基本概念及定義熱力學(xué)ppt課件

1、第一章第一章 根本概念及定義根本概念及定義1-1 熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng)1-2 熱力學(xué)系統(tǒng)的形狀及根本形狀參數(shù)熱力學(xué)系統(tǒng)的形狀及根本形狀參數(shù)1-3 平衡形狀和形狀參數(shù)坐標(biāo)圖平衡形狀和形狀參數(shù)坐標(biāo)圖1-4 形狀方程式形狀方程式1-5 準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程1-6 可逆過程的功可逆過程的功1-7 熱量熱量1-8 熱力循環(huán)熱力循環(huán)本章小結(jié)及作業(yè)本章小結(jié)及作業(yè)1-1 1-1 熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng)外界：系統(tǒng)之外一切其他物質(zhì)。外界：系統(tǒng)之外一切其他物質(zhì)。邊境：分割系統(tǒng)與外界的界面。邊境：分割系統(tǒng)與外界的界面。 一、熱力學(xué)系統(tǒng)概念一、熱力學(xué)系統(tǒng)概念熱力學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)，熱力學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)，system

2、： 被事先選作研討對象的某些確定的物被事先選作研討對象的某些確定的物質(zhì)或某個(gè)確定空間中的物質(zhì)質(zhì)或某個(gè)確定空間中的物質(zhì) 。即系統(tǒng)、外界、邊境構(gòu)成了熱力學(xué)模型所必不可少的三個(gè)根本組成部分。即系統(tǒng)、外界、邊境構(gòu)成了熱力學(xué)模型所必不可少的三個(gè)根本組成部分。 邊境把系統(tǒng)與外界完全分隔開來，一定是完全封鎖的。邊境把系統(tǒng)與外界完全分隔開來，一定是完全封鎖的。 系統(tǒng)選取是人為的，可根據(jù)處理問題的方便、思想方式因人而異，系統(tǒng)選取是人為的，可根據(jù)處理問題的方便、思想方式因人而異， 普通選固定的物質(zhì)或固定空間中的物質(zhì)為系統(tǒng)。普通選固定的物質(zhì)或固定空間中的物質(zhì)為系統(tǒng)。留意：留意：第一章 根本概念及定義3 邊境有邊境有

3、 真實(shí)的、真實(shí)的、 固定的固定的 假想的、假想的、 變動的變動的 之分。之分。 系統(tǒng)與外界之間有且僅有三種作用方式，即系統(tǒng)與外界之間有且僅有三種作用方式，即 質(zhì)量交換、質(zhì)量交換、 熱量交換、熱量交換、 功量交換。功量交換。例例按系統(tǒng)與外界相互作用的性質(zhì)對系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)與外界相互作用的性質(zhì)對系統(tǒng)的分類:開口系開口系open systemopen system: : 有，普通以固定空間中的物質(zhì)為系統(tǒng)有，普通以固定空間中的物質(zhì)為系統(tǒng), ,稱稱CVCV。閉口系閉口系closed systemclosed system: : 無，以固定的物質(zhì)為系統(tǒng)，稱無，以固定的物質(zhì)為系統(tǒng)，稱CMCM。 按系統(tǒng)與外界

4、能否有質(zhì)量交換：按系統(tǒng)與外界能否有質(zhì)量交換： 按系統(tǒng)與外界能否有熱量交換按系統(tǒng)與外界能否有熱量交換絕熱系統(tǒng)絕熱系統(tǒng)insulated system非絕熱系統(tǒng)非絕熱系統(tǒng)特例：透熱系統(tǒng)特例：透熱系統(tǒng) 按系統(tǒng)與外界交換的準(zhǔn)靜態(tài)功的方式分類按系統(tǒng)與外界交換的準(zhǔn)靜態(tài)功的方式分類簡單系統(tǒng)簡單系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)isolated system 1-2 熱力學(xué)系統(tǒng)的形狀及根本形狀參數(shù)熱力學(xué)系統(tǒng)的形狀及根本形狀參數(shù)熱力學(xué)形狀熱力學(xué)形狀( (形狀形狀) :) : 熱力系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理情況。熱力系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理情況。p, v 和和 T，是直接可測的，是直接可測的 。形狀參

