高等工程熱力學

關于高等工程熱力學第一章基本概念1.1工程熱力學的研究對象及其特點熱物理學(簡稱熱學)

研究有關物質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域。工程熱科學熱物理學在工程領域的分支和應用，工程熱科學涉及的內(nèi)容很多，主要有工程熱力學、傳熱學、物質的熱物理性質以及這些性質在工程領域和新技術方面的應用等等。第2頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念熱力學研究方法經(jīng)典熱力學方法：宏觀描述方法統(tǒng)計物理學的方法：微觀描述方法分別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。宏觀描述方法與微觀描述方法的緊密結合，使熱力學成為聯(lián)系微觀世界與宏觀世界的一座橋梁。第3頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念熱力學從對熱現(xiàn)象的大量的直接觀察和實驗測量所總結出來的普適的基本定律出發(fā)，應用數(shù)學方法，通過邏輯推理及演繹，得出有關物質各種宏觀性質之間的關系、宏觀物理過程進行的方向和限度等結論。任何宏觀的物質系統(tǒng)包括化學的、生物的系統(tǒng)，只要與熱運動有關，總應遵循熱力學規(guī)律。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，這些結論也具有同樣的可靠性與普遍性。第4頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念經(jīng)典熱力學具有普遍內(nèi)容的唯一的物理理論，是具有普遍性的一門科學，可應用于任何的宏觀的物質系統(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，它主要研究物質在平衡態(tài)下的性質；其三，它把物質看為連續(xù)體，不考慮物質的微觀結構。它只能說明應該有怎樣的關系，而不能解釋為什么有這種基本關系。第5頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念統(tǒng)計物理學熱力學的微觀描述方法從物質由數(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(微觀模型)，使得所得到的理論結果常與實驗不能完全符合。第6頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念

工程熱力學熱力學在工程領域的分支，是研究能量(特別是熱能)的性質及其轉換規(guī)律的科學熱力學引用的概念常與能量及其轉換有關。能量和物質不可分割，能量的轉換有賴于物質狀態(tài)的改變，而且能量具有數(shù)量和質量的雙重屬性。引入了與物質有關的概念，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、熱量與功量等對應的概念。圍繞工程應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?；靖拍钪?，溫度是為研究熱現(xiàn)象引進的物理量，平衡態(tài)與可逆過程是經(jīng)典熱力學的研究前提，因此這三個基本概念尤其重要。第7頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念

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8頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.2溫度1.2.1溫度的熱力學定義物系的溫度是用以判別它與其他物系是否處于熱平衡狀態(tài)的參數(shù)。溫度的熱力學定義明確給出了溫度的物理意義。溫度和熱平衡概念直接聯(lián)系，兩物系只要溫度相同，它們間就處于熱平衡，而與其他狀態(tài)參數(shù)如壓力、體積等的數(shù)值是否相同無關，只有溫度才是熱平衡的判據(jù)。第9頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.2.2熱力學溫標溫度測量的理論依據(jù):熱力學第零定律經(jīng)驗指出，實際測溫物質標志溫度的物理量和溫度的關系，嚴格地講都是非線性的，這一函數(shù)隨測溫物質的性質而定。第10頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念

建立溫標時，首先要規(guī)定溫度和標志溫度的物理量的函數(shù)關系這一關系不受具體測溫物質的限制，可以任意規(guī)定。為使溫度和標溫物理量成正比，通常取成線性關系：為了確定待定常數(shù)，要選定溫標的標準點，并規(guī)定標準點的溫度數(shù)值。確定待定常數(shù)實質上就是規(guī)定溫度計量單位的大小和溫度的計數(shù)起點。第11頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念

