒸汽质量为0.2kg，液体质量为0.8kg，则其干度为0.2或20%。

干度只有在饱和状态下才有意义。

Ifasubstanceexistsasvaporatthesaturationtemperature,itiscalledsaturatedvapor.（Sometimesthetermdrysaturatedvaporisusedtoemphasizethatthequalityis100%）.Whenthe

vaporisatatemperaturegreaterthanthesaturationtemperature,itissaidtoexistassuperheatedvapor.Thepressureandtemperatureofsuperheatedvaporareindependentproperties,sincethetemperaturemayincreasewhilethepressureremainsconstant.

若某一工质处于饱和温度下并以蒸汽形态存在，则称该蒸汽为饱和蒸汽（有时称为干饱和蒸汽，意在

强调其干度为100%）。

当蒸汽温度高于其饱和温度时，则称之为过热蒸汽。

过热蒸汽的压强和温度是彼此独立的，因为温度上升时，压强可能保持不变。

Letusplotonthetemperature-volumediagramofFig.1-2theconstant-pressurelinethatrepresentsthestatesthroughwhichthewaterpassesasitisheatedfromtheinitialstateof0.1MPa

and20℃.LetstateArepresenttheinitialstate,Bthesaturated-liquidstate（99.6℃）,andlineAB

theprocessinwhichtheliquidisheatedfromtheinitialtemperaturetothesaturationtemperature.PointCisthesaturated-vaporstate,andlineBCistheconstant-temperatureprocessinwhichthechangeofphasefromliquidtovaporoccurs.LineCDrepresentsinwhichthesteamissuperheatedatconstantpressure.Temperatureandvolumebothincreaseduringthisprocess.

在图1-2所示的温度-比容图上作等压线，表示水由初压0.1MPa、初温20℃被加热的过程。

点A代

表初始状态，点B为饱和液态（99.6℃），线AB表示液体由初始温度被加热至

饱和温度所经历的过程。

点C表示饱和蒸汽状态，线BC表示等温过程，即液体气化转变为蒸汽的过程。

线CD表示在等压条件下蒸汽被加热至过热的过程，在此过程中，温度和比容均增大。

图1-2温度-比容曲线

Inasimilarmanner,aconstantpressureof10MPaisrepresentedbylineIJKL,forwhichthesaturationtemperatureis311.1℃.Atapressureof22.09MPa,representedbylineMNO，wefind,

however,thatthereisnoconstant-temperaturevaporizationprocess.Instead，pointNisapointof

inflectionwithazeroslope.Thispointiscalledthecriticalpoint.Atthecriticalpointthesaturated-liquidandsaturated-vaporstatesareidentical.Thetemperature,pressure,andspecific

volumeatthecriticalpointarecalledthecriticaltemperature,criticalpressure,andcriticalvolume.Thecritical-pointdataforsomesubstancesaregiveninTable1-1.

类似地，线IJKL表示压强为10MPa下的等压线，相应的饱和温度为311.1℃。

但是，在压强为

22.09MPa条件下（线MNO），不存在等温蒸发过程。

相反，点N是个转折点，在该点上，切线斜率为零，通常把N点称为临界点。

在临界点处，饱和液体和饱和气体的状态都是相同的。

临界点下

的温度、压强和比容分别称为临界温度、临界压强和临界比容。

一些工质的临界点数据如表1-1所示。

1.1.4Thefirstlawofthermodynamics

Thefirstlawofthermodynamicsiscommonlycalledt