第三章 热学与能源工程

1、第三章第三章 热学与能源工程热学与能源工程第一节第一节 热学发展简史热学发展简史火的利用热现象400年历史1611年第一个温度记(圣克多利斯)1632,1644年液体温度记(水,酒精,水银)“温标”选择不同的物质作为参考点,再刻度定出温标热力学温标273.15tT水的三相点温度：273.16K对热学贡献有很多科学家热是运动?热是物质?热的本质:19世纪4050年代能量守恒和转换定律伽利略理想实验能量守恒定律工业革命促使和促进了能量守恒和转换的研究。迈耶的贡献 第一个发表能量守恒与转换定律的人。焦耳的贡献热功当量的测定亥姆霍兹的贡献热功当量波的叠加电容器位能亥姆霍兹热力学的形成热力学第一定律：能

2、量守恒与转化定律Whenever heat is added to a system, it transforms to an equal amount of some other form of energy.能量既不能创生，也不能被消灭，能量只能从一个物体转移到另外一个物体。卡诺凡是有温差的地方就有可能产生动力。反之，凡是消耗动力的地方，就有可能产生温差。卡诺循环热力学理论的创立克劳休斯汤姆逊兰金功和能概念提出熵概念的提出表征运动丧失转化能力的程度表征运动转化能力的大小第二节第二节 热力学物理基础热力学物理基础热力学系统做功热传递内能热力学系统在一定状态下具有一定的能量分子热运动的动能与分

3、子间相互作用的势能的总和)()(VETEEpk),(VTE系统准静态过程是实际过程的抽象准静态过程：系统所经历的中间状态都无限接近于平衡状态的变化过程高温物体高温物体热功当量焦耳卡 186. 41AEEQ12AE dAdEdQ “”表示系统对外作功表示系统对外作功表示外界对系统作功表示外界对系统作功AEQ第一永动机不可能一、气体状态方程玻意尔定律1KPV T一定查理定律TKV2P一定盖-吕萨克定律TKP3V一定TPVTVP000KRMTPVM0dVpdVdA 0A12EEQ0等容吸热过程等容吸热过程ABpVO0Q0dT0dE0EAQ 21VVdVVRTM12lnVVRTM或或21lnppRTM

4、Q21VVpdVABpVO等温膨胀过程等温膨胀过程0QRTMpV( , )EE T V( )EE T理想气体系统2112VVdVpEEQ)(1212VVpEEpVOAB等压膨胀过程等压膨胀过程0QRTMpV)(1212TTRMEEdTdQC CdTdQCVVdTdQCPP(2)绝热压缩绝热压缩过程的同时过程的同时升温升升温升压压0AEEA)(12TTCMVV/pCC比热容比比热容比 1CpV21CTV31CTpA绝热线绝热线等温线等温线VpO1550C0过过热热器器锅锅炉炉给水泵给水泵冷凝器冷凝器冷冷却却水水气气轮轮机机发电机发电机Q QQ Q12A发电厂蒸汽动力循环示意图发电厂蒸汽动力循环示

5、意图AQ QQ Q12高温热源高温热源低温热源低温热源热机工作示意图热机工作示意图20C02.4 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环一一. . 循环过程循环过程如果如果循环循环是是准静态过程，在准静态过程，在PV 图上就构成一闭合曲线图上就构成一闭合曲线如果物质系统的状态经历一系列的变化后，又回到了原状如果物质系统的状态经历一系列的变化后，又回到了原状态，就称系统经历了一个循环过程。态，就称系统经历了一个循环过程。0E闭合曲线包围的面积AAd系统（工质）对外所作的系统（工质）对外所作的净功净功1. 循环循环VpO021AAA21QQA2. 正循环、逆循环正循环、逆循环 正循环正循环(循环循环沿

6、顺时针方向进行沿顺时针方向进行)逆循环逆循环(循环沿循环沿逆时针逆时针方向进行方向进行)（系统对外作功系统对外作功）21QAQQ1Q2abVpO根据热力学第一定律，有根据热力学第一定律，有021AAA（系统对外作负功系统对外作负功）正循环也称为热机循环正循环也称为热机循环逆循环也称为致冷循环逆循环也称为致冷循环Q1Q2abVpO3. 循环效率循环效率1212111QQQQQQA在热机循环中，工质对外所作的功在热机循环中，工质对外所作的功A 与它吸收的热量与它吸收的热量Q1的的比值，称为热机效率或循环效率比值，称为热机效率或循环效率 一个循环中工质从冷库中吸取的热量一个循环中工质从冷库中吸取的热

