高等工程熱力學教案

1、能源為人類提供能量和動力的物質(zhì)資源。n常見能源有：化石能、水力能、太陽能、風能、地熱能、海洋能、核能等n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力。n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械能、電能等；如：熱力發(fā)電廠、內(nèi)燃機等，主要用于交通運輸、機械制造等。熱能利用的歷史就是一部人類的發(fā)展史： 遠古時代鉆木取火鉆木取火（烤食、取暖）原始社會時期古代冶煉、制造金屬工具冶煉、制造金屬工具（直接利用）封建社會時期近代（1784）發(fā)明蒸汽機發(fā)明蒸汽機（間接利用）工業(yè)革

2、命資本社會時期現(xiàn)代建立完善的熱工理論建立完善的熱工理論（間接利用）（產(chǎn)生了飛機、火車、汽車、制冷、原子能）信息社會當今 熱傳遞問題（傳熱學傳熱學） 如何提高效率如何提高效率 間接利用（工程熱力學工程熱力學）概述0.1工程熱力學的研究對象及其特點n熱物理學(簡稱熱學) 研究有關(guān)物質(zhì)的熱運動以及與熱相聯(lián)系的各種規(guī)律的科學，它滲透到自然科學的各個領(lǐng)域。n工程熱科學 熱物理學在工程領(lǐng)域的分支和應(yīng)用，工程熱科學涉及的內(nèi)容很多，主要有工程熱力學、傳熱學、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n熱力學研究方法 經(jīng)典熱力學方法 ：宏觀描述方法 統(tǒng)計物理學方法 ：微觀描述方法n分別

3、從不同角度去研究問題，它們自成獨立體系，相互間又存在密切的聯(lián)系，相互補充。n宏觀描述方法與微觀描述方法的緊密結(jié)合，使熱力學成為聯(lián)系微觀世界與宏觀世界的一座橋梁。概述n熱力學 從對熱現(xiàn)象的大量的直接觀察和實驗測量所總結(jié)出來的普適的基本定律出發(fā)，應(yīng)用數(shù)學方法，通過邏輯推理及演繹，得出有關(guān)物質(zhì)各種宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系、宏觀物理過程進行的方向和限度等結(jié)論。 n任何宏觀的物質(zhì)系統(tǒng)包括化學的、生物的系統(tǒng)，只要與熱運動有關(guān)，總應(yīng)遵循熱力學規(guī)律。n熱力學基本定律是自然界中的普適規(guī)律，只要在數(shù)學推理過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n經(jīng)典熱力學 具有普遍內(nèi)容的唯一的物理理論，是具有普

4、遍性的一門科學，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n統(tǒng)計物理學 熱力學的微觀描述方法 從物質(zhì)由數(shù)量巨大的分子、原子組成的前提出發(fā)，運用統(tǒng)計的方法，把宏觀性質(zhì)看作微觀粒子熱運動的統(tǒng)計平均值，由此找出微觀量與宏觀量之間的關(guān)系。 彌補了熱力學方法的不足，使熱力學的理論具有更深刻的意義。 局限性在于它需對研究的體系作出簡化假設(shè)(微觀模型)，使得所得到的理論結(jié)果常與實驗不能完全符合。概述n 工程熱力學 熱力

5、學在工程領(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 熱力學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、實際氣體和蒸汽等； 與描寫狀態(tài)和過程有關(guān)的概念，如平衡態(tài)、可逆過程等； 又有熵、熱能與機械能、熱量與功量等對應(yīng)的概念。 圍繞工程應(yīng)用還引進表征能量利用經(jīng)濟性的概念，如熱效率、火用效率等。 熱力學中的概念有些是建立熱力學基本理論必不可少的，例如溫度、平衡態(tài)、可逆過程、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)象引進的物理量，平衡態(tài)與可逆過程是

6、經(jīng)典熱力學的研究前提，因此這三個基本概念尤其重要。概述n 傳熱學 研究由于溫差而實現(xiàn)的熱量傳遞規(guī)律的科學。 熱力學指出，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力是溫差，所以溫度分布對熱量傳遞有重大影響。 采用數(shù)學的手段研究、分析熱量傳遞過程，一般要假定研究對象是連續(xù)體，由于熱科學研究對象由數(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.