國際上用水的汽、液、固共存的三相點為標準點，并規(guī)定三相點的溫度為273.16K。國際單位制(SI)中溫度的計量單位稱為“開爾文”，單位符號為K。標定溫度的公式某種標志溫度的物理量相應于三相點狀態(tài)之值第12頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念國際溫標:以水的三相點為標準點，并規(guī)定其溫度為273.16K，而建立的溫標稱為國際溫標。攝氏溫標:如標準點和溫度計量單位的大小保持不變，而把標準點(三相點)的溫度規(guī)定為0.01℃時，所得溫標稱為國際攝氏溫標。國際溫標與國際攝氏溫標的關系是第13頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念建立溫標時，對標定溫度的物理量僅要求它和溫度的變化成線性關系，除此以外，不受其他的限制。因此，標溫的物理量可以和物質的性質有關，也可以和物質的性質無關，甚至實際中是否真正有這種性質的物理量存在也無關緊要。第14頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念如理想氣體體積不變時，它的壓力和溫度成線性變化標溫物質：理想氣體當作，而把作為標溫物理量：壓力標準點：水的三相點第15頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念理想氣體溫標公式第16頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念另例：與物性無關的熱量Q作為標溫的物理量卡諾循環(huán)第17頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念卡諾循環(huán)熱源放出或吸入的熱量與熱源的溫度成正比這種應用熱力學原理建立的溫標稱為熱力學溫標。但是，可逆循環(huán)難以實現(xiàn)，精確地測量Q和Qtp也有困難，所以熱力學溫標無法直接實施。盡管如此，熱力學溫標的建立有著深遠的理論價值，它是最科學、最嚴密的基本溫標。第18頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念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，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。第19頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念1990國際溫標(ITS-90)規(guī)定：①容易復現(xiàn)的固定點的氣體溫標溫度和用以檢定儀器的二級參考點的溫度；②二級溫度標準的儀器儀表的度數(shù)用于根據(jù)固定點進行內(nèi)插的公式。第20頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念第21頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念(ITS-90)將適用于溫度測量和內(nèi)插的方法概括為四個分區(qū)：(1)從0.65K到5.0K根據(jù)3He和4He的蒸氣壓測量；(2)從3.0K到24.5561K用氦氣定容氣體溫度計測量；(3)從13.8033K到1234.93K按照技術規(guī)范用在表中的固定點標定的標準鉛電阻溫度計測量；(4)高于1234.93K通過測量可見光譜的輻射強度，與Ag、Au或Cu凝固點同波長輻射強度比較，并且根據(jù)普朗克黑體輻射方程確定溫度值。第22頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.3.1平衡狀態(tài)1.3平衡狀態(tài)一個熱力系統(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。第23頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念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。第24頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念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。第25頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.3.2局部平衡假設平衡狀態(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。局部平衡假設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。第26頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本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

第27頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.4平衡的判據(jù)熱平衡力平衡相平衡化學平衡第28頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.4.1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)。同時，可以想象平衡判據(jù)應隨系統(tǒng)的約束條件而異。另外在導出平衡判據(jù)時應注意，系統(tǒng)可能發(fā)生化學反應或相變，一個總質量恒定的化學系統(tǒng)在達到化學平衡前各組分的質量并非恒量，因而系統(tǒng)的熱力學能、焓及體積等性質也隨各組分質量變化而變化。第29頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念孤立系孤立系熵增原理

孤立系自發(fā)變化的方向(dsiso>0)和實現(xiàn)平衡的條件(dsiso=0)約束條件:E=常數(shù)第30頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念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)的體積不應改變無熱交換：系統(tǒng)的熱力學能也不變第31頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念非孤立系統(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)對外作功的總和第32頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念若系統(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)(Helmholtzfunction)第33頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念V=常數(shù)定溫定容系統(tǒng)過程進行的方向是dAT,V<0；實現(xiàn)平衡的條件為dAT,V=0

