高等工程熱力學 電子教案 能源 為人類提供能量和動力的物質資源 常見能源有 化石能 水力能 太陽能 風能 地熱能 海洋能 核能等絕大多數能源都是以熱能的形式為人類服務 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 能的形式發生變化 轉變為機械能 電能等 如 熱力發電廠 內燃機等 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展史 概述 0 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系的各種規律的科學 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 概述 熱力學研究方法經典熱力學方法 宏觀描述方法統計物理學方法 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 使熱力學成為聯系微觀世界與宏觀世界的一座橋梁 概述 熱力學從對熱現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 應用數學方法 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包括化學的 生物的系統 只要與熱運動有關 總應遵循熱力學規律 熱力學基本定律是自然界中的普適規律 只要在數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 概述 經典熱力學具有普遍內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 局限性 第一 它只適用于粒子數很多的宏觀系統 第二 它主要研究物質在平衡態下的性質 其三 它把物質看為連續體 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 概述 統計物理學熱力學的微觀描述方法從物質由數量巨大的分子 原子組成的前提出發 運用統計的方法 把宏觀性質看作微觀粒子熱運動的統計平均值 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 概述 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的改變 而且能量具有數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 與描寫狀態和過程有關的概念 如平衡態 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 可逆過程 能量 熵 熱量與功等 稱為基本概念 基本概念中 溫度是為研究熱現象引進的物理量 平衡態與可逆過程是經典熱力學的研究前提 因此這三個基本概念尤其重要 概述 傳熱學研究由于溫差而實現的熱量傳遞規律的科學 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體 由于熱科學研究對象由數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 連續體的假定即可成立 溫度等參數即可認為是連續函數 第一章 熱能轉變的基本概念 1 熱力系 狀態和狀態參數1 1 熱力系與工質 熱力系 人為地選取一定范圍的物質作為研究對象 這個對象稱為熱力系統 system 外界 熱力系以外的物質 也稱為環境 邊界 熱力系與外界的交界面 界面 邊界可以是假設的 也可以是真實的 可以是固定的 也可以是運動的 閉口系 與外界沒有物質交換的熱力系 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交換 簡單可壓縮系 由可壓縮的流體構成 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 而自身溫度不會發生變化 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 用來實現能量相互轉換的媒介物質稱為工質 1 2熱力系的狀態及狀態參數 熱力系的狀態 熱力系在某一瞬間呈現的宏觀物理狀況 平衡狀態 在沒有外界影響條件下 系統各部分長時間內不發生任何變化的狀態 狀態參數 用于描述系統平衡狀態的物理量 狀態參數可分為兩類 尺度量 廣延量 與系統所包含的物質量有關的量稱為尺度量 強度量 與所含物質量無關 熱力系中任一點都具有相同的數 1 3 基本狀態參數 常用的狀態參數 壓力p 比容v 溫度 內能U 焓 熵 基本的熱力學參數 比容v 壓力p 溫度 比容比容是單位質量的物質所占有的容積 若m kg 物質占有的容積為 m3 則比容為 密度是單位容積內所含物質的量 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 物質的真實壓力 大氣壓力 pb 大氣環境的真實壓力 表壓力 pg 壓力表上讀到的壓力 真空度 pv 真空計上的讀數 表壓力與真空度均是環境壓力與絕對壓力的差 所以當p pb時 p pg pb當p pb時 p pb pv 溫度 溫度是物體冷熱程度的標志溫度概念的建立以熱力學第零定律為依據 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 溫度是決定系統間是否處于熱平衡的物理量 溫度的意義 溫度的熱力學定義 決定一個系統是否與其它系統處于熱平衡的宏觀性質 處于熱平衡的各系統溫度相同 溫度的熱力學定義提供了溫度測量的依據 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 當一個物體的溫度改變時 物體的其它性質也將隨之發生變化 可根據這些變化性質中的某些參數測量物體的溫度 指明溫度的數值 溫度與熱力學第零定律 溫標 為了給溫度的測量賦予一定數值 必須科學地建立起一套規則 把不同的溫度指定不同的數值 