7、 熱力系與工質(zhì) 熱力系人為地選取一定范圍的物質(zhì)作為研究對象，這個對象稱為熱力系統(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，也可以是真實的；可以是固定的，也可以是運動的。真實的固定的移動的12移動的12假設(shè)的固定的假設(shè)的假定的變化的 閉口系與外界沒有物質(zhì)交換的熱力系（但可以有能量交換，如加熱）。 開口系與外界有物質(zhì)或能量交換的熱力系 絕熱系熱力系與外界無熱量交換（但有其它能量交換，如功） 孤立系熱力系與外界無任何能量和物質(zhì)交換。 簡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）能為熱力系提供無限熱能（冷量

8、），而自身溫度不會發(fā)生變化。（高溫熱源、低溫熱源）。單元系、均相系、多元系、均勻系、非均勻系、復相系等。工質(zhì)用來實現(xiàn)能量相互轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)稱為工質(zhì)。 Company name1.2熱力系的狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)熱力系的狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù) l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。l平衡狀態(tài)在沒有外界影響條件下，系統(tǒng)各部分長時間內(nèi)不發(fā)生任何變化的狀態(tài)。l狀態(tài)參數(shù)用于描述系統(tǒng)平衡狀態(tài)的物理量。l狀態(tài)參數(shù)可分為兩類：l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。l強度量與所含物質(zhì)量無關(guān)，熱力系中任一點都具有相同的數(shù)。)/(3kgmmVv 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

9、，溫度，內(nèi)能U ， 焓，熵。基本的熱力學參數(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。 )/(3mkgVm（）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量流體壓力. 絕對壓力（p）物質(zhì)的真實壓力。 大氣壓力（pb）大氣環(huán)境的真實壓力。 表壓力（pg）壓力表上讀到的壓力。 真空度（pv）真空計上的讀數(shù)。 表壓力與真空度均是環(huán)境壓力與絕對壓力的差，所以 當ppb時，ppgpb 當

10、ppb時，ppbpv （）溫度n溫度是物體冷熱程度的標志n溫度概念的建立以熱力學第零定律為依據(jù)。n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n溫度的熱力學定義：決定一個系統(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。 n溫度的熱力學定義提供了溫度測量的依據(jù)，即被測物體與溫度計處于熱平衡時，就可以從溫度計的讀數(shù)確定被測物體的溫度值。溫度測量和溫度計 n溫度計測溫原理：當一個物體的溫度改變時，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)測量物體的溫度，指明溫度的數(shù)值。 溫度與熱力學第零定律溫

11、度與熱力學第零定律 溫度計溫度計測溫屬性測溫屬性氣體溫度計氣體溫度計壓力或體積壓力或體積液體溫度計液體溫度計體積體積電阻溫度計電阻溫度計電阻電阻熱電偶熱電偶熱電動勢熱電動勢磁溫度計磁溫度計磁化率磁化率光學溫度計光學溫度計輻射強度輻射強度溫溫 標標 v為了給溫度的測量賦予一定數(shù)值，必須科學地建立起一套規(guī)則，把不同的溫度指定不同的數(shù)值,這就是所謂的溫標。 v華氏溫標 ：鹽水混合物的冰點溫度為零度，人體溫度為96度，則冰點與蒸氣點分別為32度和212度，按照水銀溫度計的長度等分；v攝氏溫標：將1個標準大氣壓下水的冰點和蒸氣點之間的溫度等分為100度，并以冰點作為零點。 溫度與熱力學第零定律溫度與熱力