5、數(shù)形狀參數(shù) ： 用來描畫和闡明系統(tǒng)系統(tǒng)所處形狀的一些宏觀物理量用來描畫和闡明系統(tǒng)系統(tǒng)所處形狀的一些宏觀物理量, , 只與所處形狀有關(guān)，而與過程、實(shí)現(xiàn)的途徑無關(guān)。只與所處形狀有關(guān)，而與過程、實(shí)現(xiàn)的途徑無關(guān)。最根本形狀參數(shù)最根本形狀參數(shù):1比體積比體積 vmVv vVm1單位質(zhì)量物質(zhì)占有的體積。單位質(zhì)量物質(zhì)占有的體積。描畫系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)分布情況的參數(shù)。描畫系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)分布情況的參數(shù)。2.2.壓力壓力 ( (壓強(qiáng)壓強(qiáng)) p) p 流體在單位面積上的垂直作用力流體在單位面積上的垂直作用力 。 描畫流體物質(zhì)組成的熱力系統(tǒng)內(nèi)部力學(xué)情況的參描畫流體物質(zhì)組成的熱力系統(tǒng)內(nèi)部力學(xué)情況的參數(shù)。數(shù)。絕對壓力絕對壓力 a

6、bsolute pressure , p大氣壓力大氣壓力 atmospheric pressure，pb表壓力表壓力 gauge pressure，pg 真空度真空度 vacuum pressure，pv 壓力的單位：壓力的單位： 規(guī)范單位：規(guī)范單位：Pa，kPa , MPa 非規(guī)范單位：非規(guī)范單位：bar、atm、at、mmHg 、mmH2O等等 3. 溫度溫度 Temperature , T ( t )溫度是標(biāo)志系統(tǒng)冷、熱程度的參數(shù)。溫度是標(biāo)志系統(tǒng)冷、熱程度的參數(shù)。溫度的建立以及丈量是以熱力學(xué)第零定律為根底的。溫度的建立以及丈量是以熱力學(xué)第零定律為根底的。熱力學(xué)第零定律熱平衡定律熱力學(xué)第零

7、定律熱平衡定律The Zeroth Law of Thermodynamics ： 兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此也必然處于熱平衡。也必然處于熱平衡。 處于同一熱平衡態(tài)的一切系統(tǒng)，不論能否相互接觸，必定有某一處于同一熱平衡態(tài)的一切系統(tǒng)，不論能否相互接觸，必定有某一宏觀特性是彼此一樣的，我們把描畫此宏觀特性的物理量稱為溫度。宏觀特性是彼此一樣的，我們把描畫此宏觀特性的物理量稱為溫度。 一切互為熱平衡的系統(tǒng)都具有一樣的溫度。一切互為熱平衡的系統(tǒng)都具有一樣的溫度。華氏溫度與攝氏溫度之間的關(guān)系：華氏溫度與攝氏溫度之間的關(guān)系：

8、第一章 根本概念及定義8thermodynamic temperature, T , K攝氏溫度攝氏溫度 centigrade temperature, t , centigrade temperature, t , 溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示方法，國際上普遍采用的是熱力學(xué)溫標(biāo)。溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示方法，國際上普遍采用的是熱力學(xué)溫標(biāo)。 熱力學(xué)溫度絕對溫度以水的三相點(diǎn)溫度作為熱力學(xué)溫度的固定點(diǎn)，以水的三相點(diǎn)溫度作為熱力學(xué)溫度的固定點(diǎn)，K16273.Ttp15.273 tT熱力學(xué)溫度與攝氏溫度之間的關(guān)系：熱力學(xué)溫度與攝氏溫度之間的關(guān)系：華氏溫度華氏溫度 Fahrenheit temperature, t

9、 , Fahrenheit temperature, t , F F 不不要求！要求！第一章 根本概念及定義91-3 平衡形狀和形狀參數(shù)坐標(biāo)圖平衡形狀和形狀參數(shù)坐標(biāo)圖平衡形狀熱力學(xué)平衡形狀：平衡形狀熱力學(xué)平衡形狀： 熱力學(xué)平衡熱力學(xué)平衡平衡形狀平衡形狀系統(tǒng)內(nèi)部以及系統(tǒng)與外界系統(tǒng)內(nèi)部以及系統(tǒng)與外界之間不存在任何不平衡勢之間不存在任何不平衡勢熱平衡熱平衡力平衡力平衡相平衡相平衡化學(xué)平衡化學(xué)平衡穩(wěn)定平衡態(tài)定律：穩(wěn)定平衡態(tài)定律： 在外界不產(chǎn)生任何影響的條件下，系統(tǒng)從任何一在外界不產(chǎn)生任何影響的條件下，系統(tǒng)從任何一個(gè)非平衡形狀出發(fā)，經(jīng)過足夠長的時(shí)間，總能到達(dá)一個(gè)非平衡形狀出發(fā)，經(jīng)過足夠長的時(shí)間，總能到達(dá)

