高等工程熱力學(xué) 電子教案 能源 為人類提供能量和動(dòng)力的物質(zhì)資源 常見(jiàn)能源有 化石能 水力能 太陽(yáng)能 風(fēng)能 地?zé)崮?海洋能 核能等絕大多數(shù)能源都是以熱能的形式為人類服務(wù) 但我們需要的卻主要是動(dòng)力 人類利用熱能目前主要有兩種形式 1 熱能的直接利用 能的形式不發(fā)生變化 如 取暖 烘烤 冶煉 蒸煮等 2 熱能的間接利用 能的形式發(fā)生變化 轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 電能等 如 熱力發(fā)電廠 內(nèi)燃機(jī)等 主要用于交通運(yùn)輸 機(jī)械制造等 熱能利用的歷史就是一部人類的發(fā)展史 概述 0 1工程熱力學(xué)的研究對(duì)象及其特點(diǎn)熱物理學(xué) 簡(jiǎn)稱熱學(xué) 研究有關(guān)物質(zhì)的熱運(yùn)動(dòng)以及與熱相聯(lián)系的各種規(guī)律的科學(xué) 它滲透到自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域 工程熱科學(xué)熱物理學(xué)在工程領(lǐng)域的分支和應(yīng)用 工程熱科學(xué)涉及的內(nèi)容很多 主要有工程熱力學(xué) 傳熱學(xué) 物質(zhì)的熱物理性質(zhì)以及這些性質(zhì)在工程領(lǐng)域和新技術(shù)方面的應(yīng)用等等 概述 熱力學(xué)研究方法經(jīng)典熱力學(xué)方法 宏觀描述方法統(tǒng)計(jì)物理學(xué)方法 微觀描述方法分別從不同角度去研究問(wèn)題 它們自成獨(dú)立體系 相互間又存在密切的聯(lián)系 相互補(bǔ)充 宏觀描述方法與微觀描述方法的緊密結(jié)合 使熱力學(xué)成為聯(lián)系微觀世界與宏觀世界的一座橋梁 概述 熱力學(xué)從對(duì)熱現(xiàn)象的大量的直接觀察和實(shí)驗(yàn)測(cè)量所總結(jié)出來(lái)的普適的基本定律出發(fā) 應(yīng)用數(shù)學(xué)方法 通過(guò)邏輯推理及演繹 得出有關(guān)物質(zhì)各種宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系 宏觀物理過(guò)程進(jìn)行的方向和限度等結(jié)論 任何宏觀的物質(zhì)系統(tǒng)包括化學(xué)的 生物的系統(tǒng) 只要與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān) 總應(yīng)遵循熱力學(xué)規(guī)律 熱力學(xué)基本定律是自然界中的普適規(guī)律 只要在數(shù)學(xué)推理過(guò)程中不加上其他假設(shè) 這些結(jié)論也具有同樣的可靠性與普遍性 概述 經(jīng)典熱力學(xué)具有普遍內(nèi)容的唯一的物理理論 是具有普遍性的一門科學(xué) 可應(yīng)用于任何的宏觀的物質(zhì)系統(tǒng) 局限性 第一 它只適用于粒子數(shù)很多的宏觀系統(tǒng) 第二 它主要研究物質(zhì)在平衡態(tài)下的性質(zhì) 其三 它把物質(zhì)看為連續(xù)體 不考慮物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu) 它只能說(shuō)明應(yīng)該有怎樣的關(guān)系 而不能解釋為什么有這種基本關(guān)系 概述 統(tǒng)計(jì)物理學(xué)熱力學(xué)的微觀描述方法從物質(zhì)由數(shù)量巨大的分子 原子組成的前提出發(fā) 運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法 把宏觀性質(zhì)看作微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均值 由此找出微觀量與宏觀量之間的關(guān)系 彌補(bǔ)了熱力學(xué)方法的不足 使熱力學(xué)的理論具有更深刻的意義 局限性在于它需對(duì)研究的體系作出簡(jiǎn)化假設(shè) 微觀模型 使得所得到的理論結(jié)果常與實(shí)驗(yàn)不能完全符合 概述 工程熱力學(xué)熱力學(xué)在工程領(lǐng)域的分支 是研究能量 特別是熱能 