第二节热力学基本概念

1.热力系统、闭口系统、开口系统、绝热系统

气体在吸热、放热以及热能与机械能的转换过程中表现出来的性质，称为气体的热力学性 质。图2-2a是活塞对封闭的气缸腔内的气体进行压缩。为了研究气缸腔内气体的物理量变化， 用边界将腔室容积包围起来，并将边界内部包围着的所有工作介质作为研究对象，则此边界以内 的部分就称为热力系统，简称系统。边界以外与系统有联系的物质称为外界。如活塞及其所受的 外力F、外界空气及加入的热量等都属于外界。图2-2b所示为向气室充气（或放气）的情 况。取边界如图中虚线所示’边界1-1是假想的，其余边界都是真实存在的。

通常，系统与外界之间可能有质量交换和能量交换。按系统与外界之间有无质量交换， 可将系统分成闭口系统和开口系统。与外界之间无质量交换的系统，称为闭口系统（见图 2-2a)。闭口系统内部的质量是保持不变的。与外界之间有质量交换的系统，称为开口系 统（见图2-2b)。开口系统有物质穿过边界，系统内部的质量可以变化，也可以不变化。 对这种系统，边界所限定的某确定的空间体积称为控制体，其边界称为控制面，并将占有此 控制体的工作介质作为研究对象。

与外界没有热交换的系统，称为绝热系统。自然界不存在完全绝热的材料，只是当系统 与外界传递的热量小到可以忽略不计时，就可假设该系统为绝热系统，以使研究得到简化。

2.状态参数、热力过程、准平衡过程

热力系统在某瞬时呈现的宏观物理状态称为热力状态。它反映着系统内大量气体分子热 运动的平均特性。我们把描述系统所处状态的一些宏观物理量称为状态参数，如压力、温度、质量体积等。

在没有外界影响的条件下，系统各部分的状态参数长时间内不发生变化的状态，称为平 衡状态。平衡状态是指系统的宏观性质不随时间变化，从微观看，平衡状态下系统内的分子 仍在作永不停息的热运动，只不过这种分子热运动的平均效果不随时间变化。若系统与外界 发生能量交换，系统的状态就会发生变化。系统从一个状态连续地变化到另一个状态，它所 经历的全部过程称为热力过程。严格讲，任何实际的热力过程都是不平衡过程。因为当系统 与外界发生能量交换时，原有的平衡状态被破坏，需要经过一段时间才能达到新的平衡状 态，但在未达到新的平衡状态之前，系统与外界又发生了新的能量交换，故热力过程中，系 统经历了一系列不平衡状态。由于系统工质的宏观运动速度一般都不大，如气动系统的控制 元件和执行元件的机械运动速度，一般不超过lOm/s,而空气压力波的传播速度每秒达几百 米，分子热运动的平均速度每秒也达几百米以上。因此可以假设，由于外界条件的变化，系 统内的气体能够极快地建立一系列的新的平衡状态，把气动系统的这种热力过程称为准平衡 过程，即过程中的每一个中间状态都可看成是平衡状态，有确定的状态参数。这样，准平衡 过程就可用随时间连续变化的状态参数来描述。

3.完全气体及其状态方程

系统与外界只有热功交换的简单系统，在平衡状态下，三个基本状态参数：绝对压力 P、质量体积v和热力学温度T之间的函数关系，称为气体的状态方程，可表示成程计算，带来的误差不会太大。对封闭容器中的气体和流动中的气体，气体状态方程都可使用。对流动中的气体’ P、P 和T是同一流体质点处于不同位置时的三个基本状态参数。

利用气体状态方程，可将有压状态下的气体体积折算成标准状态下的气体体积。设标准 状态下气体的压力为Pa,温度为Ta，体积为Va,将该状态下一定质量的气体压缩成压力为 P、温度为T的有压状态，则有压状态下气体的体积