這就是所謂的溫標 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 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 經驗溫標的問題 什么叫做均分 使用不同的物質作為測溫的工質得到不同的結果 熱力學溫標 從熱力學第二定律出發得到的絕對溫標 與任何工質無關 是一種理論溫標 溫度與熱力學第零定律 熱力學溫標 熱力學溫標與其它溫標 溫度與熱力學第零定律 熱力學溫標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 16K 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 不過是一種經驗溫標 定容式溫度計的測量原理 溫度與熱力學第零定律 理想氣體溫標 理想氣體溫標應用 溫度與熱力學第零定律 氣體A 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 但溫度讀數必須校正到理想氣體狀態時讀數 這種測量和修正都是極為精確和繁復的工作 只有極少數實驗室有此條件 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用溫度計 溫度與熱力學第零定律 我們身邊的溫度 1 4平衡狀態1 4 1平衡狀態一個熱力系統 如果在不受外界影響的條件下 系統的狀態能夠始終保持不變 則系統的這種狀態稱為平衡狀態 平衡狀態是研究熱現象時為簡化物體狀態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 是不能不變的 如平衡態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物系的狀態不隨時間改變 平衡和時間的概念聯系在一起 均勻則指物系內部空間各點的狀態參數均勻一致 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 可以忽略不計 從而把處于平衡狀態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 但不能看作均勻系了 1 4 2局部平衡假設平衡狀態下 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 這樣 每一子體系 就可用狀態參數來描述 對于像熱力學能 熵等這樣的廣延參數 將各部分的數值相加 即可得整個體系的值 溫度和壓力這類強度參數 可以看作連續分布 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態溫度場 1 5平衡的判據熱平衡力平衡相平衡化學平衡 1 5 1平衡判據在沒有外界影響的條件下 一個系統是否平衡 完全由其本身的狀態確定 所以可以用系統的某種狀態函數作為平衡的判據 平衡判據應隨系統的約束條件而異 在導出平衡判據時應注意 系統可能發生化學反應或相變 一個總質量恒定的化學系統在達到化學平衡前各組分的質量并非恒量 因而系統的熱力學能 焓及體積等性質也隨各組分質量變化而變化 孤立系孤立系熵增原理孤立系自發變化的方向 dsiso 0 和實現平衡的條件 dsiso 0 約束條件 E 常數 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和外界沒有功交換 系統的體積不應改變無熱交換 系統的熱力學能也不變 非孤立系統簡單可壓縮系統 與系統進行熱量交換的外界熱源溫度 包括膨脹功在內的系統對外作功的總和 若系統變化過程中溫度T為常數 考慮到系統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 Helmholtzfunction V 常數定溫定容系統過程進行的方向是dAT V 0 實現平衡的條件為dAT V 0 如約束條件為T 常數及p 常數定溫定壓系統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 Gibbsfunction 一個由r種物質組成的化學系統 它的自由焓函數 因化學不平衡而產生的G的變化 1 4 2穩定平衡判據孤立系統 判別是平衡或是非平衡 用以確定平衡是否穩定 難以觀察到的平衡態 不穩定平衡穩定平衡穩定與亞穩定平衡純質飽和狀態的飽和蒸汽和飽和液體屬穩定平衡態 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定平衡態 第一章基本概念 定溫定容系統定溫定壓系統 1 4 狀態方程 兩個相互獨立的狀態參數可以確定系統平衡態 三個基本狀態參數之間的關系 稱為狀態方程 常見的狀態方程有 理想氣體方程 范德瓦爾斯方程 平衡狀態下 可用二維平面坐標圖描述系統狀態 熱力過程 功和熱量2 1 熱力過程要實現熱能與機械能的相互轉化 必須通過工質的狀態變化才能實現 準平衡態 由此引進準平衡態的概念 準靜態就是無限接近于平衡態的狀態 考查一個漸變的過程 可逆過程 如果系統完成某一熱力過程后 再沿原路經逆向返回 能使系統和外界都恢復原來狀態而不留下任何變化的過程 要包括系統及外界都不發生任何變化 特征 可逆過程必然是準平衡過程 可逆過程不應有摩擦 電阻 磁阻等耗散效應存在 可逆過程是理想過程 充要條件 只有準平衡且無任何耗散效應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 在傳遞中才有意義 一旦越過邊界 就成為外界的能量 是過程量 與初終態有關 還與過程有關 系統對外做功為正 外界對系統做功為負 功的單位 焦耳 功率單位 瓦特 熱力系通常是通過容積變化來實現功的傳遞的 稱容積變化功 在準靜態可逆過程時 對外做功由系統內部參數決定的 不用考慮外界因素 在p 圖上表示 線下的面積即為功 所以p 圖叫示功圖 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