工程熱力學-1-基本概念

1、熱力學概念熱力學概念Principles of Thermodynamics熱力學是一門基礎學科分子雜亂無章運動的宏觀表現(xiàn)熱現(xiàn)象力現(xiàn)象機械能做功熱能和其他形式的能量；能量轉(zhuǎn)換；能量和物質(zhì)特性之間的關(guān)系；研究內(nèi)容：教學內(nèi)容教學內(nèi)容1 基礎概念 2 熱力學第一定律3 實際氣體狀態(tài)方程4 熱力學第二定律5 熱力學普遍關(guān)系式6 動力循環(huán)7 化學熱力學基礎8 多組分系統(tǒng)熱力學1 1 基礎基礎1、定義 2、熱力學平衡 3、可逆過程和不可逆過程 4、溫度和溫度測量 5、熱量 6、功 經(jīng)典熱力學只研究宏觀量（溫度、壓力、密度等）間經(jīng)典熱力學只研究宏觀量（溫度、壓力、密度等）間的關(guān)系。但是宏觀性質(zhì)與分子有關(guān)的關(guān)

2、系。但是宏觀性質(zhì)與分子有關(guān) ；溫度與分子運動；溫度與分子運動有關(guān)；密度與分子間相互作用有關(guān)。有關(guān)；密度與分子間相互作用有關(guān)。二、熱力學的研究方法和特點二、熱力學的研究方法和特點經(jīng)典熱力學（宏觀）經(jīng)典熱力學（宏觀）（大量粒子組成）（大量粒子組成）統(tǒng)計熱力學（微觀）統(tǒng)計熱力學（微觀）穩(wěn)定平衡狀態(tài)穩(wěn)定平衡狀態(tài)大量粒子的統(tǒng)計分析大量粒子的統(tǒng)計分析方法：綜合用系統(tǒng)方法適用于完全不同的物質(zhì)不關(guān)心分子個體結(jié)構(gòu)單元原子、分子、宏觀物體、社會、生物、生態(tài)、特點：普適性：熱力學方法和概念熱力學結(jié)論可推廣和應用到其他領域：化學、生物、宇宙、社會等例如：熵的概念控制論信息論例：生物、生態(tài)系統(tǒng)可看成由大量的基本結(jié)構(gòu)單元

3、構(gòu)成三、術(shù)語單相復相系統(tǒng)系統(tǒng) 環(huán)境參數(shù) 狀態(tài)參數(shù)、 路徑參數(shù)過程 循環(huán) 化學組成物理結(jié)構(gòu)均勻 系統(tǒng)系統(tǒng)-thermodynamic system(system) ：人為分割出來，作為熱力學人為分割出來，作為熱力學 研究對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。研究對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。 外界外界-surrounding ：與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。 邊界邊界-boundary：系統(tǒng)與外界的分界面（線）。系統(tǒng)與外界的分界面（線）。熱力系統(tǒng)、外界和邊界熱力系統(tǒng)、外界和邊界定義：定義：熱力系統(tǒng)的分割完全是“人為人為”的，因此對于不同的問題，甚至對于同一問題可取不同的系統(tǒng)。（熱力系、系統(tǒng)、體系）

4、（熱力系、系統(tǒng)、體系）例如研究向容器充氣，可以取容器為系統(tǒng)，也可取充入容器的氣體和原在容器內(nèi)的氣體一起為系統(tǒng)。AB固定、活動固定、活動1 1、以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：、以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分： 有有 無無是否傳質(zhì)是否傳質(zhì) 開口系開口系 閉口系閉口系是否傳熱是否傳熱 非絕熱系非絕熱系 絕熱系絕熱系是否傳功是否傳功 非絕功系非絕功系 絕功系絕功系是否傳熱、功、質(zhì)是否傳熱、功、質(zhì) 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系熱力系分類熱力系分類（2 2） 2、 按組元數(shù)按組元數(shù) 單元系單元系oneone componentcomponent system;puresystem;pure substancesubsta

5、nce systemsystem 多元系多元系-multicomponent-multicomponent systemsystem3、 按相數(shù)按相數(shù) 單相系單相系homogeneoushomogeneous systemsystem 注意：1）不計恒外力場影響不計恒外力場影響； 2）復相系未必不均勻復相系未必不均勻濕蒸汽；濕蒸汽； 單元系未必均勻單元系未必均勻氣液平衡分離狀態(tài)氣液平衡分離狀態(tài)； 簡單可壓縮系統(tǒng)簡單可壓縮系統(tǒng)由單元可壓縮物質(zhì)（純物質(zhì)）構(gòu)成、與外界僅由單元可壓縮物質(zhì)（純物質(zhì)）構(gòu)成、與外界僅有容積變化功交換、無化學反應的系統(tǒng)有容積變化功交換、無化學反應的系統(tǒng)按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換分按