10、一個(gè)而且只需一個(gè)穩(wěn)定的熱力學(xué)平衡形狀。個(gè)而且只需一個(gè)穩(wěn)定的熱力學(xué)平衡形狀。在外界不產(chǎn)生任何影響的條件下可以長久堅(jiān)持下去的形狀。在外界不產(chǎn)生任何影響的條件下可以長久堅(jiān)持下去的形狀。非非“作用作用即系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間改動的形狀即系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間改動的形狀系統(tǒng)形狀變化，取決于系統(tǒng)和外界間的能量傳送。系統(tǒng)形狀變化，取決于系統(tǒng)和外界間的能量傳送。 對于常見的氣態(tài)物質(zhì)組成的系統(tǒng)，沒有化學(xué)反響時(shí)，即簡單對于常見的氣態(tài)物質(zhì)組成的系統(tǒng)，沒有化學(xué)反響時(shí)，即簡單可緊縮系統(tǒng)，它和外界間傳送的能量只需熱量和系統(tǒng)容積變化可緊縮系統(tǒng)，它和外界間傳送的能量只需熱量和系統(tǒng)容積變化功，因此只需有兩個(gè)獨(dú)立的形狀參數(shù)即可確

11、定系統(tǒng)的形狀。功，因此只需有兩個(gè)獨(dú)立的形狀參數(shù)即可確定系統(tǒng)的形狀。 形狀公理：形狀公理： 確定系統(tǒng)平衡形狀所需的獨(dú)立形狀參數(shù)的數(shù)目，等于系統(tǒng)確定系統(tǒng)平衡形狀所需的獨(dú)立形狀參數(shù)的數(shù)目，等于系統(tǒng)和外界間進(jìn)展能量傳送方式的數(shù)目。和外界間進(jìn)展能量傳送方式的數(shù)目。n+1形狀參數(shù)坐標(biāo)圖：形狀參數(shù)坐標(biāo)圖： ex: P-V, T-s, h-s, p-h 運(yùn)用兩個(gè)獨(dú)立形狀參數(shù)，可組成形狀參數(shù)坐標(biāo)圖。運(yùn)用兩個(gè)獨(dú)立形狀參數(shù)，可組成形狀參數(shù)坐標(biāo)圖。留意：圖上恣意一點(diǎn)代表一個(gè)平衡形狀；留意：圖上恣意一點(diǎn)代表一個(gè)平衡形狀；假設(shè)系統(tǒng)處于不平衡形狀假設(shè)系統(tǒng)處于不平衡形狀, 那么無法在形狀參數(shù)坐標(biāo)圖上描畫。那么無法在形狀參數(shù)坐

12、標(biāo)圖上描畫。1-4 1-4 形狀方程式形狀方程式形狀方程式形狀方程式 三個(gè)根本形狀參數(shù)三個(gè)根本形狀參數(shù)(p、v、T)之間的函數(shù)關(guān)系。即：之間的函數(shù)關(guān)系。即： 隱函數(shù)方式：隱函數(shù)方式： F(p，v，T)0 顯函數(shù)方式：顯函數(shù)方式：Tf1(p，v)，pf2(v，T)，vf3(p，T) 2. 2. 理想氣體形狀方程式克拉貝龍方程理想氣體形狀方程式克拉貝龍方程 1kg1kmolRTpVmm kgn kmolnRTpV TmRpVgRg氣體常數(shù)，與氣體的種類有關(guān)。氣體常數(shù)，與氣體的種類有關(guān)。R 通用氣體常數(shù)通用氣體常數(shù)M , 氣體的摩爾質(zhì)量，氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol Vm,千摩爾容積，千摩爾容積，

13、 m3/kmolTRpvgK)(kmolkJ314. 8RMRRg第一章 根本概念及定義121-5 準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程1. 熱力過程熱力過程 系統(tǒng)從一個(gè)形狀出發(fā)，閱歷一系列中間形狀而變系統(tǒng)從一個(gè)形狀出發(fā)，閱歷一系列中間形狀而變化到另一個(gè)形狀所閱歷的全部過程稱為熱力過程?；搅硪粋€(gè)形狀所閱歷的全部過程稱為熱力過程。初態(tài)初態(tài)終態(tài)終態(tài)ApGpAb條件改動：條件改動：G為為G,使使ApGpAbApGApb第一章 根本概念及定義13在形狀參數(shù)坐標(biāo)圖上，可用一條過在形狀參數(shù)坐標(biāo)圖上，可用一條過程曲線定性地表示該準(zhǔn)靜態(tài)過程。程曲線定性地表示該準(zhǔn)靜態(tài)過程。虛線，表一非準(zhǔn)靜態(tài)過程。虛線，表

