高等工程熱力學(xué)教案

1、《高等工程熱力學(xué)》電子教案,,能源——為人類提供能量和動力的物質(zhì)資源。,常見能源有：化石能、水力能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、核能等絕大多數(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。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。

2、,熱能利用的歷史就是一部人類的發(fā)展史：,,概述,0.1工程熱力學(xué)的研究對象及其特點熱物理學(xué)(簡稱熱學(xué)) 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(xué)，它滲透到自然科學(xué)的各個領(lǐng)域。工程熱科學(xué) 熱物理學(xué)在工程領(lǐng)域的分支和應(yīng)用，工程熱科學(xué)涉及的內(nèi)容很多，主要有工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、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,熱力學(xué)研究方法 經(jīng)典熱力學(xué)方法 ：宏觀描述方法

3、 統(tǒng)計物理學(xué)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(jié)合，使熱力學(xué)成為聯(lián)系微觀世界與宏觀世界的一座橋梁。,概述,熱力學(xué) 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(xué)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。 任何宏觀的物質(zhì)系統(tǒng)包括化學(xué)

4、的、生物的系統(tǒng)，只要與熱運動有關(guān)，總應(yīng)遵循熱力學(xué)規(guī)律。熱力學(xué)基本定律是自然界中的普適規(guī)律，只要在數(shù)學(xué)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,經(jīng)典熱力學(xué) 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(xué)，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

5、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,統(tǒng)計物理學(xué) 熱力學(xué)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(xué)方法的不足，使熱力學(xué)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,工程熱力學(xué)

6、 熱力學(xué)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(xué) 熱力學(xué)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。

7、 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(xué)中的概念有些是建立熱力學(xué)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)與可逆過程是經(jīng)典熱力學(xué)的研究前提，因此這三個基本概念尤其重要。,概述,傳熱學(xué) 研究由于溫差而實現(xiàn)的熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)。 熱力學(xué)指出，凡是有溫差的地方，就有熱量自高溫

8、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(xué)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(xué)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

9、態(tài)和狀態(tài)參數(shù)1.1. 熱力系與工質(zhì)⑴ 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）。⑵ 外界——熱力系以外的物質(zhì)（也稱為環(huán)境）。⑶ 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。,,⑷ 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）。,⑸ 開口系——與外界有物質(zhì)或能量交換的熱力系⑹ 絕熱系——熱力系與外界無熱量交

10、換（但有其它能量交換，如功）⑺ 孤立系——熱力系與外界無任何能量和物質(zhì)交換。⑻ 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。⑼ 熱源（冷源）——能為熱力系提供無限熱能（冷量），而自身溫度不會發(fā)生變化。（高溫?zé)嵩?、低溫?zé)嵩矗＂螁卧?、均相系、多元系、均勻系、非均勻系、?fù)相系等。⑾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)。,1.2熱力系的狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù),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。

11、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)。狀態(tài)參數(shù)——用于描述系統(tǒng)平衡狀態(tài)的物理量。狀態(tài)參數(shù)可分為兩類：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。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)。,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 ，溫度Ｔ，內(nèi)能U ， 焓Ｈ，熵Ｓ?；镜臒崃W(xué)參數(shù):比容v

12、 ，壓力p，溫度Ｔ.（１）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Ｖ(m3)，則比容為：密度是單位容積內(nèi)所含物質(zhì)的量。,,,,,,,,,,,,,,,,,,（２）壓力p（Ｐa）,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）——

13、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(dāng)p＞pb時，p＝pg＋pb 當(dāng)p＜pb時，p＝pb－pv,（３）溫度,溫度是物體冷熱程度的標(biāo)志溫度概念的建立以熱力學(xué)第零定律為依據(jù)。第零定律：Ａ與Ｂ處于熱平衡；Ｂ與Ｃ處于熱平衡，則Ａ與Ｃ必然處于熱平衡。 Ａ

14、 Ｂ Ｃ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,溫度的熱力學(xué)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。 溫度的熱力學(xué)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,溫度計測溫原理：當(dāng)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

15、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(xué)第零定律,溫 標(biāo),為了給溫度的測量賦予一定數(shù)值，必須科學(xué)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(biāo)。 華氏溫標(biāo) ：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；攝氏溫標(biāo)：將1個標(biāo)準(zhǔn)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(xué)第零定律,經(jīng)驗溫標(biāo)的問題：

16、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；熱力學(xué)溫標(biāo)：從熱力學(xué)第二定律出發(fā)得到的絕對溫標(biāo)，與任何工質(zhì)無關(guān)，是一種理論溫標(biāo)；,溫度與熱力學(xué)第零定律,熱力學(xué)溫標(biāo),熱力學(xué)溫標(biāo)與其它溫標(biāo),溫度與熱力學(xué)第零定律,熱力學(xué)溫標(biāo)只需要定義一個溫度的量值，其它溫度值就全部確定了。1854年，開爾文提議將水的三相點溫度定義為273.16 K，1954年第十屆國際計量大會正式采納。,利用某些氣體在低壓下,壓力或容積隨