6、系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換分： 閉口系閉口系closedclosed systemsystem （控制質(zhì)量CM） 沒有質(zhì)量越過邊界沒有質(zhì)量越過邊界 開口系開口系open system open system （控制體積CV） 通過邊界與外界有質(zhì)量交換通過邊界與外界有質(zhì)量交換1 1閉口系、開口系的定義閉口系、開口系的定義狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)一、狀態(tài)一、狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況stateofthermodynamicsystem熱力學狀態(tài)熱力學狀態(tài)系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合 狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)stateproperties描述物系所

7、處狀態(tài)的宏觀物描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量理量 a）狀態(tài)參數(shù)是宏觀量狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的宏觀表現(xiàn)宏觀表現(xiàn)，只有平衡態(tài)平衡態(tài)才有狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)有多多個狀態(tài)參數(shù) b）狀態(tài)參數(shù)的特性狀態(tài)參數(shù)的特性狀態(tài)的單值函數(shù)狀態(tài)的單值函數(shù)狀態(tài)參數(shù)為點函數(shù)，沿閉合路徑的積分為零。狀態(tài)參數(shù)為點函數(shù)，沿閉合路徑的積分為零。 特點：物理上與過程無關(guān)與過程無關(guān) 數(shù)學上其微量是全微分其微量是全微分C）狀態(tài)參數(shù)分類狀態(tài)參數(shù)分類： 強度量intensive property 它們的值與物質(zhì)的量無關(guān)；它們的值與物質(zhì)的量無關(guān)；廣延量廣延量extensive propertyproperty 它們的值正比于物質(zhì)的量它們的值正

8、比于物質(zhì)的量如溫度和壓力如溫度和壓力T T、P P等，等，又：廣延量的比性質(zhì)，如比體積具有強度量特性。mVv 如物質(zhì)的體積和熱力學能如物質(zhì)的體積和熱力學能V V、U U等。等。常用的狀態(tài)參數(shù)：常用的狀態(tài)參數(shù)： P P （壓力）、（壓力）、T T（溫度）、（溫度）、v v（比體積）、（比體積）、 h h（比（比焓）、u u（比（比熱力學能）、 s s（比（比熵） 其中其中 P P、T T、v v、可測量可測量- -基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)H(hH(h) )、U(uU(u) )、S(sS(s) )可計算可計算可由基本狀態(tài)參數(shù)導出可由基本狀態(tài)參數(shù)導出*只有平衡態(tài)平衡態(tài)才有狀態(tài)參數(shù)其他熱力系參數(shù)：張力

9、-長度、表面張力-面積 、 磁化-磁場強度、電荷-電位差、 1、平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) thermodynamic equilibrium state定義：在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。熱平衡熱平衡：thermal equilibrium：系統(tǒng)各部分無熱量交換系統(tǒng)各部分無熱量交換力平衡力平衡:mechanical equilibrium：系統(tǒng)各部分無相對位移系統(tǒng)各部分無相對位移如果它的溫度到處相同，并與外界平衡則稱之為達到如果它的溫度到處相同，并與外界平衡則稱之為達到熱熱平衡平衡。一個系統(tǒng)，如果它的壓力到處相同，并與外界平一個系統(tǒng)，如果它

10、的壓力到處相同，并與外界平衡稱之為達到衡稱之為達到力平衡力平衡或機械平衡；或機械平衡；平衡狀態(tài)平衡狀態(tài):同時同時有熱平衡和力平衡有熱平衡和力平衡簡單可壓縮系統(tǒng)簡單可壓縮系統(tǒng)力平衡p=0化學平衡w=0;n=0熱平衡t=0電平衡E=0相平衡(1)= (2)平衡條件：其他系統(tǒng)：其他系統(tǒng)：如多元系統(tǒng)如多元系統(tǒng) 相平衡、 化學反應平衡、一個平衡的熱力系統(tǒng)，只要不受到外界的影響，它的一個平衡的熱力系統(tǒng)，只要不受到外界的影響，它的狀態(tài)就不會隨時間而改變。如果受到外界作用，引起狀態(tài)就不會隨時間而改變。如果受到外界作用，引起系統(tǒng)內(nèi)壓力不均勻或溫度不均勻，破壞了系統(tǒng)的平衡系統(tǒng)內(nèi)壓力不均勻或溫度不均勻，破壞了系統(tǒng)的