12、學第零定律 v經(jīng)驗溫標的問題： 什么叫做均分？ 使用不同的物質(zhì)作為測溫的工質(zhì)得到不同的結(jié)果；v熱力學溫標：從熱力學第二定律出發(fā)得到的絕對溫標，與任何工質(zhì)無關(guān)，是一種理論溫標；溫度與熱力學第零定律溫度與熱力學第零定律 熱力學溫標與其它溫標溫度與熱力學第零定律溫度與熱力學第零定律 熱力學溫標只熱力學溫標只需要定義一個需要定義一個溫度的量值，溫度的量值，其它溫度值就其它溫度值就全部確定了。全部確定了。1854年，開爾年，開爾文提議將水的文提議將水的三相點溫度定三相點溫度定義為義為273.16 K，1954年第十屆年第十屆國際計量大會國際計量大會正式采納。正式采納。KCF水三相點273.160.013

13、2.02冰點273.150.0032.00水沸點373.124399.9743211.95絕對零度0-273.15-459.67o( C)273.15tToo9( F)32( C)5tt 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的最佳選擇； 理想氣體溫標其定義與熱力學溫標一致，是其一級近似，不過是一種經(jīng)驗溫標； 定容式溫度計的測量原理：溫度與熱力學第零定律溫度與熱力學第零定律 trtrTppT )(lim16.273)(0KpppTtrptr理想氣體溫標應(yīng)用溫度與熱力學第零定律溫度與熱力學第零定律 pvZRTTptr氣體A氣體B氣體Ctr0tr273.16 lim(K)ppTpt

14、rtr1273.16p vpvZRTZ Rtrtr273.16ZpTpZ 理想氣體溫標的氣體溫度計 雖與采用的某種氣體種類無關(guān)，但溫度讀數(shù)必須校正到理想氣體狀態(tài)時讀數(shù)。這種測量和修正都是極為精確和繁復的工作，只有極少數(shù)實驗室有此條件，因此，目前氣體溫度計僅作為一級標準溫度計。 實用的二級溫度計采用國際實用溫標，它所得出的溫度偏離熱力學溫標極小，廣泛用于校核科研或工業(yè)用溫度計。溫度與熱力學第零定律溫度與熱力學第零定律 地點或狀態(tài)地點或狀態(tài)溫度溫度激光管內(nèi)發(fā)射激光的氣體激光管內(nèi)發(fā)射激光的氣體0 K宇宙大爆炸后的宇宙大爆炸后的10-43 s1032 K氫彈爆炸中心氫彈爆炸中心108 K實驗室已獲得的

15、最高溫度實驗室已獲得的最高溫度6 107 K太陽中心太陽中心1.5 107 K地球中心地球中心4000 K乙炔焰乙炔焰2900 K月球向陽面月球向陽面400 K(127 C)地球最高氣溫（利比亞）地球最高氣溫（利比亞）331 K(58 C)地球上的最低氣溫（南極）地球上的最低氣溫（南極）185 K(-88 C)月球背陰面月球背陰面90 K(-183 C)He的正常沸點的正常沸點4.2 K星際空間星際空間2.7 K核自旋冷卻法核自旋冷卻法激光冷卻法激光冷卻法(朱棣文朱棣文)2 10-10 K2.4 10-11 K我們身邊的溫度1.4 平衡狀態(tài)1.4.1平衡狀態(tài) 一個熱力系統(tǒng)，如果在不受外界影響的

16、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)象時為簡化物體狀態(tài)隨時間變化的復雜性而引用的基本概念。 熱力學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動中，其微觀狀態(tài)，是不能不變的，如平衡態(tài)物系的溫度不隨時間變化，是指分子的平均移動動能為恒值。 平衡和均勻 處于平衡狀態(tài)物系的狀態(tài)不隨時間改變，平衡和時間的概念聯(lián)系在一起。 均勻則指物系內(nèi)部空間各點的狀態(tài)參數(shù)均勻一致，均勻是相對空間而言的。 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。 處于重力場中的氣體或液體平衡時上部和下部的密度不同，不能稱為均勻系。 但若所研究物

