熱力學(xué)基本概念與基本定律

熱力學(xué)基本概念與基本定律第1頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)熱力學(xué)基本概念一、工質(zhì)、熱源和熱力系統(tǒng)熱機(jī)：能將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器。工質(zhì)：熱能與機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換是通過一種媒介物質(zhì)在熱機(jī)中的一系列狀態(tài)變化過程來實(shí)現(xiàn)的，這種媒介物質(zhì)稱為工質(zhì)。介質(zhì)，簡稱工質(zhì)。工質(zhì)的一般是具有良好流動性和膨脹性的氣體(含水蒸氣)。熱源：熱容積很大且在吸收或放出有限量熱量時自身溫度及其他熱力學(xué)參數(shù)沒有明顯改變的物體。向系統(tǒng)提供熱量的熱源稱為高溫?zé)嵩?；接收系統(tǒng)放熱的熱源稱為低溫?zé)嵩椿蚶湓础５?頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日

熱力系統(tǒng)：按照系統(tǒng)與外界之間的關(guān)系，可以將系統(tǒng)分為如下幾種類型：（1）封閉系：與外界之間不存在物質(zhì)交換的系統(tǒng)。（2）開口系，局外界之間既存在物質(zhì)交換．也存在能量交換的系統(tǒng)（3）絕熱系：與外界之間不存在熱交換的系統(tǒng)，(4)孤立系：與外界之間既無物質(zhì)交換，也無能量交換的系統(tǒng)第3頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日二、工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其狀態(tài)參數(shù)1、基本概念

(1)熱力學(xué)狀態(tài)：工質(zhì)在某一瞬間所呈現(xiàn)的物理狀態(tài)（P-V，T-s)

(2)平衡狀態(tài)：在外界條件不變的情況下，即使經(jīng)歷較長時間，系統(tǒng)的宏觀特性仍不發(fā)生變化，(3)狀態(tài)參數(shù)：熱力學(xué)參數(shù)，是描述系統(tǒng)所處狀態(tài)的物理量。一般用兩個相互獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)就可以確定系統(tǒng)的一個狀態(tài)。狀態(tài)參數(shù)大致可以分為基本參數(shù)和導(dǎo)出參數(shù)兩種，前者可以直接測量而得，如溫度、壓力等，后者一般不能測量，只能用基本參數(shù)依據(jù)某種關(guān)系推導(dǎo)而得，如內(nèi)能、比焓、比熵等。

(4)狀態(tài)方程：在平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)的某一參數(shù)與獨(dú)立于它的另一參數(shù)之間有著確定的聯(lián)系，將這種聯(lián)系表達(dá)出來的數(shù)學(xué)方程式就是狀態(tài)方程，第4頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日2、基本狀態(tài)參數(shù)(1)溫度：“T”，單位為開爾文(K)。熱力學(xué)溫度與攝氏溫度‘之間的關(guān)系是：T＝t十273.15(K)（2）壓力：帕斯卡(Pa)。工程上（MPa)作為壓力單位1at＝lkgf／cm2＝98067Pa;1mmHg＝133.32lPa1mmH2O＝9．8067Pa

p=pamb+pe;

p=pamb-pv(3)比容：單位質(zhì)量物質(zhì)所占有的容積稱為比容(國標(biāo)中改稱質(zhì)量體積或比體積)，以“ν表示，單位為M3/kg。根據(jù)定義，比容與密度ρ(kg／m3)互為倒數(shù)。第5頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日三、狀態(tài)的改變(1)過程：系統(tǒng)由其初始平衡態(tài)，經(jīng)過一系列中間狀態(tài)而達(dá)到某一新的平衡態(tài)的變化過程稱為熱力過程，簡稱過程。(2)準(zhǔn)靜態(tài)過程；每一中間狀態(tài)．既離開平衡態(tài)，又無限接近于平衡態(tài)，(3)可逆過程：系統(tǒng)完成某一過程之后，若能夠沿原路徑返回其初始平衡態(tài)，且系統(tǒng)和外界均不留下任何宏觀的變化痕跡，則稱該過程為可逆過程；(4)循環(huán)：系統(tǒng)經(jīng)歷了若干不相重復(fù)的過程，最后又回到初始狀態(tài)所形成的封閉過程叫做熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。第6頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)熱力學(xué)第一定律

一、熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)與表述

說法一：熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊?。一定量的熱消失時，必產(chǎn)生與之?dāng)?shù)量相當(dāng)?shù)墓?；消耗一定量的功時，也必出現(xiàn)相應(yīng)數(shù)量的熱。說法二：對于任何一個系統(tǒng)，輸入系統(tǒng)的能量減去輸出系統(tǒng)的能量，等于系統(tǒng)儲存能量的增加。第7頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日二、熱力學(xué)第一定律解析式第8頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日三、熱力學(xué)能、封閉系的第一定律表達(dá)式第9頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日四、焓、開口系的第一定律表達(dá)式1．穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動是流動過程的一種特殊情況，它滿足以下條件：流入和流出系統(tǒng)的質(zhì)量流量不隨時間變化；系統(tǒng)任何一點(diǎn)的參數(shù)和流速不隨時間變化；系統(tǒng)內(nèi)的儲存能不隨時間變化；單位時間內(nèi)加入系統(tǒng)的熱量和系統(tǒng)對外所做的功也不隨時間改變。很多實(shí)際的流動過程可以作為穩(wěn)定流動過程處。第10頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日2．穩(wěn)定流動能量方程第11頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日H—焓，h—質(zhì)量焓或比焓第12頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)熱力學(xué)第二定律一、熵、自然過程的方向性熱力學(xué)第一定律，能量之間可以相互轉(zhuǎn)換，以及轉(zhuǎn)換過程中的數(shù)量關(guān)系，而沒有指明此種能量與他種能量相互轉(zhuǎn)化的差異。狀態(tài)參數(shù)熵結(jié)出了自然過程方向性的定量描述。熵就是在可逆的條件下，傳入系統(tǒng)的微元熱量dQ與熱源溫度T的比值。理論證明了熵確實(shí)是一個狀態(tài)參數(shù)，單位質(zhì)量熵〔符號s)的單位是kJ／(kg·K)。

第13頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日二、熱力學(xué)第二定律、熵增原理說法一：熱不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳向高溫物體。說法二：只冷卻一個熱源而連續(xù)做功的循環(huán)發(fā)動機(jī)是造不或功的。第14頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日三、卡諾循環(huán)與卡諾定理卡諾循環(huán)與卡諾定律主要解決了如何提高從高溫?zé)嵩此崃恐修D(zhuǎn)變?yōu)楣Φ谋壤?，即提高循環(huán)熱效率的問題。1、卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)是由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程所構(gòu)成的動力循環(huán)。第15頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日卡諾循環(huán)的熱效率式可得出：(1)循環(huán)熱效率η決定于高溫恒溫?zé)嵩磁c低溫恒溫?zé)嵩吹臏囟萒1和T2；提高η，提高T1，降低T2。(2)循環(huán)熱效率η永遠(yuǎn)小于100％；(3)當(dāng)T1＝T2時，η＝o。在沒有溫差存在的體系中，熱能不可能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功。第16頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日2．卡諾定理卡諾循環(huán)是一種理想循環(huán)，實(shí)際上定溫吸熱或放熱和可逆膨脹或壓縮都是不可能的。主要結(jié)論如下：