11、平衡狀態(tài)，則當外界作用停止后，系統(tǒng)內(nèi)壓力不同及溫度狀態(tài)，則當外界作用停止后，系統(tǒng)內(nèi)壓力不同及溫度不同的各部分物質(zhì)之間，將產(chǎn)生機械作用和熱作用，不同的各部分物質(zhì)之間，將產(chǎn)生機械作用和熱作用，并最終趨向新的平衡狀態(tài)并最終趨向新的平衡狀態(tài)平衡的熱力系統(tǒng)平衡的熱力系統(tǒng)不平衡狀態(tài)：一定存在不平衡位勢不平衡狀態(tài)：一定存在不平衡位勢兩平衡狀態(tài)相等的判定兩平衡狀態(tài)相等的判定 若系統(tǒng)兩平衡狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)均一一對應相等，稱此若系統(tǒng)兩平衡狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)均一一對應相等，稱此兩平衡狀態(tài)相等；反之，相等的兩狀態(tài)則其狀態(tài)參數(shù)必然兩平衡狀態(tài)相等；反之，相等的兩狀態(tài)則其狀態(tài)參數(shù)必然一一對應相等。一一對應相等。簡單可壓縮系統(tǒng)，只

12、要兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)一一對應相等，簡單可壓縮系統(tǒng)，只要兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)一一對應相等，就可判定該系統(tǒng)兩平衡狀態(tài)相等。就可判定該系統(tǒng)兩平衡狀態(tài)相等。（狀態(tài)公理）（狀態(tài)公理） 平衡和穩(wěn)定平衡和穩(wěn)定平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)是指在沒有外界作用沒有外界作用的情況下工質(zhì)宏觀性質(zhì)可長久保持不變的狀態(tài)。簡單可壓縮系統(tǒng)同時處于力平衡和熱平衡，該系統(tǒng)就處于熱力平衡狀態(tài)， 穩(wěn)定狀態(tài)是指工質(zhì)宏觀性質(zhì)長久保持不變的狀態(tài)。均質(zhì)等截面直桿，其任一截面的溫度均不隨時間改變，所以是穩(wěn)定的。但這是在桿的兩端熱源的作用下而維持的，如果拿走兩端的熱源，桿子各截面的溫度就會改變，所以桿并不處在平衡狀態(tài)。T1T2T1 T2q 處在穩(wěn)定狀態(tài)的開口

13、系的熱力學能、熵等廣延性質(zhì)的量不隨時間而變，如UCV=0 、 SCV=0 。在各部位氣流的速度、壓力、熱力學能等都不同，但是它們都不隨時間而變化，因而熱力學能總值等保持常數(shù)，不隨時間而變化，UCV=0，但進出口截面工質(zhì)的熱力學能U1 和U2可以不等，熱力學能總值等保持常數(shù)是對時間而言，各截面上熱力學能不同，是對空間而言。工質(zhì)的狀態(tài)變化過程工質(zhì)的狀態(tài)變化過程準平衡過程（準靜態(tài)過程）準平衡過程（準靜態(tài)過程）破壞平衡所需時間破壞平衡所需時間（外部作用時間）（外部作用時間）恢復平衡所需時間恢復平衡所需時間（馳豫時間）（馳豫時間）有足夠時間恢復新平衡有足夠時間恢復新平衡 準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程準

14、靜態(tài)過程(quasi-static process; quasi-equilibrium process)定義：偏離平衡態(tài)無窮小，隨時定義：偏離平衡態(tài)無窮小，隨時 恢復平衡的狀態(tài)變化過程恢復平衡的狀態(tài)變化過程。進行條件進行條件： 破壞平衡的勢破壞平衡的勢 Tp ,過程進行無限緩慢過程進行無限緩慢 工質(zhì)有恢復平衡的能力工質(zhì)有恢復平衡的能力準靜態(tài)過程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實線表示準靜態(tài)過程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實線表示無窮小無窮小 可逆過程可逆過程- reversible process定義定義：系統(tǒng)可經(jīng)原途徑返回原來狀態(tài)而在外界不留系統(tǒng)可經(jīng)原途徑返回原來狀態(tài)而在外界不留下任何變化下任何變化 的過

15、程的過程。 可逆和不可逆可逆和不可逆系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復到系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程注意：注意：可逆過程只是指可能性，可逆過程只是指可能性，并不是指并不是指必須要必須要回到初態(tài)的過程。回到初態(tài)的過程。 可逆過程可逆過程 3.一切實際過程不可逆一切實際過程不可逆 4.內(nèi)部可逆過程內(nèi)部可逆過程 討論討論：1.可逆可逆= =準靜態(tài)準靜態(tài)+ +沒有耗散效應沒有耗散效應 2.準靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著準靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著 眼于系統(tǒng)眼于系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)

