本节讨论如何描述系统内部的状况

重点内容：状态、状态参数及基本状态参数。

热力设备中实现能量传递与转换，工质本身状况必须不断地发生变化。因而必须描述和研究工质的各种宏观状况所发生的变化。

一、状态及状态参数

１、状态(State)

热力学中将系统中的工质在某一瞬间呈现的各种宏观物理状况的总和称为工质(或系统)的热力状态或简称为状态。

２、状态参数( Property)

描述各种宏观物理状况即工质状态的物理量，称为状态参数。

二、基本状态参数

㈠温度(Temperature)

1、温度的引出

热力学第零定律(热平衡定律)：

与第三个系统处于热平衡的两个系统，彼此也处于热平衡，见图1-4。

图1-4热力学第零定律示意图

处于热平衡的两个系统必然具有一个数值上相等的热力学参数来描述这一平衡特性，此即温度。温度是决定一系统是否可与其它系统处于热平衡的物理量。它的特征是，一切处于热平衡的系统都具有相同的温度。

2、实质

宏观上温度表示物体的冷热程度，微观(分子运动)上，则是物质内部大量分子热运动的强烈程度。

3、温标

热力学第零定律除了为建立温度概念提供实验基础外，它也是进行温度测量和建立经验温度标尺的理论基础。物体的温度用温度计测量。在温度测量中，温度计作为第零定律中所说的第三个系统。如果将它加以刻度，并与任意热力系接触而达到热平衡，则该系统的温度即可测出。

当温度计与任何被测系统接触时，如果二者不处于热平衡，则将引起温度计中测温物质的状态变化，直至二者达到热平衡时为止。这样，我们可利用测温物质在两系统相互作用中所引起的某种特性的变化，将被测系统的温度显示出来。

温度测量常利用物质的下述特性：

(1)温度变化时固体、液体、气体的容积变化；

(2)定体积下气体压力随温度的变化；

(3)固体温度变化时的电阻变化；

(4)两种不同材料的导线在接触点温度不等时产生的热电势；

(5)辐射强度随温度的变化(用于高温测量)；

(6)磁效应(用于极低温度测量)；等等。

温度的数值表示法称为温标。温标的三要素：选定一种测温物质的性质；选基准点；分度法一般温标的基准点和分度方法的选择是人为的。

国际单位制采用热力学温标作为基本温标，用这种温标确定的温度称为热力学温度，以符号T表示，单位为K(开)。热力学温标不依赖于测温物质的性质，取水的三相点(纯水的固、液、汽三相平衡共存的状态点)为基准点，并定义其温度为273.16 K。因此，1 K等于水的三相点热力学温度的1/273.16。

常用温标的种类、基准点、分度方法见图1-5，

图1-5 常用温标的种类、基准点及分度方法

各种温标间的关系如下。

⑴摄氏温度与绝对温度：t/℃ = T/Ｋ-273.15

⑵摄氏温度与华氏温度：t/℃ =5/9(t/0F –32)

⑶朗肯温度与华氏温度：T/0R =t/0F +459.67

⑷朗肯温度与绝对温度：T/0R =9/5T/K

㈡压力(pressure)

宏观上，压力(或压强)为单位面积上所受到的垂直作用力称为。微观上根据分子运动论，气体的压力是气体分子运动撞击表面而在单位面积上所呈现的垂直于壁面的平均作用力。

1、压力的单位及换算:

帕(Pa ≡N/m2)；巴(bar)；兆帕(MPa)；千帕(kPa)

物理大气压(atm)；工程压力(at≡kgf/cｍ2)；毫米汞柱(mmHg)；毫米水柱(mmH2O≡kgf/m2)。

1MPa=10bar=103kPa =105Pa；

1atm=760mmHg=101325Pa=10332.3mmH2O=1.03323at

2、压力的测量

测压仪表本身常处于大气压力的作用下，表上所指示的压力并非被测系统的真实压力，而是系统压力与当时当地大气压力的差值，即待测系统中工质的压力的大小与仪表读数和大气压力密切相关。

⑴绝对压力与相对压力

以Ｕ形管压力计为例，见图1-6。

p＝Ｂ－Ｈ，p＜B(负压)；p＝Ｂ＋pg，p＞B(正压)

图1-6绝对压力与相对压力

其中：p为绝对压力；B为大气压力；压力计的读数称为相对压力；pg为表压力；H为真空度。

⑵注意

作为状态参数只能是工质的绝对压力。

㈢比容与密度(Specific Volume or Density)

1、实质

宏观上为单位质量工质占有的体积。从微观意义上讲，对一定气体而言，密度、比体积均为描绘分子聚集疏密程度的物理量。

2、单位

比容ｖm3/kg；密度ρkg/m3；

比体积和密度都是说明工质在某一状态下分子疏密程度的物理量，二者互不独立，通常以比体积作为状态参数。总容积V、总质量m为具有可加性的尺度量，但ｖ、ρ则为强度量而不具有可加性。

三、状态参数的性质

1、状态参数性质

数学上它是点函数，其积分特性具有：，。

图1-7状态参数性质

说明：

⑴状态参数值只取决于系统的状态；

⑵工质状态变化，状态参数值也变化，但两个不同状态参数的数值之差，与状态变化的途径无关。

2、强度参数和广延参数

⑴强度参数：如温度Ｔ和压力p

①单元体的数值与整体的数值相等，无可加性；

②当系统与外界强度参数不相等时，系统和外界必发生相互作用；

⑵广延参数：

质量m、容积V、热力学能U、焓H、熵S

①整体的数值是单元体数值的求和，具备可加性；

②属于位移参数，表征系统的容量和范围大小。

注意：

还有一些强度参数是由广延参数转化得出的，为比参数。广延参数对质量(或体积)的微商不具可加性，具有强度参数的性质。例如尺度量V对m的微商v即是如此。ν称为系统的比体积。比体积v可视为强度量。其他如：

比容，比热力学能，比焓，比熵

⑵上面讲到的一些状态参数，是由系统本身的内部热力状态决定的，称为热力状态参数，或者叫做内参数。此外，还有一些参数，它们与热力系的内部状态无关，而需借助外部参考系来决定，例如热力系作为一个整体的运动速度，热力系整体的重力位能，等等。它们描述热力系的力学状态，称为力学状态参数，或者叫做外参数。

讨论：

1-4.状态参数是宏观物理参数，是否意味着一个气体分子或几个分子不能用状态参数描述？

答：是的，我们不能说一个分子的温度、压力等，状态参数必须是大量粒子(如气体分子)的宏观统计平均效应。事实上，工程上遇到的系统常常是由大量分子组成的，即使是在每立方米体积中只有0.001克的气体，也足以满足定义状态参数所需的条件。

1-5. 容器被分隔成1、2两室，如图1-8所示，已知当大气压pb＝0.1013 MPa，气压表D读为0.04 MPa,气压表C的读数0.294MPa，求气压表A的读数(用MPa表示)。

图1-8讨论题1-5题图