7、量Q2与外界对工质作所与外界对工质作所的功的功A 的比值，称为循环的致冷系数的比值，称为循环的致冷系数2122QQQAQw 2T1TabcdpVO1. 卡诺热机的效率卡诺热机的效率abVVRTMQln111Q1Tabcd2TpVOdcVVRTMQln222Q1Q2Q21QQA121QQcabdcVVTVVTlnln112abVVRTMQln11dcVVRTMQln22dcabVVVV121TTcabdccVVTVVT/ln/ln1121T2QabcdpVO1Q2T1211cbVTVT1211daVTVTabdccVVTVVT/ln/ln1122T1TabcdpVO2. 卡诺制冷机的制冷系数卡诺

8、制冷机的制冷系数AQw2212TTTwc212QQQ1Q2Q21QQA1. 在温度分别为在温度分别为T1 与与T2 的两个给定热源之间工作的一切可的两个给定热源之间工作的一切可 逆热机，其效率逆热机，其效率 相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的 效率，即效率，即三三. 卡卡诺定理诺定理 121211TTQQ2. 在相同的高、低温热源之间工作的一切不可逆热机，其在相同的高、低温热源之间工作的一切不可逆热机，其 效率都不可能大于可逆热机的效率。效率都不可能大于可逆热机的效率。 说明说明 (1) 要尽可能地要尽可能地减少热机循环的不可逆性，（减少摩擦、减少热机循环的不

9、可逆性，（减少摩擦、 漏气、散热等耗散因素漏气、散热等耗散因素 ）以提高热机效率。）以提高热机效率。(2) 卡诺定理给出了热机效率的卡诺定理给出了热机效率的极限。极限。 地球上的人要在月球上居住，首要问题就是保持他们的起地球上的人要在月球上居住，首要问题就是保持他们的起居室处于一个舒适的温度，现考虑用卡诺循环机来作温度居室处于一个舒适的温度，现考虑用卡诺循环机来作温度调节，设月球白昼温度为调节，设月球白昼温度为1000C，而夜间温度为，而夜间温度为 1000C， 起居室温度要保持在起居室温度要保持在200C，通过起居室墙壁导热的速率为，通过起居室墙壁导热的速率为每度温差每度温差0.5kW，白昼

10、和夜间给卡诺机所供的功率白昼和夜间给卡诺机所供的功率解解例例求求在白昼欲保持室内温度低，卡诺机工作于致冷机状态，从室在白昼欲保持室内温度低，卡诺机工作于致冷机状态，从室内吸取热量内吸取热量Q2 ， 放入室外热量放入室外热量Q12122TTTAQw22122TTTQwQA则则每秒钟从室内取走的热量为通过起居室墙壁导进的热量，即每秒钟从室内取走的热量为通过起居室墙壁导进的热量，即)(122TTCQW109 .103222122122TTTCTTTQwQA在黑夜欲保持室内温度高，卡诺机工作于致冷机状态，从室在黑夜欲保持室内温度高，卡诺机工作于致冷机状态，从室外吸取热量外吸取热量Q1， 放入室内热量放

11、入室内热量Q21211TTTAQw1211TTTAQ)(1212TTCAQQ每秒钟放入室内的热量为通过起居室墙壁导进的热量，即每秒钟放入室内的热量为通过起居室墙壁导进的热量，即ATTTAATTT122121W106 .24)(32212TTTCA解得解得说明说明此种用可逆循环原理制作的空调装置既可加热，又可降温，这此种用可逆循环原理制作的空调装置既可加热，又可降温，这即是所谓的冷暖双制空调。即是所谓的冷暖双制空调。高温热源高温热源T1低温热源低温热源T21QA低温热源低温热源T2高温热源高温热源T12Q1Q1. 在温度分别为在温度分别为T1 与与T2 的两个给定热源之间工作的一切可的两个给定热