第34頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念如約束條件為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,p<0)及平衡的條件(dGT,p=0)自由焓，又稱吉布斯函數(shù)(Gibbsfunction)第35頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念一個由r種物質組成的化學系統(tǒng)，它的自由焓函數(shù)因化學不平衡而產(chǎn)生的G的變化第36頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念第37頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念第38頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念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39頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念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(過熱液)和低于飽和溫度的蒸汽(過冷蒸汽)只有在實驗中方可觀察到。如有凝結核心形成，過冷蒸汽會迅速消失而成飽和液體。過熱液和過冷蒸汽都是亞穩(wěn)定平衡態(tài)。第40頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念定溫定容系統(tǒng)定溫定壓系統(tǒng)第41頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.5準平衡(準靜態(tài))過程和可逆過程1.5.1準平衡過程過程進行得相對緩慢，工質在平衡被破壞后自動回復平衡所需的時間，即所謂的弛豫時間又很短，工質有足夠的時間來恢復平衡，隨時都不致顯著偏離平衡狀態(tài)，這樣的過程叫做準平衡過程第42頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.5.2可逆過程當物系完成了某一過程之后，如果有可能使它沿相同的路徑逆行而回復到原來狀態(tài)，并使相互作用中所涉及到的外界亦回復到原來狀態(tài)，而不留下任何改變，則這一過程叫做可逆過程。不滿足上述條件的過程為不可逆過程。第43頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念一個可逆過程，首先應是準平衡過程，同時在過程中不應有任何耗散效應，這是可逆過程的基本特征。準平衡過程和可逆過程的區(qū)別在于：準平衡過程著眼于系統(tǒng)內(nèi)部的平衡，有無外部機械摩擦對工質內(nèi)部的平衡并無關系，準平衡過程進行時可能發(fā)生能量耗散；可逆過程則是分析系統(tǒng)與外界作用所產(chǎn)生的總效果，不僅要求系統(tǒng)內(nèi)部平衡，而且要求過程進行時不存在任何能量的耗散?？梢?，可逆過程必然是準平衡過程，而準平衡過程只是可逆過程的必要條件。第44頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.6熱量和功1.6.1熱量定義為：僅僅由于兩個系統(tǒng)之間溫度不同而引起的從一個系統(tǒng)向另一個系統(tǒng)傳遞的能量。按照這個定義，熱量是在能量傳遞過程中的一種能的傳遞量，只有當熱量越過系統(tǒng)的邊界時，才能被確認為產(chǎn)生傳熱現(xiàn)象。所以，熱量是在傳送過程中的能量，不是存貯在系統(tǒng)中的能量，熱量一旦傳入系統(tǒng)，便轉變?yōu)橄到y(tǒng)的分子、原子等粒子的微觀動能或位能。雖然在系統(tǒng)與外界的能量相互作用的過程中可以區(qū)別為熱量、各種形式的功量和其他能量，但一旦進入系統(tǒng)的邊界，就無法再區(qū)分了。存儲在系統(tǒng)中只有能量而區(qū)分不出哪些能量是通過傳熱、作功或其他方式傳進來的。因此熱量不是系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，說物體有多少熱量是錯誤的，只能說物體有多少能量。第45頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念第46頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.6.2功量力學中把力和力方向位移的乘積定義為功功是熱力系統(tǒng)通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。這里“舉起重物”是指過程產(chǎn)生的效果相當于舉起重物，并不要求真的舉起重物。顯然，和熱量一樣，功是熱力系通過邊界與外界交換的能量，不是狀態(tài)的函數(shù)，所以與系統(tǒng)本身具有的宏觀運動動能和宏觀位能不同。第47頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念上述各式不僅對氣體適用，不論是固體和液體只要是可壓縮性物質都是適用的。第48頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念(2)拉伸彈性杠或金屬絲所耗的功第49頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念第50頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念第51頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念第52頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念第53頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一章基本概念第54頁,共127頁，星期六，2024年，5月第2章熱力學基本定律和能量的可用性2.1熱力學第一定律轉移中的能量―熱量及功儲存中的能量―內(nèi)部儲存能與外部儲存能2.1.1熱力學第一定律一般表達式能量轉換及守恒定律指出：自然界中的一切物質都具有能量；能量有各種不同形式，并能從一種形式轉化為另一種形式；在轉換中，能量的數(shù)量保持不變。第55頁,共127頁，星期六，2024年，5月第2章熱力學基本定律和能量的可用性

