6.1.1热力学的物系

　　热力学体系---和周围环境的其它物体划开的一个任意形态的物质体系.这个物系的尺寸必须是宏观的,其与外界的关系是：

　　（一）既无物质交换又无能量交往的,称为隔绝体系；

　　（二）无物质交换,但有能量交换的,称为封闭体系；

　　（三）有物质交换,也有能量交换的,称为开放体系.

　　高速流中遇到的情况,绝大多数属于隔绝体系和封闭体系.经典热力学所处理的都是处于平衡状态下的物系.

　　6.1.2热力学一定律：状态方程、完全气体假设、内能和焓

　　1、状态方程与完全气体假设

　　热力学指出：任何气体的压强、密度、绝对温度不是独立的,三者之间存在一定的关系.函数称为状态方程.该方程的具体表达形式与介质种类、温度、压强的不同有关.

　　2、内能、焓

　　气体内能是指分子微观热运动（与温度有关）所包含的动能与分子之间存在作用力而形成分子相互作用的内部位能之和.对于完全气体而言,分子之间无作用力,单位质量气体的内能u仅仅是温度的函数.

　　在热力学中,常常引入另外一个代表热含量的参数h（焓）：

　　由于表示单位质量流体所具有的压能,故焓h表示单位质量流体所具有的内能和压能之和.

　　3、热力学第一定律

　　热力学第一定律是能量守恒定律在热力学上的具体应用.其物理意义是：外界传给一个封闭物质系统的热量等于该封闭系统内能的增量与系统对外界所做机械功之和.对于一个微小变化过程,有

　　这是静止物系的热力学第一定律.其中,dV表示物系的体积变量,p表示物系的压强.如果用物系的质量去除上式,就变成单位质量的能量方程.

　　单位质量流体的能量方程：

　　其中,密度的倒数是单位质量的体积.表示外界传给单位质量流体的热量dq等于单位质量流体内能的增量与压强所做的单位质量流体的膨胀功.

　　一个物系的压强、密度、温度都是点的函数,彼此之间存在一定的函数关系,但和变化过程无关,代表一个热力学状态.p,T,r,u,h代表热力学状态参数,两个热力学参数可以确定一个热力状态,如果取自变量为T,r,则其它状态变量关系为：

　　对于焓的微分量是：

　　表示气体焓的增量等于内能增量、气体膨胀功与压强差所做的功之和.

　　对于一个流动物质系统而言,其能量方程变为：

　　与静止物系的能量方程相比,流动物系的能量方程多了两项,其中一项是是流体质点在流动过程中所特有的一份功,表示流体微团在体积不变的情况下,由于压强变化引起的功（流体质点克服压差所做的功）；另一项是流体微团的宏观动能变化量.即：

　　如果把流动物系的能量方程用焓表示,有：

　　式中,dq是外热；具体的来源可以是通过传导进来的热、热辐射,也可以通过是燃烧之类的化学变化所产生的热.

　　4、热力学过程

　　（1）可逆与不可逆过程

　　在热力学中,如果将变化过程一步一步倒回去,物系的一切热力学参数都回到初始状态,且外界状态也都复旧,这样的过程则是可逆过程,否则是不可逆过程.（如高温向低温传热,机械功通过摩擦生热都是不可逆过程）可逆过程也称为准静态过程,或连续的平衡态过程.

　　（2）绝热过程

　　与外界完全没有热量交换,即dq=0,称为绝热过程.

　　（3）等容过程、等压过程、等温过程、绝热过程

　　在热力学中,内能u是状态的函数,而q不是状态函数.因为其中的压力膨胀功不仅决定于过程的起点和终点,与变化过程有关.在p-1/r图上,整个变化过程做功可表示为

　　由1点到2点不同的曲线代表不同的热力学过程,这些不同的过程膨胀功是不同的.

　　1）等容过程如果在变化过程中,单位质量气体的容积保持不变,这样的过程称为等容过程.此时气体的膨胀功为零.外界加入的热量全部用来增加介质的内能,即：

　　比热定义：单位质量介质温度每升高一度所需要的热量.

　　比热（比热容）数值的大小与具体热力学过程有关.在等容过程中,比热称为等容比热,用Cv表示.由此得到：

　　2）等压过程如果在变化过程中,气体的压强保持不变,这样的过程称为等压过程.此时气体的膨胀功不等于零.外界加入的热量一部分用来增加介质的内能,另一部分用于气体的膨胀功.在等压过程中,单位质量介质的温度每升高一度,所需要的热量,称为定压比热,用Cp表示：

　　定压比热与定容比热的比值,称为气体的比热比.即：

　　在空气动力学中,在温度小于300C,压强不高的情况下,一般Cp,Cv,g等于常数.

　　对于水

　　由于：

　　由完全气体状态方程,可得：

　　3）等温过程在变化过程中,气体的温度保持不变,这样的过程称为等温过程.在等温过程中,内能不变,热量与膨胀功相等.单位质量气体所做的功为

　　4）绝热过程在热力学变化过程中,与外界完全没有热量交换.由能量方程得到：

　　在由理想气体的状态方程,有：

　　这就是在绝热过程中,压强与密度的关系.在绝热过程中,单位质量气体所做的功为：

　　内能的变化为：

　　例：有1.5kg的空气由1个大气压、21C度的起点,经绝热压缩后,压强达到4.08大气压.求：

　　（1）起点气体的体积；

　　（2）终点气体的体积；

　　（3）终点温度；

　　（4）外界对介质所做的功；

　　（5）加入的热量；

　　（6）内能的变化.

　　1）起点的体积：

　　2）终点气体的体积：

　　3）终点温度

　　4）外界对介质所做的功

　　5）加入的热量；Q=0

　　6）内能的变化

　　绝热压缩过程,外界对气体所做的功全部变成气体的内能.

　　6.1.3热力学第二定律,熵

　　对于绝热过程,正的功和内能的减小量相等.就热力学第一定律而言,所有类型的能量都是同等有效的,由此建立了能量平衡关系.但实际上,不同类能量彼此是有区别的,功是力乘距离,表示系统之间的相互作用；而内能是状态的函数,状态的变化由功来确定；而热又是功和内能来确定.

　　在热力学第一定律中,并没有提及热功的不等价性.实际上,不同类能量的转化是有方向性,并不能可逆转换.比如：

　　1）热总是从高温物体流向低温物体,反向不成立；

　　2）两种气体混合后不会自发分离出来；

　　3）摩擦机械功可以转化成热,但热不能100%转化成功；