的性質(zhì)及其轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)熱力學(xué)引用的概念常與能量及其轉(zhuǎn)換有關(guān) 能量和物質(zhì)不可分割 能量的轉(zhuǎn)換有賴于物質(zhì)狀態(tài)的改變 而且能量具有數(shù)量和質(zhì)量的雙重屬性 引入了與物質(zhì)有關(guān)的概念 如理想氣體 實(shí)際氣體和蒸汽等 與描寫狀態(tài)和過(guò)程有關(guān)的概念 如平衡態(tài) 可逆過(guò)程等 又有熵 熱能與機(jī)械能 熱量與功量等對(duì)應(yīng)的概念 圍繞工程應(yīng)用還引進(jìn)表征能量利用經(jīng)濟(jì)性的概念 如熱效率 火用效率等 熱力學(xué)中的概念有些是建立熱力學(xué)基本理論必不可少的 例如溫度 平衡態(tài) 可逆過(guò)程 能量 熵 熱量與功等 稱為基本概念 基本概念中 溫度是為研究熱現(xiàn)象引進(jìn)的物理量 平衡態(tài)與可逆過(guò)程是經(jīng)典熱力學(xué)的研究前提 因此這三個(gè)基本概念尤其重要 概述 傳熱學(xué)研究由于溫差而實(shí)現(xiàn)的熱量傳遞規(guī)律的科學(xué) 熱力學(xué)指出 凡是有溫差的地方 就有熱量自高溫物體傳向低溫物體 或從物體的高溫部分傳向低溫部分 由于自然界到處存在溫差 所以熱量傳遞是普遍的現(xiàn)象 由于熱量傳遞的推動(dòng)力是溫差 所以溫度分布對(duì)熱量傳遞有重大影響 采用數(shù)學(xué)的手段研究 分析熱量傳遞過(guò)程 一般要假定研究對(duì)象是連續(xù)體 由于熱科學(xué)研究對(duì)象由數(shù)量十分龐大的微觀粒子所組成 所以只要被研究對(duì)象的幾何尺度大于微觀粒子的平均自由程 連續(xù)體的假定即可成立 溫度等參數(shù)即可認(rèn)為是連續(xù)函數(shù) 第一章 熱能轉(zhuǎn)變的基本概念 1 熱力系 狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)1 1 熱力系與工質(zhì) 熱力系 人為地選取一定范圍的物質(zhì)作為研究對(duì)象 這個(gè)對(duì)象稱為熱力系統(tǒng) system 外界 熱力系以外的物質(zhì) 也稱為環(huán)境 邊界 熱力系與外界的交界面 界面 邊界可以是假設(shè)的 也可以是真實(shí)的 可以是固定的 也可以是運(yùn)動(dòng)的 閉口系 與外界沒(méi)有物質(zhì)交換的熱力系 但可以有能量交換 如加熱 開(kāi)口系 與外界有物質(zhì)或能量交換的熱力系 絕熱系 熱力系與外界無(wú)熱量交換 但有其它能量交換 如功 孤立系 熱力系與外界無(wú)任何能量和物質(zhì)交換 簡(jiǎn)單可壓縮系 由可壓縮的流體構(gòu)成 與外界只有容積變化功交換 熱源 冷源 能為熱力系提供無(wú)限熱能 冷量 而自身溫度不會(huì)發(fā)生變化 高溫?zé)嵩?低溫?zé)嵩?單元系 均相系 多元系 均勻系 非均勻系 復(fù)相系等 工質(zhì) 用來(lái)實(shí)現(xiàn)能量相互轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)稱為工質(zhì) 1 2熱力系的狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù) 熱力系的狀態(tài) 熱力系在某一瞬間呈現(xiàn)的宏觀物理狀況 平衡狀態(tài) 在沒(méi)有外界影響條件下 系統(tǒng)各部分長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生任何變化的狀態(tài) 狀態(tài)參數(shù) 用于描述系統(tǒng)平衡狀態(tài)的物理量 狀態(tài)參數(shù)可分為兩類 尺度量 廣延量 與系統(tǒng)所包含的物質(zhì)量有關(guān)的量稱為尺度量 強(qiáng)度量 與所含物質(zhì)量無(wú)關(guān) 熱力系中任一點(diǎn)都具有相同的數(shù) 1 3 基本狀態(tài)參數(shù) 常用的狀態(tài)參數(shù) 壓力p 比容v 溫度 內(nèi)能U 焓 熵 基本的熱力學(xué)參數(shù) 比容v 壓力p 溫度 比容比容是單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的容積 