對于孤立系，無論其內(nèi)部如何變化，它的總能量保持不變。式中，E是物系儲存的總能量。物系儲存的能量有熱力學能（內(nèi)部儲存能）和外部儲存能之分。熱力學能是與物質內(nèi)部粒子的微觀運動和粒子在空間的位置有關的能量，用U表示。如分子熱運動的微觀動能，分子相互吸引的微觀位能，分子內(nèi)束縛原子的化學能以及原子內(nèi)部的束縛能等都屬熱力學能。熱力學能由物質內(nèi)部粒子的狀態(tài)確定，是物質狀態(tài)的函數(shù)。除熱力學能外，物體作整體運動時還可有其他能量，這類能量要由物系外的參考坐標確定，故稱為物系的外部儲存能熱力學中常見的外部儲存能有物系作宏觀運動時的宏觀動能和在重力場中重力勢能第56頁,共127頁，星期六，2024年，5月第2章熱力學基本定律和能量的可用性物系的儲存能如系統(tǒng)由多種物質所組成系統(tǒng)總能量E表示在給定狀態(tài)下的全部能量，是系統(tǒng)處于某一狀態(tài)下的狀態(tài)參數(shù)。第57頁,共127頁，星期六，2024年，5月第2章熱力學基本定律和能量的可用性熱力學第一定律的一般表達式第58頁,共127頁，星期六，2024年，5月第2章熱力學基本定律和能量的可用性2.1.2閉口系統(tǒng)熱力學第一定律表達式僅取決于過程的初態(tài)及終態(tài)，而與過程所經(jīng)歷的路徑無關點函數(shù)，這個參數(shù)就是系統(tǒng)的儲存能E第59頁,共127頁，星期六，2024年，5月第2章熱力學基本定律和能量的可用性靜止閉口系中閉口系（控制質量系統(tǒng)）熱力學第一定律表達式，它表明在過程中傳入系統(tǒng)的熱量等于系統(tǒng)儲存能的變化及系統(tǒng)與外界交換功量之和。第60頁,共127頁，星期六，2024年，5月系統(tǒng)對外的功一般形式靜止閉口系統(tǒng)的熱力學第一定律表達式為閉口的簡單可壓縮系統(tǒng)在與外界只有可逆膨脹功交換時熱力學第一定律表達式為第2章熱力學基本定律和能量的可用性廣義力廣義位移的微量第61頁,共127頁，星期六，2024年，5月第2章熱力學基本定律和能量的可用性第62頁,共127頁，星期六，2024年，5月2.2開口系統(tǒng)熱力學第一定律表達式2.2.1變質量系統(tǒng)基本方程變質量系統(tǒng)理想氣體第2章熱力學基本定律和能量的可用性第63頁,共127頁，星期六，2024年，5月變質量系統(tǒng)的理想氣體狀態(tài)方程的微分形式熱力學能及焓的微分表達式第2章熱力學基本定律和能量的可用性第64頁,共127頁，星期六，2024年，5月理想氣體在對控制體進行能量分析時應考慮到控制體中的質量可能發(fā)生變化。若在d時間內(nèi)，進入系統(tǒng)的微元質量為6鞏，離開系統(tǒng)的微元質量為6伙，則第2章熱力學基本定律和能量的可用性第65頁,共127頁，星期六，2024年，5月如控制體的出、入口有多個，則質量方程可寫為第2章熱力學基本定律和能量的可用性質量流量第66頁,共127頁，星期六，2024年，5月閉口系統(tǒng)變質量系統(tǒng)第2章熱力學基本定律和能量的可用性可逆過程1kg第67頁,共127頁，星期六，2024年，5月把上列ds、du、dv代入單位質量的吉布斯函數(shù)等于化學勢變質量系統(tǒng)的熱力學能變化除了由熱交換，體積功交換引起外，還可以是由系統(tǒng)的質量改變而造成。吉布斯函數(shù)，自由焓第2章熱力學基本定律和能量的可用性第68頁,共127頁，星期六，2024年，5月2.2.2開口系統(tǒng)熱力學第一定律表達式第2章熱力學基本定律和能量的可用性第69頁,共127頁，星期六，2024年，5月如控制體沒有位能及動能的變化忽略進出口截面上氣流的動能差和位能差第2章熱力學基本定律和能量的可用性熱流量控制體中儲存能的變化率進入控制體的質量流量離開控制體的質量流量軸功率第70頁,共127頁，星期六，2024年，5月多股氣流只有單股流體進出的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流系統(tǒng)第2章熱力學基本定律和能量的可用性第71頁,共127頁，星期六，2024年，5月穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程第2章熱力學基本定律和能量的可用性第72頁,共127頁，星期六，2024年，5月2.3非穩(wěn)態(tài)流動過程變質量熱力過程向鋼瓶充入氧氣或自壓縮氣瓶放出空氣啟動柴油機等都是非穩(wěn)定流動過程工程應用的例子。以容器壁面為控制面的熱力系統(tǒng)，在進行過程時工質的數(shù)量會發(fā)生變化，變化的大小和快慢將直接影響到壓力、溫度等其他參數(shù)的變化情況。又如內(nèi)燃機、活塞式壓氣機的壓縮過程，或多或少總有漏氣，這時，以汽缸內(nèi)壁面為控制面的熱力系統(tǒng)也是一個變質量系統(tǒng)。這種有工質數(shù)量變化的壓縮過程在參數(shù)間的關系以及功量和傳熱量的計算上與常質量系統(tǒng)有較大的差別。第73頁,共127頁，星期六，2024年，5月基本任務是找出過程中系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)之間的關系，計算系統(tǒng)與外界交換的熱量、功量和質量。在分析變質量系統(tǒng)時應注意變質量系統(tǒng)與外界除了有功量及熱量的交換外，還有質量的交換。通常，遷移的質量在離開系統(tǒng)時的狀態(tài)為該時刻系統(tǒng)所處的狀態(tài)，但進入系統(tǒng)的工質的狀態(tài)則是由外界條件所決定的。第74頁,共127頁，星期六，2024年，5月非穩(wěn)態(tài)流動是指體系內(nèi)狀態(tài)是隨時間變化的流動過程，這時至少有一個狀態(tài)參數(shù)隨時間變化。很多情況下熱力系開口邊界處流入工質與流出工質的質流量不相同，流動工質做出的功率或與外界交換的熱流量不一定為常數(shù)，這時熱力系統(tǒng)內(nèi)的總能往往是時間的函數(shù)。而任意時刻控制體積內(nèi)的狀態(tài)仍可作為均勻態(tài)。