高等工程热力学第1章第1节

1、 人类很早就对热有所认识，并加以应用 。但是将热力学当成一门科学且有定量的研究，则是由17世纪末开始的，也就是在温度计制造的技术成熟以后，才真正开启了对热力学的研究。 热力学发展史，基本上就是热力学与统计力学的发展史，约可分成四个阶段：0.1 热力学发展简史热力学发展简史 此時期累积了大量的实验与观察的结果，并制造出蒸气机，对于“热 (热的本质)”展开研究与 讨论 为热力学的理论建立作好了准备。 在19世纪前半叶, 首先出现了卡诺理论 ， 热机理论(第二定律的前身)和功热互换的原理 (第一定律的基础 )。这一阶段的热力学还留在描述热力学的现象上，并未引进任何的数学算式。 第二个阶段：第二个阶段

2、：19世纪中到世纪中到19世纪世纪70年代末年代末第三个阶段：第三个阶段：19世纪世纪70年末到年末到20世纪初世纪初第四个阶段：第四个阶段：20世纪世纪30年代到今年代到今 法国青年工程师 、热力学的创始人之一，是第一个把热和动力联系起来的人。 他出色地、创造性地用 “理想实验” 的思维方法，提出了最简单 但有重要理论意义的热机循环卡诺循环，并假定该 循环在准静态条件下是可逆的，与工质无关， 创造了一部理想的热机（卡诺热机）。卡诺 的目标是揭示热产生动力的真正的、独立的过程和普遍的规律。 1824年卡诺提出了对热机设计具有普遍指导意义的卡诺定理，指出提高热机效率的有效途径，被后人认为是热力学

3、第二定律的先驱 。 推动热力学发展的几个科学家推动热力学发展的几个科学家 萨迪萨迪.卡诺卡诺 (Sadi Carnot) (1796 1832) 克劳修斯克劳修斯 R.JE.Clausius（18221888） 德国物理学家。 1822年1月2日生于普鲁士的克斯林 (今波兰科沙林 ) 。曾就学于柏林大学。 他是气体动理论和热力学的主要奠基人之一， 是历史上第一个精确表示热力学定律的科学家。 提出了热力学第二定律的最著名的表述形式， 引入了一个新的热力学函数并定名为 “熵” ， 同时提出克劳修斯不等式和 “熵增原理” 。 吉布斯吉布斯 Josiah Willar Gibbs （1839 1903

4、 ） 美国物理化学家，1839年2月11日生于康涅狄格州的纽黑文。 父亲是耶鲁学院教授。 他引进热力学势来处理热力学问题， 并创立了近代物理学的统计理论及其研究方法。 曾获得伦敦皇家学会的科普勒奖章。 亥姆霍兹亥姆霍兹 Hermann von Helmholtz （1821 1894） 德国物理学家、生理学家。1821年10月31日生于柏林波茨坦的一个中学教师家庭 。 他明确地提出能量守恒定律 ，除物理学外 ，在生理光学和声学、数学、哲学诸方面都 作出了重大贡献。 范德瓦尔斯范德瓦尔斯 Van der Waals (1837 1923 ) 荷兰科学家，1837年6月1日，生于 莱顿 。 其主要

5、贡献是提出了一个能够 反映气液连续性的实际气体状态 ， 证明了分子体积以及分子间作用力的存在。 0.2 工程热力学复习工程热力学复习一、基本概念一、基本概念1 、工质：、工质：热能转换为机械能（或是其它能量）的中间媒介物质。2 、状态：、状态：工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力学状态。简称状态。例如：例如： 水蒸气水蒸气 ，氨等等氨等等 。分类分类 和外界只有能量交换而无物质交换。 既有能量交换又有物质交换。 热力系统和外界无热量交换。 3 、热力系统：、热力系统：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。开口系统：开口系统：绝热系统：绝热系统：闭口系统：闭口