12、源之间工作的一切可 逆热机，其效率逆热机，其效率 相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的 效率，即效率，即由热力学第二定律可以证明由热力学第二定律可以证明卡卡诺定理诺定理 121211TTQQ2. 在相同的高、低温热源之间工作的一切不可逆热机，其在相同的高、低温热源之间工作的一切不可逆热机，其 效率都不可能大于可逆热机的效率。效率都不可能大于可逆热机的效率。 说明说明 (1) 要尽可能地要尽可能地减少热机循环的不可逆性，（减少摩擦、减少热机循环的不可逆性，（减少摩擦、 漏气、散热等耗散因素漏气、散热等耗散因素 ）以提高热机效率。）以提高热机效率。(2) 卡诺定理给

13、出了热机效率的卡诺定理给出了热机效率的极限。极限。 221111QTQT 三、熵 熵流121211QQTT01122TQTQniiiTQ10 0TdQ1、可逆循环过程 0TdQ2、不可逆循环过程 0TdQ令abbaSSTdQabSSS熵变acbabTdQSS可逆过程0S0S不可逆过程绝热系统熵流21TQTQ3、熵的微观解释讨论三个分子情况：讨论三个分子情况：AB宏观态与微观态宏观态与微观态A3B0abc01AB宏观态宏观态微观态微观态宏观态包含宏观态包含的微观态数的微观态数A2B1ab ac bcc ba3A1B2abcbaccab3A0B30abc1由上表知：由上表知：3个分子同时退回到个分

14、子同时退回到A室的室的可能性存在的，其概率为可能性存在的，其概率为1 /23。相应。相应的计算可以证明：的计算可以证明：N个分子共有个分子共有2N种种分布分布 ，全部退回，全部退回 A室的概率为室的概率为 1/2N，N很大时此概率小到实际上是不可能很大时此概率小到实际上是不可能实现。实现。自由膨胀不可逆性实质上反映了：自由膨胀不可逆性实质上反映了：系统内部发生的过程总是由概率小的系统内部发生的过程总是由概率小的宏观状态向概率大的宏观状态进行，宏观状态向概率大的宏观状态进行，亦即由包含微观状态数目少的宏观状亦即由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态态向包含微观状态数目多的宏

15、观状态进行的。进行的。与之相反的过程，没有外界与之相反的过程，没有外界的影响是不可能实现的。的影响是不可能实现的。4、玻耳兹曼关系：、玻耳兹曼关系：若用若用W表示系统（宏观）状态所包含表示系统（宏观）状态所包含的微观状态数，并理解为（宏观）状的微观状态数，并理解为（宏观）状态出现的概率态出现的概率-热力学概率，则有热力学概率，则有S = k lnW （k为玻耳兹曼常量）为玻耳兹曼常量） 熵反映了系统所处状态的热力学概熵反映了系统所处状态的热力学概率：率：W越大，越大，S就越大。就越大。 W小有序分布程度高，小有序分布程度高，W大无序大无序（混乱度）变大。（混乱度）变大。5、熵增加原理：、熵增加

16、原理： 在封闭系统中发生的任何不可逆过在封闭系统中发生的任何不可逆过程，都导致了整个系统的熵的增加，程，都导致了整个系统的熵的增加，系统的熵只有在可逆过程中才是不变系统的熵只有在可逆过程中才是不变的。的。四、四、“热寂论热寂论”问题问题1、“热寂论热寂论”：1865年，克劳修斯：年，克劳修斯：（1）、宇宙的能量是个常数；）、宇宙的能量是个常数；（2）、宇宙的熵趋于极大。）、宇宙的熵趋于极大。“宇宙越是接近这个熵是极大的极限宇宙越是接近这个熵是极大的极限状态，进一步变化的能力就越小，如状态，进一步变化的能力就越小，如果最后完全达到了这个状态，那就任果最后完全达到了这个状态，那就任何进一步的变化都不会发生了，这时何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态宇宙就会进入一个死寂的永恒状态”。 2、如何看待、如何看待“热寂论热寂论”：(1)、非平衡态的熵趋非平衡态的熵趋 近于极大是对近于极大是对孤立系统而言的，宇宙不是这样的孤立系统而言的，宇宙不