17、溫度的變化是確定溫標(biāo)的最佳選擇；理想氣體溫標(biāo)其定義與熱力學(xué)溫標(biāo)一致，是其一級近似，不過是一種經(jīng)驗溫標(biāo)；定容式溫度計的測量原理：,溫度與熱力學(xué)第零定律,理想氣體溫標(biāo),理想氣體溫標(biāo)應(yīng)用,溫度與熱力學(xué)第零定律,,,,氣體A,,,,,,,理想氣體溫標(biāo)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)溫度計

18、。 實用的二級溫度計采用國際實用溫標(biāo)，它所得出的溫度偏離熱力學(xué)溫標(biāo)極小，廣泛用于校核科研或工業(yè)用溫度計。,溫度與熱力學(xué)第零定律,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(fù)雜性而引用的基本概念。熱力學(xué)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

19、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。但若所研究物系的高度有限，重力場對氣體密度的影響甚微，可以忽略

20、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(fù)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)，

21、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(xué)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。,溫度場就是物體中溫度隨時間和空間坐標(biāo)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(xué)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

22、，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(dǎo)出平衡判據(jù)時應(yīng)注意，系統(tǒng)可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或相變，一個總質(zhì)量恒定的化學(xué)系統(tǒng)在達到化學(xué)平衡前各組分的質(zhì)量并非恒量，因而系統(tǒng)的熱力學(xué)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(dsiso>0)和實現(xiàn)平衡的條件(dsiso=0) 約束條件 :E=常數(shù),對于只有

23、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(xué)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,V<0；實現(xiàn)平衡的

24、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,p<0)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(xué)系統(tǒng)，它的自由焓函數(shù),,因化學(xué)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,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

25、穩(wěn)定平衡純質(zhì)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(jié)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)。,第一章 基本概念,定溫定容系統(tǒng) 定溫定壓系統(tǒng),1.4.狀態(tài)方程,兩個相互獨立的狀態(tài)參數(shù)可以確定系統(tǒng)平衡態(tài)。三個基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，稱為狀態(tài)方程。常見的狀態(tài)方程有：理想氣體方程：范德瓦爾斯

26、方程：平衡狀態(tài)下，可用二維平面坐標(biāo)圖描述系統(tǒng)狀態(tài)：,,,,,,２．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)：,準(zhǔn)平衡態(tài),由此引進準(zhǔn)平衡態(tài)的概念！準(zhǔn)靜態(tài)就是無限接近于平衡態(tài)的狀態(tài)。,考查一個漸變的過程：,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(fù)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：（１）可

27、逆過程必然是準(zhǔn)平衡過程。（２）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(zhǔn)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,功——在力的作用下，通過宏觀有序運動而傳遞的能量,,,① Ｗ在傳遞中才有意義，一旦越過邊界，就成為外界的能量。② Ｗ是過程量，與初終態(tài)有關(guān)，還與過程有關(guān)。③ 系統(tǒng)對外做功為正，外界對系統(tǒng)做功為負。功的單位：Ｊ（焦耳） 功率單位

28、 Ｗ（瓦特）＝Ｊ／Ｓ④ 熱力系通常是通過容積變化來實現(xiàn)功的傳遞的，稱容積變化功.,⑤ 在準(zhǔn)靜態(tài)可逆過程時，對外做功由系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)決定的，不用考慮外界因素。,,,在p－Ｖ圖上表示：,１－２線下的面積即為功，所以p－Ｖ圖叫示功圖。,（２）熱量——是在溫差作用下，通過微觀粒子無序運動傳遞的能量。,? 熱量是過程量。? 系統(tǒng)吸熱取正號，放熱取負號。? 熱量為：熱容與其變化溫差的乘積。,,,2.3. 熱力循環(huán)系統(tǒng)由某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列

29、中間狀態(tài)，最后又回到初態(tài)的過程稱為熱力循環(huán)。（封閉過程）,特征： （１）它是一個封閉的過程。,(2)目的:是實現(xiàn)連續(xù)的能量轉(zhuǎn)換（Ｗ、Ｑ是過程量，使之可能）(3)分類:可逆與不可逆循環(huán)；動力循環(huán)；制冷循環(huán)；熱泵循環(huán)。,正向循環(huán)——膨脹功大于零，順時針。逆向逆向——膨脹功小于零，逆時針。,正向循環(huán)效率（熱效率）:逆向循環(huán)制冷系數(shù): 熱泵循環(huán)系數(shù):,,,,第一章 基本概念,上述各式不僅對氣體適用