6、系统：孤立系统：孤立系统：热力系统和外界既无能量交换，又无物质交换。4 、平衡状态（后面说明）、平衡状态（后面说明）5 、准平衡过程：、准平衡过程： 热力学系统进行能量转换的过程中，如果过程进行的相对缓慢，工质在平衡被破坏后能过自动回复平衡所需的时间（驰豫时间）很短，工质有足够的时间来回复平衡，随时都不致显著偏离平衡状态，那么，这个过程就叫准平衡过程。又叫准静态过程。6 、可逆过程：、可逆过程： 当工质经历某一热力学过程后如果有可能使工质沿相同的路径逆行而回复到原来的状态，并使相互作用中所涉及的外界也回复到原来的状态而不留下任何改变，则这个过程就叫可逆过程。 可逆过程与准平衡过程的区别可逆过程

7、与准平衡过程的区别: 1 ) 准 平衡过程 只是着眼于工质内部的平衡 ，有 无外部机械摩擦对工质内部的平衡并无关系。准平衡过程进行时可能发生能量的耗散。TQdsrev 2 ) 可逆过程 则是 分析工质和外界作用产生的总 效果，不仅要求工质内部平衡， 而且要求工质与外界的作用可以无条件的逆复，过程进行时不存在任何耗散。7 、焓：、焓： 工质所具有的热力学能和推动功的和。工质所具有的热力学能和推动功的和。 pvuh8 、熵（、熵（entropy）：）： 定义定义可逆过程的换热量可逆过程的换热量工质温度工质温度可逆过程与准平衡过程的区别可逆过程与准平衡过程的区别: 如果一个热力学系统有如果一个热力学

8、系统有自发的状态变化，我们自发的状态变化，我们就说这个系统处于不平就说这个系统处于不平衡状态中。衡状态中。 平衡状态：平衡状态：不平衡状态：不平衡状态：1、 平衡状态和不平衡状态平衡状态和不平衡状态包括多种平衡包括多种平衡化学平衡化学平衡热平衡热平衡力平衡力平衡 在工程热力学中，平衡的概念如下：在工程热力学中，平衡的概念如下： 处于热力平衡状态的系统，只要不受外界影响处于热力平衡状态的系统，只要不受外界影响,它的状态就不会随时间改变，平衡也不会自发地破它的状态就不会随时间改变，平衡也不会自发地破坏；相反地，若系统受到外界影响，则不能保持平坏；相反地，若系统受到外界影响，则不能保持平衡状态。衡状

9、态。 只有在系统内或是系统与外界之间的一切不平衡只有在系统内或是系统与外界之间的一切不平衡的作用都不存在时，系统的一切宏观变化方可以停止，的作用都不存在时，系统的一切宏观变化方可以停止，此时热力系统所处的状态才是热力平衡状态。此时热力系统所处的状态才是热力平衡状态。综合两方面：综合两方面： 电势引起的电流电势引起的电流 温差引起的热流温差引起的热流 压差引起的功传递压差引起的功传递 浓度差引起的质量流浓度差引起的质量流 共同特点：共同特点：存在各存在各种不平种不平衡趋势衡趋势举例：举例：焓焓4） 当系统处于当系统处于恒定恒定的外力场中，系统的特性值在的外力场中，系统的特性值在 不同的位置处有不

10、同值。不同的位置处有不同值。 概括以上四条，平衡状态是指在没有外界的影响下系统概括以上四条，平衡状态是指在没有外界的影响下系统的的状态状态不随时间改变。均匀指不随地点而改变。但对气相和不随时间改变。均匀指不随地点而改变。但对气相和液相系统，达到平衡时系统也是均匀的。液相系统，达到平衡时系统也是均匀的。6） 宏观的热动平衡并不意味着宏观的热动平衡并不意味着微观微观的平衡的平衡。7） 系统从不平衡状态转到平衡状态所需要的时间系统从不平衡状态转到平衡状态所需要的时间 称为称为迟豫时间迟豫时间。迟豫时间的长短主要取决于迟。迟豫时间的长短主要取决于迟 豫过程的性质。豫过程的性质。 5） 达到热动平衡的系