14、一非準(zhǔn)靜態(tài)過程。2. 準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程 quasi-static state process 過程中系統(tǒng)閱歷的是一系列平衡形狀，并在過程中系統(tǒng)閱歷的是一系列平衡形狀，并在每次形狀變化時(shí)僅是無限小地偏離平衡形狀。每次形狀變化時(shí)僅是無限小地偏離平衡形狀。實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過程的條件：實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過程的條件：系統(tǒng)和外界系統(tǒng)和外界0大部分實(shí)踐過程可以近似地當(dāng)作準(zhǔn)靜態(tài)過程。大部分實(shí)踐過程可以近似地當(dāng)作準(zhǔn)靜態(tài)過程。第一章 根本概念及定義143. 可逆過程可逆過程 Reversible Process 系統(tǒng)閱歷了一個(gè)熱力過程后，系統(tǒng)閱歷了一個(gè)熱力過程后，假設(shè)可以沿原過程的途徑逆向進(jìn)展，假設(shè)可以沿原過程的途徑逆向進(jìn)

15、展，并使系統(tǒng)和外界都恢復(fù)到初態(tài)而不并使系統(tǒng)和外界都恢復(fù)到初態(tài)而不留下任何影響，那么稱系統(tǒng)原先閱留下任何影響，那么稱系統(tǒng)原先閱歷的過程為可逆過程。歷的過程為可逆過程?？赡孢^程必需滿足的條件：可逆過程必需滿足的條件：準(zhǔn)靜態(tài)過程；準(zhǔn)靜態(tài)過程；無任何耗散效應(yīng)。耗散效應(yīng)必產(chǎn)生無法消除的影響無任何耗散效應(yīng)。耗散效應(yīng)必產(chǎn)生無法消除的影響無耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過程無耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過程 = 可逆過程可逆過程可逆過程是假想的、理想化的模型；可逆過程是假想的、理想化的模型；一真實(shí)踐過程都是不可逆的。一真實(shí)踐過程都是不可逆的。第一章 根本概念及定義151.1.熱力學(xué)中功量的定義熱力學(xué)中功量的定義 功量是系統(tǒng)和外界間經(jīng)過邊境而傳

16、送的能量，功量是系統(tǒng)和外界間經(jīng)過邊境而傳送的能量， 且其全部效果表現(xiàn)為舉起重物。且其全部效果表現(xiàn)為舉起重物。1-6 可逆過程的功可逆過程的功2.2.可逆過程的容積變化功可逆過程的容積變化功容積變化功膨脹功或緊縮功：容積變化功膨脹功或緊縮功： 直接由系統(tǒng)容積變化與外界間發(fā)生作用而傳送的功。直接由系統(tǒng)容積變化與外界間發(fā)生作用而傳送的功。 功量是物體間經(jīng)過有規(guī)那么的微觀運(yùn)動或宏觀運(yùn)功量是物體間經(jīng)過有規(guī)那么的微觀運(yùn)動或宏觀運(yùn)動發(fā)生相互作用而傳送的能量。動發(fā)生相互作用而傳送的能量。vpwdVpWd2112dvpw212112ddVpvpmW規(guī)定：系統(tǒng)對外界作功，規(guī)定：系統(tǒng)對外界作功，W W為正；外界對系

17、統(tǒng)作功，為正；外界對系統(tǒng)作功，W W為負(fù)。為負(fù)。 過程線下面積等于可逆過程中容積變化功的大小，過程線下面積等于可逆過程中容積變化功的大小， 。對微元可逆過程：對微元可逆過程：對可逆過程對可逆過程1-2： 功量是過程量，僅存在于過程中，過程功量是過程量，僅存在于過程中，過程一旦終了，功量這種能量方式就不復(fù)存在。一旦終了，功量這種能量方式就不復(fù)存在。第一章 根本概念及定義171-7 熱量熱量熱量：系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而經(jīng)過邊境傳送的能量。熱量：系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而經(jīng)過邊境傳送的能量。 熱量是物體間經(jīng)過紊亂的分子運(yùn)動發(fā)生相互作用而傳送的能量。熱量是物體間經(jīng)過紊亂的分子運(yùn)動發(fā)生相