同時，需指出，充蒸汽與充氣在物理本質上沒有什么差別，只是對于各種蒸汽通常沒有理想氣體那樣簡單的狀態(tài)方程式及熱性質計算式，因而不易導出簡明的解析式，求解時需進行迭代，或借助計算機。第75頁,共127頁，星期六，2024年，5月非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)多為變質量系統(tǒng)，對控制體積寫出以微分形式表達的能量平衡一般化關系式，結合質量平衡方程和氣體的特性方程，最終確定控制體積中參數(shù)的變化規(guī)律以及通過控制面與外界交換的熱量和功量，是求解非穩(wěn)態(tài)流動問題廣泛采用的方法。有時對非穩(wěn)態(tài)問題用控制質量法也很方便。例如剛性容器中氣體的放氣過程，取放氣前氣體質量為控制質量（放氣后則為控制體積內(nèi)的質量與流出的氣體質量之和）。針對控制質量寫出定質量系能量方程及其他相關方程，最終也可得到控制體積的參數(shù)變化規(guī)律及能量關系。采用了兩種方法，所得出結果是一致的，可以靈活選用。對于由多個子系統(tǒng)組成的復雜熱力系，還需各個子系統(tǒng)之間的約束關系作為補充方程。第76頁,共127頁，星期六，2024年，5月第77頁,共127頁，星期六，2024年，5月第78頁,共127頁，星期六，2024年，5月第79頁,共127頁，星期六，2024年，5月第80頁,共127頁，星期六，2024年，5月第81頁,共127頁，星期六，2024年，5月第82頁,共127頁，星期六，2024年，5月第83頁,共127頁，星期六，2024年，5月剛性容器絕熱放氣過程中留在系統(tǒng)內(nèi)氣體狀態(tài)變化規(guī)律與閉口系統(tǒng)可逆絕熱膨脹過程相同。由于放氣后壓力降低，所以容器內(nèi)氣體溫度與常質量系統(tǒng)可逆絕熱膨脹一樣總是下降的。物理意義上的區(qū)別:后者是一個不可逆過程，只是其不可逆性，僅表現(xiàn)在流出系統(tǒng)的那部分質量上，前者是可逆過程。此外，閉口系統(tǒng)絕熱膨脹過程熱力學能的減少用于對外作膨脹功，開口系統(tǒng)放氣過程熱力學能的減少，一部分是由于本身質量的減少，另一部分用于對排出氣體作推動功。第84頁,共127頁，星期六，2024年，5月第85頁,共127頁，星期六，2024年，5月第86頁,共127頁，星期六，2024年，5月2.4過程的方向性與熱力學第二定律過程具有方向性在自然界中自發(fā)發(fā)生的過程都是自發(fā)地趨向于平衡的過程：熱量從高溫物體流向低溫物體氣體從高壓向低壓膨脹物質從高濃度向低濃度擴散能量轉換的方向性當機械能經(jīng)過摩擦轉變?yōu)闊崮軙r，全部機械能均可無條件地轉變?yōu)闊崮堋５趧恿C械中，將熱能轉變?yōu)闄C械能時，只能有部分熱能轉變?yōu)闄C械能，其余部分必須變?yōu)楦蜏囟鹊臒崮?。這就是能量在相互轉變時的條件，實質上也反映了能量轉換的方向性。熱力學第二定律概括了人類對于熱力過程方向性的經(jīng)驗，是一個基本的自然定律，它不能從任何其他定律推導出來。第87頁,共127頁，星期六，2024年，5月熱力學第二定律的各種表達形式都是等效的。開爾文一普朗克說法：從一個熱源吸取熱量，而使之全部變成機械能的循環(huán)發(fā)動機是制造不出來的?？藙谛匏拐f法：熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體。喀喇氏說法：“從系統(tǒng)的一個給定狀態(tài)出發(fā)，在其鄰近的區(qū)域內(nèi)必然有這樣的狀態(tài)，它們是不能從給定的狀態(tài)經(jīng)絕熱過程而達到的?！笨险f法雖抽象，但更具有普遍意義。不必求助于卡諾循環(huán)和卡諾定理即可推演出熵的存在，進而得關系式第88頁,共127頁，星期六，2024年，5月熱力學第二定律的實質，就是表達了自然界中自發(fā)過程的方向性與不可逆性。進行自發(fā)過程的逆過程也是可以的，但必須有補償過程同時存在。如把熱能轉變?yōu)闄C械功，除要在循環(huán)發(fā)動機中吸熱，還必須有一部分熱量排向冷源作為補償?shù)臈l件。這樣就得出循環(huán)發(fā)動機的熱效率必然小于1的結論。又如要使低溫物體的熱量排向高溫物體，可以通過制冷機，消耗一定量的機械功（或其他形式的能量）之后實現(xiàn)。這部分消耗的機械能轉變成了熱量，這一機械能轉變?yōu)闊崃康倪^程就是補償?shù)臈l件。自發(fā)過程的逆過程需補償條件，故自發(fā)過程不可逆。上面的分析表明，所謂過程的方向性是指各種過程總是朝著一個方向進行，而不能自發(fā)地反向進行。這個方向就是孤立系統(tǒng)總是從不平衡態(tài)朝平衡態(tài)方向進行，當孤立系統(tǒng)達到平衡態(tài)后，一切宏觀變化停止。自發(fā)過程的不可逆性即是當系統(tǒng)達到平衡態(tài)后，在無外界影響的條件下，絕不會自發(fā)地變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài)。第89頁,共127頁，星期六，2024年，5月從宏觀角度來看，自然界一切熱過程具有方向性與不可逆性是完全正確的，是一個客觀真理。如熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體.從微觀角度看，在某一瞬間，也許較冷物體中的某些動能較大的分子與較熱物體中的某些動能較低的分子相互碰撞，這樣就有可能使能量倒傳。但從有限時間（宏觀上很短，但微觀上足夠長的時間間隔）上來看，總是較熱物體中的分子向較冷物體中的分子傳輸能量。又如在極小的空間中或高真空容器中，極有可能出現(xiàn)分子分布的不均勻狀態(tài)，會不斷地交替出現(xiàn)系統(tǒng)的平衡與非平衡的狀態(tài)，即所謂“漲落現(xiàn)象”。但宏觀的物體具有大量粒子，占有一定的體積，一旦出現(xiàn)系統(tǒng)平衡態(tài)后，絕不可能自發(fā)地又出現(xiàn)宏觀意義上的非平衡狀態(tài)。從宏觀觀察所得到的熱力學第二定律的結論，在指導工程實際中是完全正確的。第90頁,共127頁，星期六，2024年，5月2.5熵與孤立系熵增原理

