第三章 热学与能源工程

第三章热学与能源工程第一节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40～50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：能量守恒与转化定律Wheneverheatisaddedtoasystem,ittransformstoanequalamountofsomeotherformofenergy.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热力学物理基础§2.1热学物理概念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子间相互作用的势能的总和外界----系统状态的单值函数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加热方法搅拌器热功当量§2.2热力学第一定律一、热力学第一定律对微小的状态变化过程

讨论：正负号意义(2)△E:

“＋”表示系统内能增加(3)A:

“＋”表示系统对外作功(1)

Q:

“＋”表示系统吸收热量

“－”表示系统放热

“－”表示系统内能减少

“－”表示外界对系统作功第一永动机不可能§2.3气体状态方程与等值过程一、气体状态方程玻意尔定律一定查理定律一定盖-吕萨克定律一定理想气体状态方程理想气体质量理想气体摩尔质量特点：二、等容过程(V=常数)等容吸热过程

三、等温过程(T=常数)特点：或等温膨胀过程理想气体系统三、等压过程(P=常数)等压膨胀过程摩尔热容：1mol物质，温度升高(或降低)1K所吸收(或放出)的热量比热c：单位质量物质，温度升高(或降低)1K所吸收(或放出)的热量定容摩尔热容定压摩尔热容四、绝热过程：系统与外界无热量交换的变化过程dQ=01、绝热过程的特点(1)绝热膨胀而对外做正功过程的同时降温降压(2)绝热压缩而对外做负功过程的同时升温升压由有即2、绝热过程方程比热容比A绝热线等温线VpO550C0过热器锅炉给水泵冷凝器冷却水气轮机发电机QQ12A发电厂蒸汽动力循环示意图AQQ12高温热源低温热源热机工作示意图20C0§2.4循环过程卡诺循环一.

循环过程如果循环是准静态过程，在P–V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，又回到了原状态，就称系统经历了一个循环过程。系统（工质）对外所作的净功1.循环VpOⅡⅠ··2.正循环、逆循环正循环(循环沿顺时针方向进行)逆循环(循环沿逆时针方向进行)（系统对外作功）ⅠⅡQ1Q2abVpO根据热力学第一定律，有（系统对外作负功）正循环也称为热机循环逆循环也称为致冷循环··ⅠⅡQ1Q2abVpO····3.循环效率在热机循环中，工质对外所作的功A与它吸收的热量Q1的比值，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Q2与外界对工质作所的功A的比值，称为循环的致冷系数

二、卡诺循环两个等温过程和两个绝热过程组成的循环ab：等温过程bc：绝热过程cd：等温过程da：绝热过程----一种理想模型1.卡诺热机的效率ab：从高温热源T1吸热Q1热量交换：cd：向低温热源T2放热Q2(绝对值)低温热源T2高温热源T1效率：由绝热过程方程有：2.卡诺制冷机的制冷系数致冷系数：从低温热源吸收的热量Q2与外界作的功A之比，即对卡诺致冷机：高温热源T1低温热源T21.在温度分别为T1与T2的两个给定热源之间工作的一切可逆热机，其效率相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的效率，即三.卡诺定理2.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。

说明

(1)要尽可能地减少热机循环的不可逆性，（减少摩擦、漏气、散热等耗散因素）以提高热机效率。(2)卡诺定理给出了热机效率的极限。定义：若一个过程可以反向进行并返回到原状态，且系统和外界都不发生变化，则该过程称为可逆过程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调节，设月球白昼温度为1000C，而夜间温度为1000C，起居室温度要保持在200C，通过起居室墙壁导热的速率为每度温差0.5kW，白昼和夜间给卡诺机所供的功率解例求在白昼欲保持室内温度低，卡诺机工作于致冷机状态，从室内吸取热量Q2

，放入室外热量Q1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Q1，放入室内热量Q2每秒钟放入室内的热量为通过起居室墙壁导进的热量，即解得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，这即是所谓的冷暖双制空调。一、可逆过程和不可逆过程1、定义：若一个过程可以反向进行并返回到原状态，且系统和外界都不发生变化，则该过程称为可逆过程§2.5热力学第二定律2、自然现象的不可逆性落叶永离，覆水难收生米煮成熟饭逝者如斯(1).功热转换是不可逆的功可以自动地转变为热，热不能自动地转变为功(2).热传导是不可逆的热量从高温物体传向低温物体的过程是不可逆的(3).气体自由膨胀是不可逆的(4).生命过程是不可逆的一切实际过程都是不可逆过程3、可逆过程的实现不可逆缘由功热转换：存在摩擦耗散热传导：热学不平衡气体自由膨胀：力学不平衡生命过程：复杂的不平衡过程无摩擦的准静态过程是可逆的二、热力学第二定律问题:能否制造效率等于100%的热机?1、开尔文说法

(1851年)不可能从单一热源吸取热量，使它完全变为有用功而不引起其他变化或第二类永动机是不可能造成的

第二类永动机：从单一热源吸热并将其全部用来作功，而不放出热量给其它物体的机器(η=100%)高温热源T1低温热源T2讨论:(1)将热量全部变为功是可能的。如等温膨胀时有Q=A，但这一定要引起其他的变化，如体积增大(2)使其回到初始状态的循环过程则要放热(3)开尔文说法反映了功热转换的不可逆性热量不能自动地从低温物体传向高温物体低温热源T2高温热源T12、克劳修斯说法(1850年)讨论:(1)热量从低温物体传向高温物体是可能的，如制冷机，但不是自动的(2)克劳修斯说法反映了热传导过程的不可逆性讨论：热力学第一定律说明了任何过程中能量守恒热力学第二定律说明了并非任何能量守恒过程都能实现，即变化过程有方向性1.在温度分别为T1与T2的两个给定热源之间工作的一切可逆热机，其效率相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的效率，即由热力学第二定律可以证明卡诺定理

2.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。

说明

(1)要尽可能地减少热机循环的不可逆性，（减少摩擦、漏气、散热等耗散因素）以提高热机效率。(2)卡诺定理给出了热机效率的极限。三、熵熵流1、可逆循环过程2、不可逆循环过程令——熵变可逆过程不可逆过程绝热系统熵流3、熵的微观解释讨论三个分子情况：AB宏观态与微观态A3B0abc01AB宏观态微观态宏观态包含的微观态数A2B1abacbccba3A1B2abcbaccab3A0B30abc1由上表知：3个分子同时退回到A室的可能性存在的，其概率为1/23。相应的计算可以证明：N个分子共有2N种分布，全部退回A室的概率为1/2N，N很大时此概率小到实际上是不可能实现。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态向包含微观状态数目多的宏观状态进行的。与之相反的过程，没有外界的影响是不可能实现的。4、玻耳兹曼关系：若用W表示系统（宏观）状态所包含的微观状态数，并理解为（宏观）状态出现的概率-----热力学概率，则有S=klnW

（k为玻耳兹曼常量）

熵反映了系统所处状态的热力学概率：W越大，S就越大。

W小有序分布程度高，W大无序（混乱度）变大。5、熵增加原理：

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，系统的熵只有在可逆过程中才是不变的。四、“热寂论”问题1、“热寂论”：1865年，克劳修斯：（1）、宇宙的能量是个常数；（2）、宇宙的熵趋于极大。“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，这时宇宙就会进