17、系的高度有限，重力場對氣體密度的影響甚微，可以忽略不計，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，即使略去重力場的影響，兩相的密度相差甚大，此時，物系雖處于復相平衡狀態(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，由于勢差消失，所以無論是熱量的傳遞還是其他能量的傳遞的速率均趨于零。為了描述實際有限勢差作用過程，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)來描述。 對于像熱力學能、熵等這樣的廣延參數(shù)，將各部

18、分的數(shù)值相加，即可得整個體系的值， 溫度和壓力這類強度參數(shù)，可以看作連續(xù)分布，形成所謂的“場的概念。 溫度場就是物體中溫度隨時間和空間坐標的分布穩(wěn)態(tài)溫度場 1.5平衡的判據(jù) 熱平衡 力平衡 相平衡 化學平衡 1.5.1 平衡判據(jù) 在沒有外界影響的條件下，一個系統(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。 在導出平衡判據(jù)時應(yīng)注意，系統(tǒng)可能發(fā)生化學反應(yīng)或相變，一個總質(zhì)量恒定的化學系統(tǒng)在達到化學平衡前各組分的質(zhì)量并非恒量，因而系統(tǒng)的熱力學能、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(d

19、siso0)和實現(xiàn)平衡的條件(dsiso=0) 約束條件 :E=常數(shù) 對于只有體積變化功一種模式的功交換的簡單可壓縮系統(tǒng)和外界沒有功交換：系統(tǒng)的體積不應(yīng)改變無熱交換：系統(tǒng)的熱力學能也不變 非孤立系統(tǒng) 簡單可壓縮系統(tǒng) 與系統(tǒng)進行熱量交換的外界熱源溫度 包括膨脹功在內(nèi)的系統(tǒng)對外作功的總和 若系統(tǒng)變化過程中溫度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)(Helmholtz function) V=常數(shù) 定溫定容系統(tǒng)過程進行的方向是dAT ,V0；實現(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程的方向(dGT ,

20、p0)及平衡的條件(dGT ,p=0) 自由焓，又稱吉布斯函數(shù)(Gibbs function) 一個由r種物質(zhì)組成的化學系統(tǒng)，它的自由焓函數(shù) 因化學不平衡而產(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 第一章 基本概念 定溫定容系統(tǒng) 定溫定壓系統(tǒng) RTpv RTbvvap)(21(T1,s1)TT1s1s1(p1,v1)pp1v1v熱力過程、功和熱量2.1.熱力過程 要實現(xiàn)熱能與機械能的相互轉(zhuǎn)化，必須通過工質(zhì)的狀態(tài)變化才能實現(xiàn)：工質(zhì)狀態(tài)變化工質(zhì)狀態(tài)變化熱力系只能對平衡態(tài)進行描述熱力系只能對平衡態(tài)進行描述熱能熱能熱能熱能熱能熱能機械能機械能功功動能動能準平衡態(tài) 由此引進準平衡態(tài)的概念！ 準靜態(tài)就是無限接近于平衡態(tài)的狀態(tài)?？疾橐粋€漸變的過程：狀態(tài)狀態(tài)1狀態(tài)狀態(tài)2一系列中間狀一系列中間狀態(tài)態(tài)1vp2可逆過程如果系統(tǒng)完成某一熱力過程后，再沿原路經(jīng)逆向返回，能使系統(tǒng)和外界都恢復原來狀態(tài)而不留下任何變化的過程。 （要包括系統(tǒng)及外界都不發(fā)生任何變化） 特征：（）可逆過程必然是準平衡過程。（）可逆過程不應(yīng)有摩擦、電阻、磁阻等耗散效應(yīng)存在?？赡孢^程是理想過程（充要條件）：只有準平衡且無任何耗散效應(yīng)的過程才是可逆過程。實際過程都是不可逆的。 2.2. 功和熱量n功在力的作用下，通過宏觀有序運動而傳遞的能量FdxdxFdw 21dxFw 在傳遞中才有意義