16、與外界作用的總效果內(nèi)部及系統(tǒng)與外界作用的總效果 5.可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示可逆過程和準靜態(tài)過程可逆過程和準靜態(tài)過程 氣態(tài)系統(tǒng)進行準平衡過程的條件是促使系統(tǒng)平衡被破壞的壓力差及溫度差為無限小，過程進行的時間非常長。準靜態(tài)過程的著眼點是系統(tǒng)內(nèi)部平衡。 如果系統(tǒng)經(jīng)歷了一個過程后，可沿原過程的路線反向進行，回復到原狀態(tài)，而且不在外界不在外界留下任何影響留下任何影響-可逆過程可逆過程。在外界的作用下系統(tǒng)都可循原途徑的反向回到原狀態(tài)，關(guān)鍵是否系統(tǒng)在回復到原狀態(tài)的同時不給外界留下任何影響。 過程在有限壓差作用下進行，是非準靜態(tài)過程是非準靜態(tài)過程。 fApFpAbco

17、s 過程為準靜態(tài)過程但不可逆準靜態(tài)過程但不可逆。因氣體膨脹作功除用于排斥大氣作功和克服摩擦耗功，其余部分轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽軆Υ嬗陲w輪內(nèi)。利用飛輪積儲的動能可使活塞返行，但摩擦使活塞不能返回到原位置，借助于外力可推動活塞回到原位，這就在外界留下影響，因此過程是準靜態(tài)的但不可逆。fApFpAbcos運動無摩擦，傳熱無溫差的準平衡過程是可逆過程運動無摩擦，傳熱無溫差的準平衡過程是可逆過程。 fApFpAbcos非準靜態(tài)過程fApFpAbcos準靜態(tài)過程，不可逆)0(cosfApFpAb準靜態(tài)過程，可逆過程)0(cosfApFpAb準靜態(tài)的也是可逆可逆的。1-41-4溫度和溫度測量方法溫度和溫度測量方法溫度和

18、溫標temperature and temperature scale熱力學溫標和國際攝氏溫標 （Celsius temperature scale)(thermodynamics scale; Kelvin scale; absolute emperature scale and internal(開耳文溫標，絕對溫標 ）溫標溫標- -定義定義: :溫度溫度- -標志物體冷熱的程度的量標志物體冷熱的程度的量溫度的數(shù)值標度溫度的數(shù)值標度A AB B當當不同冷不同冷熱熱的的A A與與B B物物質(zhì)質(zhì)，相互接，相互接觸觸時時，能，能允允許許熱熱的的傳遞傳遞，經(jīng)過經(jīng)過一段一段時間時間之後，之後，A A

19、與與B B可具有相同的冷可具有相同的冷熱熱程度程度定義與定義與物物質(zhì)質(zhì)本身性本身性質(zhì)無質(zhì)無關(guān)關(guān)的物理量的物理量: :溫度溫度，來來量量化物化物質(zhì)質(zhì)本身的冷本身的冷熱熱程度程度測溫方法1、選擇適當物質(zhì)：2、選擇該物質(zhì)與溫度關(guān)系：v、p、R、E3、規(guī)定物性與溫度關(guān)系：v=f(t) E=f(t）、4、選固定溫度點為計溫的基準點:分度缺點：溫標定義太隨便(例；冰點 32F 0） 測溫范圍窄、溫標不科學（非線性）經(jīng)驗溫標熱力學溫標經(jīng)驗溫標：為了測量溫度，需建立溫度的標尺，即溫標。國際單位制（即SI制）中，以熱力學溫標作熱力學溫標作為基本溫標。為基本溫標。它所定義的溫度稱為熱力學溫度它所定義的溫度稱為熱力

20、學溫度T T，單位為開爾文，符號為K。熱力學溫標以水的三相點，即水的固、液、氣三態(tài)平衡共存時的溫度為基本定點，并規(guī)定其溫度為273.16K。于是1K就是水的三相點熱力學溫度的 1/273.16. 熱力學溫標由卡諾定理導出；TtpTtptpQQQQTTTTQQ16.2732121理想氣體溫標：理想氣體為測溫介質(zhì)Ttp=273.16 ptp=611.659Pa 熱力學溫標和國際攝氏溫標 華氏溫標（符號F），規(guī)定在一個標準大氣壓下純冰的熔點和純水的沸點分別為32F和212F，以絕對零度為起點的華氏溫標稱為朗肯溫標（符號R） 32593295ctFtFtct華氏溫標和攝氏溫標 67.459FtRT華氏溫標和朗肯溫標朗氏溫標和華氏溫標實用溫度計玻璃 溫度計、雙