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高等工程热力学 电子教案 能源 为人类提供能量和动力的物质资源 常见能源有 化石能 水力能 太阳能 风能 地热能 海洋能 核能等绝大多数能源都是以热能的形式为人类服务 但我们需要的却主要是动力 人类利用热能目前主要有两种形式 1 热能的直接利用 能的形式不发生变化 如 取暖 烘烤 冶炼 蒸煮等 2 热能的间接利用 能的形式发生变化 转变为机械能 电能等 如 热力发电厂 内燃机等 主要用于交通运输 机械制造等 热能利用的历史就是一部人类的发展史 概述 0 1工程热力学的研究对象及其特点热物理学 简称热学 研究有关物质的热运动以及与热相联系的各种规律的科学 它渗透到自然科学的各个领域 工程热科学热物理学在工程领域的分支和应用 工程热科学涉及的内容很多 主要有工程热力学 传热学 物质的热物理性质以及这些性质在工程领域和新技术方面的应用等等 概述 热力学研究方法经典热力学方法 宏观描述方法统计物理学方法 微观描述方法分别从不同角度去研究问题 它们自成独立体系 相互间又存在密切的联系 相互补充 宏观描述方法与微观描述方法的紧密结合 使热力学成为联系微观世界与宏观世界的一座桥梁 概述 热力学从对热现象的大量的直接观察和实验测量所总结出来的普适的基本定律出发 应用数学方法 通过逻辑推理及演绎 得出有关物质各种宏观性质之间的关系 宏观物理过程进行的方向和限度等结论 任何宏观的物质系统包括化学的 生物的系统 只要与热运动有关 总应遵循热力学规律 热力学基本定律是自然界中的普适规律 只要在数学推理过程中不加上其他假设 这些结论也具有同样的可靠性与普遍性 概述 经典热力学具有普遍内容的唯一的物理理论 是具有普遍性的一门科学 可应用于任何的宏观的物质系统 局限性 第一 它只适用于粒子数很多的宏观系统 第二 它主要研究物质在平衡态下的性质 其三 它把物质看为连续体 不考虑物质的微观结构 它只能说明应该有怎样的关系 而不能解释为什么有这种基本关系 概述 统计物理学热力学的微观描述方法从物质由数量巨大的分子 原子组成的前提出发 运用统计的方法 把宏观性质看作微观粒子热运动的统计平均值 由此找出微观量与宏观量之间的关系 弥补了热力学方法的不足 使热力学的理论具有更深刻的意义 局限性在于它需对研究的体系作出简化假设 微观模型 使得所得到的理论结果常与实验不能完全符合 概述 工程热力学热力学在工程领域的分支 是研究能量 特别是热能 的性质及其转换规律的科学热力学引用的概念常与能量及其转换有关 能量和物质不可分割 能量的转换有赖于物质状态的改变 而且能量具有数量和质量的双重属性 引入了与物质有关的概念 如理想气体 实际气体和蒸汽等 与描写状态和过程有关的概念 如平衡态 可逆过程等 又有熵 热能与机械能 热量与功量等对应的概念 围绕工程应用还引进表征能量利用经济性的概念 如热效率 火用效率等 热力学中的概念有些是建立热力学基本理论必不可少的 例如温度 平衡态 可逆过程 能量 熵 热量与功等 称为基本概念 基本概念中 温度是为研究热现象引进的物理量 平衡态与可逆过程是经典热力学的研究前提 因此这三个基本概念尤其重要 概述 传热学研究由于温差而实现的热量传递规律的科学 热力学指出 凡是有温差的地方 就有热量自高温物体传向低温物体 或从物体的高温部分传向低温部分 由于自然界到处存在温差 所以热量传递是普遍的现象 由于热量传递的推动力是温差 所以温度分布对热量传递有重大影响 采用数学的手段研究 分析热量传递过程 一般要假定研究对象是连续体 由于热科学研究对象由数量十分庞大的微观粒子所组成 所以只要被研究对象的几何尺度大于微观粒子的平均自由程 连续体的假定即可成立 温度等参数即可认为是连续函数 第一章 热能转变的基本概念 1 热力系 状态和状态参数1 1 热力系与工质 热力系 人为地选取一定范围的物质作为研究对象 这个对象称为热力系统 system 外界 热力系以外的物质 也称为环境 边界 热力系与外界的交界面 界面 边界可以是假设的 也可以是真实的 可以是固定的 也可以是运动的 闭口系 与外界没有物质交换的热力系 但可以有能量交换 如加热 开口系 与外界有物质或能量交换的热力系 绝热系 热力系与外界无热量交换 但有其它能量交换 如功 孤立系 