2.5.1熵與孤立系熵增原理卡諾定理指出：任何一個熱機的循環(huán)熱效率不能大于工作在同樣的兩個恒溫熱源之間的可逆循環(huán)熱效率，其表達式為從卡諾定理可導出克勞修斯不等式：工質在循環(huán)中與熱源的換熱量和換熱時熱源絕對溫度之比的循環(huán)積分小于等于零，即第91頁,共127頁，星期六，2024年，5月狀態(tài)參數(shù)熵的定義式不可逆過程第92頁,共127頁，星期六，2024年，5月等號適用于可逆過程不等號適用于不可逆過程必須強調(diào)指出：系統(tǒng)的熵是一個狀態(tài)參數(shù)，其值只與系統(tǒng)所處的狀態(tài)有關，與狀態(tài)是如何達到的過程無關。孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)熵增原理表達式，也是熱力學第二定律的數(shù)學表達式。按照熱力學第一定律，孤立系統(tǒng)中系統(tǒng)的總能量不變。按照熱力學第二定律，孤立系統(tǒng)內(nèi)進行的一切實際過程雖然使孤立系統(tǒng)的總能量保持不變，但使熵增加。這一結論稱為孤立系統(tǒng)熵增原理。第93頁,共127頁，星期六，2024年，5月由上述討論可得到：熵增原理可作為過程方向性的表述。對于絕熱的閉口系統(tǒng)或者具有相互熱作用的復合系統(tǒng)所組成的孤立系統(tǒng)，熵是絕對不會減少的。因此使孤立系統(tǒng)和閉口絕熱系熵減少的過程是不可能發(fā)生的。孤立系統(tǒng)熵增原理說明，熵是不守恒的，只有在可逆過程中，孤立系統(tǒng)的熵才守恒。正是由于發(fā)生了不可逆過程，才使孤立系統(tǒng)的熵增大，不可逆的程度愈大，熵的增加也愈大。因此，可以用孤立系統(tǒng)的熵增來度量過程不可逆的能量耗散效應。當孤立系統(tǒng)的熵達到最大值時，系統(tǒng)達到平衡。孤立系統(tǒng)總是由不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)過渡，其熵值不斷增大，達到平衡時，一切變化停止，熵也達到最大值。第94頁,共127頁，星期六，2024年，5月第95頁,共127頁，星期六，2024年，5月2.5.2熵的微觀意義要從本質上去理解熵的意義必須采用微觀的方法，即統(tǒng)計物理的方法?？梢园鸯乜闯上到y(tǒng)“無序”程度大小的度量。所謂無序是相對于有序來講的，空間中粒子分布越是不均勻、越是集中在某局部區(qū)域，即認為越有序，而粒子分布越均勻，則系統(tǒng)越無序。例如，在密閉的容器中，部分液體蒸發(fā)構成氣液兩相系統(tǒng)，由于液體中分子的密集程度大于氣體，所以系統(tǒng)無序程度增加，反之，若密閉容器中氣體液化成液體，其無序度變小。相同溫度下，氣體要比液體無序，液體則比固體無序。第96頁,共127頁，星期六，2024年，5月第97頁,共127頁，星期六，2024年，5月2.6熵方程2.6.1閉口系熵方程（熱）熵流，是換熱對系統(tǒng)熵變的“貢獻”熵產(chǎn)，是不可逆性對系統(tǒng)熵變的“貢獻”閉口系（定質量系統(tǒng)）的熵方程需要強調(diào)：