若m kg 物質(zhì)占有的容積為 m3 則比容為 密度是單位容積內(nèi)所含物質(zhì)的量 壓力p a 壓力是指單位面積上所承受的垂直作用力 p F A N m2 常用單位有 kPa Mpa mmHg atm 托通常用壓力表或真空表測(cè)量流體壓力 絕對(duì)壓力 p 物質(zhì)的真實(shí)壓力 大氣壓力 pb 大氣環(huán)境的真實(shí)壓力 表壓力 pg 壓力表上讀到的壓力 真空度 pv 真空計(jì)上的讀數(shù) 表壓力與真空度均是環(huán)境壓力與絕對(duì)壓力的差 所以當(dāng)p pb時(shí) p pg pb當(dāng)p pb時(shí) p pb pv 溫度 溫度是物體冷熱程度的標(biāo)志溫度概念的建立以熱力學(xué)第零定律為依據(jù) 第零定律 與 處于熱平衡 與 處于熱平衡 則 與 必然處于熱平衡 溫度是決定系統(tǒng)間是否處于熱平衡的物理量 溫度的意義 溫度的熱力學(xué)定義 決定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的宏觀性質(zhì) 處于熱平衡的各系統(tǒng)溫度相同 溫度的熱力學(xué)定義提供了溫度測(cè)量的依據(jù) 即被測(cè)物體與溫度計(jì)處于熱平衡時(shí) 就可以從溫度計(jì)的讀數(shù)確定被測(cè)物體的溫度值 溫度測(cè)量和溫度計(jì) 溫度計(jì)測(cè)溫原理 當(dāng)一個(gè)物體的溫度改變時(shí) 物體的其它性質(zhì)也將隨之發(fā)生變化 可根據(jù)這些變化性質(zhì)中的某些參數(shù)測(cè)量物體的溫度 指明溫度的數(shù)值 溫度與熱力學(xué)第零定律 溫標(biāo) 為了給溫度的測(cè)量賦予一定數(shù)值 必須科學(xué)地建立起一套規(guī)則 把不同的溫度指定不同的數(shù)值 這就是所謂的溫標(biāo) 華氏溫標(biāo) 鹽水混合物的冰點(diǎn)溫度為零度 人體溫度為96度 則冰點(diǎn)與蒸氣點(diǎn)分別為32度和212度 按照水銀溫度計(jì)的長(zhǎng)度等分 攝氏溫標(biāo) 將1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的冰點(diǎn)和蒸氣點(diǎn)之間的溫度等分為100度 并以冰點(diǎn)作為零點(diǎn) 溫度與熱力學(xué)第零定律 經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的問(wèn)題 什么叫做均分 使用不同的物質(zhì)作為測(cè)溫的工質(zhì)得到不同的結(jié)果 熱力學(xué)溫標(biāo) 從熱力學(xué)第二定律出發(fā)得到的絕對(duì)溫標(biāo) 與任何工質(zhì)無(wú)關(guān) 是一種理論溫標(biāo) 溫度與熱力學(xué)第零定律 熱力學(xué)溫標(biāo) 熱力學(xué)溫標(biāo)與其它溫標(biāo) 溫度與熱力學(xué)第零定律 熱力學(xué)溫標(biāo)只需要定義一個(gè)溫度的量值 其它溫度值就全部確定了 1854年 開(kāi)爾文提議將水的三相點(diǎn)溫度定義為273 16K 1954年第十屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式采納 利用某些氣體在低壓下 壓力或容積隨溫度的變化是確定溫標(biāo)的最佳選擇 理想氣體溫標(biāo)其定義與熱力學(xué)溫標(biāo)一致 是其一級(jí)近似 不過(guò)是一種經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo) 定容式溫度計(jì)的測(cè)量原理 溫度與熱力學(xué)第零定律 理想氣體溫標(biāo) 理想氣體溫標(biāo)應(yīng)用 溫度與熱力學(xué)第零定律 氣體A 理想氣體溫標(biāo)的氣體溫度計(jì)雖與采用的某種氣體種類無(wú)關(guān) 但溫度讀數(shù)必須校正到理想氣體狀態(tài)時(shí)讀數(shù) 這種測(cè)量和修正都是極為精確和繁復(fù)的工作 只有極少數(shù)實(shí)驗(yàn)室有此條件 因此 目前氣體溫度計(jì)僅作為一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì) 