11、统，如果没有达到热动平衡的系统，如果没有外界作用外界作用，将，将 一直停留在这个平衡状态，没有时间的限制。一直停留在这个平衡状态，没有时间的限制。 8） 宏观平衡状态中起伏的大小与系统中的宏观平衡状态中起伏的大小与系统中的分子数分子数 有关，有关，分子数越多，起伏就越小分子数越多，起伏就越小。所以，热动。所以，热动 平衡是在平衡是在有限体积系统有限体积系统的基础上建立起来的。的基础上建立起来的。 这说明热动平衡的观点也与所取时间间隔和有这说明热动平衡的观点也与所取时间间隔和有 限体积中所包含的分子数有关。限体积中所包含的分子数有关。 刚性小球力学模拟描述稳定平衡特征：特征： 使系统脱离平衡状态

12、的原因取消后，系统使系统脱离平衡状态的原因取消后，系统自己恢到初始的平衡状态。同时，在驰豫时间自己恢到初始的平衡状态。同时，在驰豫时间系统中将发生各不平衡的系统中将发生各不平衡的 （也就是不可逆的）（也就是不可逆的）过程，这一过程在于消除机械运动，使温度和过程，这一过程在于消除机械运动，使温度和密度重新变为平衡状态。密度重新变为平衡状态。刚性小球力学模拟描述 (2) 在存在必要的条件下，转移到稳定状态。在存在必要的条件下，转移到稳定状态。典型例子：典型例子：1、过热液体、过热液体2、过冷蒸汽、过冷蒸汽 热力学系统原来是平衡的，但只要存在某种热力学系统原来是平衡的，但只要存在某种扰动就会使系统发

13、生很大的变化，则这个系统就扰动就会使系统发生很大的变化，则这个系统就是处在不稳平衡之中。是处在不稳平衡之中。刚性小球力学模拟描述不稳平衡不稳平衡与稳定平衡的与稳定平衡的不同点：不同点： 系统一离开平衡状态就不再恢复到原来的状系统一离开平衡状态就不再恢复到原来的状态，而是转移到新的稳定平衡状态。态，而是转移到新的稳定平衡状态。 如果物体在外界作用下，它的平衡状态不随时间和如果物体在外界作用下，它的平衡状态不随时间和坐标的变化而改变，这种状态叫坐标的变化而改变，这种状态叫“随迂平衡随迂平衡”。例如，。例如，当一个圆球体停在一个水平平面当一个圆球体停在一个水平平面上的时候上的时候。刚性小球力学模拟描

14、述1) 这些物体如被移置到一个新的位置时，虽然这些物体如被移置到一个新的位置时，虽然它们不能自动地恢复其原来的位置，但它们在新它们不能自动地恢复其原来的位置，但它们在新的位置上，却仍能停住不动，其重心之高度，亦的位置上，却仍能停住不动，其重心之高度，亦保持不变。保持不变。特点特点: :2) 一般说来，任何微小之运动，既不能将其重一般说来，任何微小之运动，既不能将其重心提高，心提高， 亦不能使其重心降低的物体，一定处于亦不能使其重心降低的物体，一定处于随迂平衡状态之下。随迂平衡状态之下。 至于一个实际的系统究竟是什么类型的平衡还至于一个实际的系统究竟是什么类型的平衡还取决于加在系统上的约束条件。

15、取决于加在系统上的约束条件。 因此，在划定系统的同时还要指出相应的约束因此，在划定系统的同时还要指出相应的约束条件，才能正确的讨论系统的稳性。条件，才能正确的讨论系统的稳性。2T1T1T2T（一）、（一）、 例子说明例子说明T1） 结论结论1：两个系统同时和第三个两个系统同时和第三个系统热平衡时这两个系系统热平衡时这两个系统彼此之间也必然热平统彼此之间也必然热平衡。衡。2） 结论结论2： 公设公设1指出了对于所有简单系统都存指出了对于所有简单系统都存 在在稳定平衡稳定平衡状态。状态。1、 两个公设两个公设 公设公设2指出了复杂系统应逼近一个稳定指出了复杂系统应逼近一个稳定平衡状态，平衡状态， 在这个状态下复杂系统包含的在这个状态下复杂系统包含的各各简单系统逼近一个稳定平衡状态。简单系统逼近一个稳定平衡状态。2、 极值原理极值原理: 0dS02Sd说明： 4） 最大熵只是孤立系统平衡的充分条件，而不是最大熵只是孤立系统平衡的充分条件，而不