热力系与外界无任何能量和物质交换 简单可压缩系 由可压缩的流体构成 与外界只有容积变化功交换 热源 冷源 能为热力系提供无限热能 冷量 而自身温度不会发生变化 高温热源 低温热源 单元系 均相系 多元系 均匀系 非均匀系 复相系等 工质 用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质 1 2热力系的状态及状态参数 热力系的状态 热力系在某一瞬间呈现的宏观物理状况 平衡状态 在没有外界影响条件下 系统各部分长时间内不发生任何变化的状态 状态参数 用于描述系统平衡状态的物理量 状态参数可分为两类 尺度量 广延量 与系统所包含的物质量有关的量称为尺度量 强度量 与所含物质量无关 热力系中任一点都具有相同的数 1 3 基本状态参数 常用的状态参数 压力p 比容v 温度 内能U 焓 熵 基本的热力学参数 比容v 压力p 温度 比容比容是单位质量的物质所占有的容积 若m kg 物质占有的容积为 m3 则比容为 密度是单位容积内所含物质的量 压力p a 压力是指单位面积上所承受的垂直作用力 p F A N m2 常用单位有 kPa Mpa mmHg atm 托通常用压力表或真空表测量流体压力 绝对压力 p 物质的真实压力 大气压力 pb 大气环境的真实压力 表压力 pg 压力表上读到的压力 真空度 pv 真空计上的读数 表压力与真空度均是环境压力与绝对压力的差 所以当p pb时 p pg pb当p pb时 p pb pv 温度 温度是物体冷热程度的标志温度概念的建立以热力学第零定律为依据 第零定律 与 处于热平衡 与 处于热平衡 则 与 必然处于热平衡 温度是决定系统间是否处于热平衡的物理量 温度的意义 温度的热力学定义 决定一个系统是否与其它系统处于热平衡的宏观性质 处于热平衡的各系统温度相同 温度的热力学定义提供了温度测量的依据 即被测物体与温度计处于热平衡时 就可以从温度计的读数确定被测物体的温度值 温度测量和温度计 温度计测温原理 当一个物体的温度改变时 物体的其它性质也将随之发生变化 可根据这些变化性质中的某些参数测量物体的温度 指明温度的数值 温度与热力学第零定律 温标 为了给温度的测量赋予一定数值 必须科学地建立起一套规则 把不同的温度指定不同的数值 这就是所谓的温标 华氏温标 盐水混合物的冰点温度为零度 人体温度为96度 则冰点与蒸气点分别为32度和212度 按照水银温度计的长度等分 摄氏温标 将1个标准大气压下水的冰点和蒸气点之间的温度等分为100度 并以冰点作为零点 温度与热力学第零定律 经验温标的问题 什么叫做均分 使用不同的物质作为测温的工质得到不同的结果 热力学温标 从热力学第二定律出发得到的绝对温标 与任何工质无关 是一种理论温标 温度与热力学第零定律 热力学温标 热力学温标与其它温标 温度与热力学第零定律 热力学温标只需要定义一个温度的量值 其它温度值就全部确定了 1854年 开尔文提议将水的三相点温度定义为273 16K 1954年第十届国际计量大会正式采纳 利用某些气体在低压下 压力或容积随温度的变化是确定温标的最佳选择 理想气体温标其定义与热力学温标一致 是其一级近似 不过是一种经验温标 定容式温度计的测量原理 温度与热力学第零定律 理想气体温标 理想气体温标应用 温度与热力学第零定律 气体A 理想气体温标的气体温度计虽与采用的某种气体种类无关 但温度读数必须校正到理想气体状态时读数 这种测量和修正都是极为精确和繁复的工作 只有极少数实验室有此条件 因此 目前气体温度计仅作为一级标准温度计 实用的二级温度计采用国际实用温标 它所得出的温度偏离热力学温标极小 广泛用于校核科研或工业用温度计 温度与热力学第零定律 我们身边的温度 1 4平衡状态1 4 1平衡状态一个热力系统 如果在不受外界影响的条件下 系统的状态能够始终保持不变 则系统的这种状态称为平衡状态 平衡状态是研究热现象时为简化物体状态随时间变化的复杂性而引用的基本概念 热力学中的平衡是指物系的宏观状态而言 由于组成物系的粒子总在永恒不息的运动中 其微观状态 是不能不变的 如平衡态物系的温度不随时间变化 是指分子的平均移动动能为恒值 平衡和均匀处于平衡状态物系的状态不随时间改变 平衡和时间的概念联系在一起 均匀则指物系内部空间各点的状态参数均匀一致 均匀是相对空间而言的 