實(shí)用的二級(jí)溫度計(jì)采用國(guó)際實(shí)用溫標(biāo) 它所得出的溫度偏離熱力學(xué)溫標(biāo)極小 廣泛用于校核科研或工業(yè)用溫度計(jì) 溫度與熱力學(xué)第零定律 我們身邊的溫度 1 4平衡狀態(tài)1 4 1平衡狀態(tài)一個(gè)熱力系統(tǒng) 如果在不受外界影響的條件下 系統(tǒng)的狀態(tài)能夠始終保持不變 則系統(tǒng)的這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài) 平衡狀態(tài)是研究熱現(xiàn)象時(shí)為簡(jiǎn)化物體狀態(tài)隨時(shí)間變化的復(fù)雜性而引用的基本概念 熱力學(xué)中的平衡是指物系的宏觀狀態(tài)而言 由于組成物系的粒子總在永恒不息的運(yùn)動(dòng)中 其微觀狀態(tài) 是不能不變的 如平衡態(tài)物系的溫度不隨時(shí)間變化 是指分子的平均移動(dòng)動(dòng)能為恒值 平衡和均勻處于平衡狀態(tài)物系的狀態(tài)不隨時(shí)間改變 平衡和時(shí)間的概念聯(lián)系在一起 均勻則指物系內(nèi)部空間各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)均勻一致 均勻是相對(duì)空間而言的 不平衡系一般是不均勻系 但處于平衡態(tài)的物系未必一定是均勻的 處于重力場(chǎng)中的氣體或液體平衡時(shí)上部和下部的密度不同 不能稱為均勻系 但若所研究物系的高度有限 重力場(chǎng)對(duì)氣體密度的影響甚微 可以忽略不計(jì) 從而把處于平衡狀態(tài)的單相物系看作均勻系 汽液兩相平衡的物系 即使略去重力場(chǎng)的影響 兩相的密度相差甚大 此時(shí) 物系雖處于復(fù)相平衡狀態(tài) 但不能看作均勻系了 1 4 2局部平衡假設(shè)平衡狀態(tài)下 由于勢(shì)差消失 所以無(wú)論是熱量的傳遞還是其他能量的傳遞的速率均趨于零 為了描述實(shí)際有限勢(shì)差作用過(guò)程 常引用局部平衡假設(shè) 局部平衡假設(shè)是把處在不平衡狀態(tài)的體系 分割成許多小部分 這些宏觀上 小 的部分 在微觀上仍包含有大量的粒子 假設(shè)每小部分各自近似地處于平衡狀態(tài) 這樣 每一子體系 就可用狀態(tài)參數(shù)來(lái)描述 對(duì)于像熱力學(xué)能 熵等這樣的廣延參數(shù) 將各部分的數(shù)值相加 即可得整個(gè)體系的值 溫度和壓力這類強(qiáng)度參數(shù) 可以看作連續(xù)分布 形成所謂的 場(chǎng) 的概念 溫度場(chǎng)就是物體中溫度隨時(shí)間和空間坐標(biāo)的分布穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) 1 5平衡的判據(jù)熱平衡力平衡相平衡化學(xué)平衡 1 5 1平衡判據(jù)在沒(méi)有外界影響的條件下 一個(gè)系統(tǒng)是否平衡 完全由其本身的狀態(tài)確定 所以可以用系統(tǒng)的某種狀態(tài)函數(shù)作為平衡的判據(jù) 平衡判據(jù)應(yīng)隨系統(tǒng)的約束條件而異 在導(dǎo)出平衡判據(jù)時(shí)應(yīng)注意 系統(tǒng)可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或相變 一個(gè)總質(zhì)量恒定的化學(xué)系統(tǒng)在達(dá)到化學(xué)平衡前各組分的質(zhì)量并非恒量 因而系統(tǒng)的熱力學(xué)能 焓及體積等性質(zhì)也隨各組分質(zhì)量變化而變化 孤立系孤立系熵增原理孤立系自發(fā)變化的方向 dsiso 0 和實(shí)現(xiàn)平衡的條件 dsiso 0 約束條件 E 常數(shù) 對(duì)于只有體積變化功一種模式的功交換的簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)和外界沒(méi)有功交換 系統(tǒng)的體積不應(yīng)改變無(wú)熱交換 系統(tǒng)的熱力學(xué)能也不變 非孤立系統(tǒng)簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng) 與系統(tǒng)進(jìn)行熱量交換的外界熱源溫度 包括膨脹功在內(nèi)的系統(tǒng)對(duì)外作功的總和 