(l）系統(tǒng)的熵變只取決于系統(tǒng)的初、終態(tài)，它可正可負；但熵流和熵產(chǎn)不只取決于系統(tǒng)的初、終態(tài)，與過程有關，而且熵產(chǎn)永遠不小于零。第98頁,共127頁，星期六，2024年，5月熵平衡關系式流入控制體的熵+控制體熵產(chǎn)-流出控制體的熵=控制體熵的變化第99頁,共127頁，星期六，2024年，5月第100頁,共127頁，星期六，2024年，5月(2.50)(2.51)第101頁,共127頁，星期六，2024年，5月通過分析系統(tǒng)的熵產(chǎn)，可以了解過程的不可逆程度，指導確定和改進能量的轉換過程。由于熵概念比較抽象，近年來引進了帶有能量因次的新參數(shù)―，以較方便地在第二定律和第一定律結合的范疇下討論有關能量轉換問題。熱量第102頁,共127頁，星期六，2024年，5月任意數(shù)量的功總是可以借助于不可逆耗散過程全部轉換為熱力學能。系統(tǒng)熱力學能轉換為功也有一定的限度閉口系統(tǒng)經(jīng)絕熱過程第103頁,共127頁，星期六，2024年，5月第104頁,共127頁，星期六，2024年，5月