不平衡系一般是不均匀系 但处于平衡态的物系未必一定是均匀的 处于重力场中的气体或液体平衡时上部和下部的密度不同 不能称为均匀系 但若所研究物系的高度有限 重力场对气体密度的影响甚微 可以忽略不计 从而把处于平衡状态的单相物系看作均匀系 汽液两相平衡的物系 即使略去重力场的影响 两相的密度相差甚大 此时 物系虽处于复相平衡状态 但不能看作均匀系了 1 4 2局部平衡假设平衡状态下 由于势差消失 所以无论是热量的传递还是其他能量的传递的速率均趋于零 为了描述实际有限势差作用过程 常引用局部平衡假设 局部平衡假设是把处在不平衡状态的体系 分割成许多小部分 这些宏观上 小 的部分 在微观上仍包含有大量的粒子 假设每小部分各自近似地处于平衡状态 这样 每一子体系 就可用状态参数来描述 对于像热力学能 熵等这样的广延参数 将各部分的数值相加 即可得整个体系的值 温度和压力这类强度参数 可以看作连续分布 形成所谓的 场 的概念 温度场就是物体中温度随时间和空间坐标的分布稳态温度场 1 5平衡的判据热平衡力平衡相平衡化学平衡 1 5 1平衡判据在没有外界影响的条件下 一个系统是否平衡 完全由其本身的状态确定 所以可以用系统的某种状态函数作为平衡的判据 平衡判据应随系统的约束条件而异 在导出平衡判据时应注意 系统可能发生化学反应或相变 一个总质量恒定的化学系统在达到化学平衡前各组分的质量并非恒量 因而系统的热力学能 焓及体积等性质也随各组分质量变化而变化 孤立系孤立系熵增原理孤立系自发变化的方向 dsiso 0 和实现平衡的条件 dsiso 0 约束条件 E 常数 对于只有体积变化功一种模式的功交换的简单可压缩系统和外界没有功交换 系统的体积不应改变无热交换 系统的热力学能也不变 非孤立系统简单可压缩系统 与系统进行热量交换的外界热源温度 包括膨胀功在内的系统对外作功的总和 若系统变化过程中温度T为常数 考虑到系统与外热源保持热平衡 则二者温度相等T Tr A 亥姆霍兹函数 Helmholtzfunction V 常数定温定容系统过程进行的方向是dAT V 0 实现平衡的条件为dAT V 0 如约束条件为T 常数及p 常数定温定压系统可用自由焓变化指出过程的方向 dGT p 0 及平衡的条件 dGT p 0 自由焓 又称吉布斯函数 Gibbsfunction 一个由r种物质组成的化学系统 它的自由焓函数 因化学不平衡而产生的G的变化 1 4 2稳定平衡判据孤立系统 判别是平衡或是非平衡 用以确定平衡是否稳定 难以观察到的平衡态 不稳定平衡稳定平衡稳定与亚稳定平衡纯质饱和状态的饱和蒸汽和饱和液体属稳定平衡态 但是温度高于饱和温度的液体 过热液 和低于饱和温度的蒸汽 过冷蒸汽 只有在实验中方可观察到 如有凝结核心形成 过冷蒸汽会迅速消失而成饱和液体 过热液和过冷蒸汽都是亚稳定平衡态 第一章基本概念 定温定容系统定温定压系统 1 4 状态方程 两个相互独立的状态参数可以确定系统平衡态 三个基本状态参数之间的关系 称为状态方程 常见的状态方程有 理想气体方程 范德瓦尔斯方程 平衡状态下 可用二维平面坐标图描述系统状态 热力过程 功和热量2 1 热力过程要实现热能与机械能的相互转化 必须通过工质的状态变化才能实现 准平衡态 由此引进准平衡态的概念 准静态就是无限接近于平衡态的状态 考查一个渐变的过程 可逆过程 如果系统完成某一热力过程后 再沿原路经逆向返回 能使系统和外界都恢复原来状态而不留下任何变化的过程 要包括系统及外界都不发生任何变化 特征 可逆过程必然是准平衡过程 可逆过程不应有摩擦 电阻 磁阻等耗散效应存在 可逆过程是理想过程 充要条件 只有准平衡且无任何耗散效应的过程才是可逆过程 实际过程都是不可逆的 2 2 功和热量 功 在力的作用下 通过宏观有序运动而传递的能量 在传递中才有意义 一旦越过边界 就成为外界的能量 是过程量 与初终态有关 还与过程有关 系统对外做功为正 外界对系统做功为负 功的单位 焦耳 功率单位 瓦特 热力系通常是通过容积变化来实现功的传递的 称容积变化功 在准静态可逆过程时 对外做功由系统内部参数决定的 不用考虑外界因素 在p 图上表示 线下的面积即为功 所以p 图叫示功图 热量 是在温差作用下 通过微观粒子无序运动传递的能量 热量是过程量 系统吸热取正号 放热取负号 热量为 热容与其变化温差的乘积 2 3