18、互作用而傳送的能量。 熱量不能夠把它的全部效果表現(xiàn)為舉起重物。熱量不能夠把它的全部效果表現(xiàn)為舉起重物。 熱量是過程量；熱量是傳送的能量瞬時(shí)量。熱量是過程量；熱量是傳送的能量瞬時(shí)量。區(qū)別：熱量與功量，熱能與熱量區(qū)別：熱量與功量，熱能與熱量熱量：物體間經(jīng)過紊亂的分子運(yùn)動發(fā)生相互作用而傳送的能量熱量：物體間經(jīng)過紊亂的分子運(yùn)動發(fā)生相互作用而傳送的能量功量：物體間經(jīng)過有規(guī)那么的微觀或宏觀運(yùn)動發(fā)生相互作用而傳送的能功量：物體間經(jīng)過有規(guī)那么的微觀或宏觀運(yùn)動發(fā)生相互作用而傳送的能量量熱能：物體內(nèi)部所具有的能量，熱力學(xué)能，可存儲于物體內(nèi)。熱能：物體內(nèi)部所具有的能量，熱力學(xué)能，可存儲于物體內(nèi)。熱量：兩物體間傳送的

19、熱能的數(shù)量，不能說熱量：兩物體間傳送的熱能的數(shù)量，不能說“物體含有熱量。物體含有熱量。第一章 根本概念及定義18熱量符號規(guī)定：系統(tǒng)吸熱為正，系統(tǒng)放熱為負(fù)。熱量符號規(guī)定：系統(tǒng)吸熱為正，系統(tǒng)放熱為負(fù)。 sTqdSTQd2112dsTq212112ddSTsTmQ 過程線下方的面積等于可逆過程所交換的熱量的大小，過程線下方的面積等于可逆過程所交換的熱量的大小， 。2.2.可逆過程的熱量可逆過程的熱量對微元可逆過程：對微元可逆過程：對可逆過程對可逆過程1-2：3. 3. 熱量與功量的類比熱量與功量的類比是物體間經(jīng)過有規(guī)律的微觀運(yùn)動是物體間經(jīng)過有規(guī)律的微觀運(yùn)動或宏觀運(yùn)動發(fā)生相互作用而傳送或宏觀運(yùn)動發(fā)生相

20、互作用而傳送的能量，可以把其全部效果表現(xiàn)的能量，可以把其全部效果表現(xiàn)為舉起重物。為舉起重物。功：功：熱量：熱量：物體間經(jīng)過紊亂的分子運(yùn)動發(fā)生物體間經(jīng)過紊亂的分子運(yùn)動發(fā)生相互作用而傳送的能量，不能把相互作用而傳送的能量，不能把其全部效果表現(xiàn)為舉起重物。其全部效果表現(xiàn)為舉起重物。可逆過程中可逆過程中可逆過程中可逆過程中P 工質(zhì)對外作功的推進(jìn)力工質(zhì)對外作功的推進(jìn)力;dv 形狀參數(shù)比體積的變化形狀參數(shù)比體積的變化:是衡量可逆過程中工質(zhì)與外是衡量可逆過程中工質(zhì)與外界作功與否的標(biāo)志。界作功與否的標(biāo)志。在在p-v圖上：圖上：一點(diǎn)：一個(gè)平衡形狀一點(diǎn)：一個(gè)平衡形狀一實(shí)線：一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程一實(shí)線：一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程曲線

21、下面積：曲線下面積：可逆過程中系統(tǒng)所可逆過程中系統(tǒng)所做的容積變化功。做的容積變化功。功是過程量功是過程量vpwdVpWdsTqdSTQdT 對熱交換起著推進(jìn)力的作用對熱交換起著推進(jìn)力的作用;ds 形狀參數(shù)比熵的變化形狀參數(shù)比熵的變化:是衡量可逆過程中工質(zhì)與外是衡量可逆過程中工質(zhì)與外界能否發(fā)生熱交換的標(biāo)志。界能否發(fā)生熱交換的標(biāo)志。在在T-sT-s圖上：圖上：一點(diǎn)：一個(gè)平衡形狀一點(diǎn)：一個(gè)平衡形狀一實(shí)線：一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程一實(shí)線：一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程曲線下面積：曲線下面積：可逆過程中系統(tǒng)與可逆過程中系統(tǒng)與外界所交換熱量。外界所交換熱量。熱量是過程量熱量是過程量4. 4. 比熱容及用比熱容計(jì)算熱量比熱容及用比熱容計(jì)算熱量1kg 物質(zhì)在可逆過程中溫度升高物質(zhì)在可逆過程中溫度升高1K(或或1)所需的熱量。即所需的熱量。即 比定容熱容比定容熱容cV：VVTqc)d(TcqVVd和和比定壓熱容比定壓熱容cp：ppTqc)d(Tcqppd和和TqcdJ/(kgK)質(zhì)量熱容質(zhì)量熱容(比熱容比熱容)