環(huán)境介質可以看作無限大的系統(tǒng)，可認為它永遠處于平衡狀態(tài)，即將環(huán)境介質作為一個無限蓄熱系統(tǒng)而參與一切熱力過程，它能吸收熱量或放出熱量而不改變其強度參數(shù)T0及P0

。環(huán)境介質的熱力學能的擁值為零，故而一切排放到環(huán)境中的能量不可能積聚起來重新轉化為有用功，因此在環(huán)境中積聚的能量是無法利用的。

第105頁,共127頁，星期六，2024年，5月

全球海水的質量約為1.42x1021kg，如使海洋里的海水溫度降低3.36x10-6K，則其熱力學能減小量相當于20世紀80年代中全世界一年的用電量。但是這種能量轉換的結果將使孤立系統(tǒng)的熵減小，是違背熱力學第二定律的，因此這種轉化是絕對不可能的。環(huán)境介質的熱力學能以及由環(huán)境介質吸收的熱量，自身完全喪失轉化為機械能的能力。系統(tǒng)達到與環(huán)境介質的溫度和壓力相同的狀態(tài)時，系統(tǒng)與環(huán)境介質處于相互熱力平衡狀態(tài)，與環(huán)境平衡的狀態(tài)稱為“死態(tài)”，在這種狀態(tài)下，系統(tǒng)的熱力學能也完全喪失轉變?yōu)闄C械能的能力。因此，各種形式能量中可轉變?yōu)楣Φ牟糠值挠嬎愣家原h(huán)境狀態(tài)為基點。第106頁,共127頁，星期六，2024年，5月2.7.3第一定律分析法和第二定律分析法能量分析的理論依據(jù)：熱力學第一定律和第二定律能量分析的方法：第一定律分析法和第二定律分析法第一定律分析法：依據(jù)能量在數(shù)量上守恒的關系，通過分析揭示系統(tǒng)各部位能量數(shù)量上轉換、傳遞、利用和損失的情況，確定該系統(tǒng)的能量利用或轉換效率。特點：抓住能量數(shù)量上的平衡，考慮了能量數(shù)量的利用程度，反映了能量數(shù)量的“外部損失”。例如，蒸汽動力裝置的熱平衡揭示鍋爐散熱、排煙和不完全燃燒損失、汽輪機和管道等的散熱損失及冷凝器的熱損失，得到裝置熱效率。第107頁,共127頁，星期六，2024年，5月第二定律分析法：綜合熱力學第一定律、第二定律作為依據(jù)，從能量的數(shù)量和質量來分析系統(tǒng)各部位對能量利用和損失情況。其中煙分析法揭示能量中擁的轉換、傳遞、利用和損失情況，得到系統(tǒng)擁效率。特點：抓住不可逆過程中擁轉變?yōu)閾帷岵豢赡苻D變?yōu)閾?，揭示出系統(tǒng)內(nèi)部存在的能量質的貶值。兩類方法所揭示的不完善部位及損失的大小是不同的。第108頁,共127頁，星期六，2024年，5月第一定律分析，最大的能量損失發(fā)生在冷凝器中第二定律分析法，由于放熱溫度很低，不可逆性及由此造成的擁損失并不大。相反，鍋爐中的擁損失卻高達49％。鍋爐內(nèi)燃料燃燒過程和高溫煙氣與水蒸氣之間傳熱過程這兩個不可逆過程使大量的擁蛻變?yōu)閾?，也正是這兩種不可逆過程引起的擁損失，才大大增加了通過冷凝器所排棄的熱量。第109頁,共127頁，星期六，