若系統(tǒng)變化過(guò)程中溫度T為常數(shù) 考慮到系統(tǒng)與外熱源保持熱平衡 則二者溫度相等T Tr A 亥姆霍茲函數(shù) Helmholtzfunction V 常數(shù)定溫定容系統(tǒng)過(guò)程進(jìn)行的方向是dAT V 0 實(shí)現(xiàn)平衡的條件為dAT V 0 如約束條件為T 常數(shù)及p 常數(shù)定溫定壓系統(tǒng)可用自由焓變化指出過(guò)程的方向 dGT p 0 及平衡的條件 dGT p 0 自由焓 又稱吉布斯函數(shù) Gibbsfunction 一個(gè)由r種物質(zhì)組成的化學(xué)系統(tǒng) 它的自由焓函數(shù) 因化學(xué)不平衡而產(chǎn)生的G的變化 1 4 2穩(wěn)定平衡判據(jù)孤立系統(tǒng) 判別是平衡或是非平衡 用以確定平衡是否穩(wěn)定 難以觀察到的平衡態(tài) 不穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡穩(wěn)定與亞穩(wěn)定平衡純質(zhì)飽和狀態(tài)的飽和蒸汽和飽和液體屬穩(wěn)定平衡態(tài) 但是溫度高于飽和溫度的液體 過(guò)熱液 和低于飽和溫度的蒸汽 過(guò)冷蒸汽 只有在實(shí)驗(yàn)中方可觀察到 如有凝結(jié)核心形成 過(guò)冷蒸汽會(huì)迅速消失而成飽和液體 過(guò)熱液和過(guò)冷蒸汽都是亞穩(wěn)定平衡態(tài) 第一章基本概念 定溫定容系統(tǒng)定溫定壓系統(tǒng) 1 4 狀態(tài)方程 兩個(gè)相互獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)可以確定系統(tǒng)平衡態(tài) 三個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系 稱為狀態(tài)方程 常見(jiàn)的狀態(tài)方程有 理想氣體方程 范德瓦爾斯方程 平衡狀態(tài)下 可用二維平面坐標(biāo)圖描述系統(tǒng)狀態(tài) 熱力過(guò)程 功和熱量2 1 熱力過(guò)程要實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化 必須通過(guò)工質(zhì)的狀態(tài)變化才能實(shí)現(xiàn) 準(zhǔn)平衡態(tài) 由此引進(jìn)準(zhǔn)平衡態(tài)的概念 準(zhǔn)靜態(tài)就是無(wú)限接近于平衡態(tài)的狀態(tài) 考查一個(gè)漸變的過(guò)程 可逆過(guò)程 如果系統(tǒng)完成某一熱力過(guò)程后 再沿原路經(jīng)逆向返回 能使系統(tǒng)和外界都恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)而不留下任何變化的過(guò)程 要包括系統(tǒng)及外界都不發(fā)生任何變化 特征 可逆過(guò)程必然是準(zhǔn)平衡過(guò)程 可逆過(guò)程不應(yīng)有摩擦 電阻 磁阻等耗散效應(yīng)存在 可逆過(guò)程是理想過(guò)程 充要條件 只有準(zhǔn)平衡且無(wú)任何耗散效應(yīng)的過(guò)程才是可逆過(guò)程 實(shí)際過(guò)程都是不可逆的 2 2 功和熱量 功 在力的作用下 通過(guò)宏觀有序運(yùn)動(dòng)而傳遞的能量 在傳遞中才有意義 一旦越過(guò)邊界 就成為外界的能量 是過(guò)程量 與初終態(tài)有關(guān) 還與過(guò)程有關(guān) 系統(tǒng)對(duì)外做功為正 外界對(duì)系統(tǒng)做功為負(fù) 功的單位 焦耳 功率單位 瓦特 熱力系通常是通過(guò)容積變化來(lái)實(shí)現(xiàn)功的傳遞的 稱容積變化功 在準(zhǔn)靜態(tài)可逆過(guò)程時(shí) 對(duì)外做功由系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)決定的 不用考慮外界因素 在p 圖上表示 線下的面積即為功 所以p 圖叫示功圖 熱量 是在溫差作用下 通過(guò)微觀粒子無(wú)序運(yùn)動(dòng)傳遞的能量 熱量是過(guò)程量 系統(tǒng)吸熱取正號(hào) 放熱取負(fù)號(hào) 熱量為 熱容與其變化溫差的乘積 2 3