工程热力学第一章基本概念及定义

工程热力学的定义和研究对象工程热力学是一门研究能量转换和传递规律的学科。它探讨各种能量形式之间的相互转换,以及如何利用和控制这些转换过程。工程热力学在工程实践中有广泛应用,为优化设备性能和提高能源利用效率提供重要理论依据。byJerryTurnersnull热力学第一定律热力学第一定律表述了能量转换的基本原理。它指出,能量既不能被创造出来,也不能被破坏,只能从一种形式转变为另一种形式。第一定律还规定了热量和功之间的转换关系,即热量的一部分可以转化为功,反之亦然。这为热功转换机械提供了理论基础。第一定律还阐明了封闭系统的内能随热量和功的变化关系。它为分析和预测热量和功的交换提供了有力依据。热力学第二定律热力学第二定律阐述了自发过程的方向性原理。它指出,自发过程总是从无序到有序,从低温到高温发展。这是热量在自然界中的传播规律。第二定律给出了热机效率的理论上限,即卡诺效率。它为设计高效热机提供依据,也是分析各种热量转换过程效率的标准。第二定律引入了熵的概念,揭示了熵增加是一切不可逆过程的特征。熵的增加反映了系统无序度的增大,也表示了能量利用效率的降低。热力学温度和热力学温标热力学温度是描述系统热状态的基本参数。它反映了系统内部粒子的热运动强度,是一种绝对温度。热力学温度有多种测量方法,如气体热膨胀、辐射测温等,由此建立了不同的温标。常用的热力学温标有摄氏温标、华氏温标和开尔文温标。它们分别以冰点、沸水点和绝对零点为参考,通过不同的温度刻度划分来表示热状态。不同温标间可以进行换算,为工程应用提供了统一的温度表述方式。理想气体状态方程理想气体状态方程是描述理想气体压力、体积、温度三者关系的基本方程。它采用普适的数学形式来表达气体分子的热运动特性,为分析和计算气体工艺过程提供了依据。理想气体的内能和焓内能是描述理想气体分子热运动能量的重要参数。它与气体温度成正比,体现了分子热激振动和平动的总能量。内能的变化与热量和功的转换过程密切相关,是分析热力学第一定律的基础。焓则是内能加上压力功的总量。它同样反映了气体的热力学状态,在相变、化学反应等过程中起着关键作用。内能和焓是描述理想气体热力学特性的两大核心概念。理想气体的定容过程1体积恒定在定容过程中,气体的体积保持不变,不会发生膨胀或收缩。这是定容过程的关键特征。2压力变化由于温度变化,气体压力会随之发生变化。压力与温度成正比,气体温度升高时压力也会升高。3内能变化在定容过程中,气体内能的变化完全由温度变化决定。内能与温度成正比,温度越高内能越大。理想气体的定压过程1压力恒定在定压过程中,气体压力保持不变,不会发生升高或降低。这是定压过程的核心特征。2体积变化由于温度变化,气体体积会随之发生变化。温度升高时体积增大,温度降低时体积减小。3内能和焓变化在定压过程中,气体内能和焓的变化均由温度变化决定。内能和焓与温度成正比。理想气体的等温过程压力和体积成反比在等温过程中,理想气体的压力和体积成反比。当温度保持不变时,如果压力增加,则体积会相应减小。内能不变由于温度不变,理想气体的内能在等温过程中保持恒定。内能只与温度有关,不受压力和体积的影响。热量转化为功在等温膨胀过程中,吸收的热量全部转化为功。这一特点使等温过程在热机设计中广泛应用。等温线图示在状态图上,等温过程表现为压力-体积平面上的等边双曲线。这些曲线反映了压力和体积的变化规律。理想气体的绝热过程压力和体积变化在绝热过程中,理想气体的压力和体积成幂律关系变化。压力随体积的减小而急剧上升，反之亦然。这种变化曲线呈抛物线形状。温度变化由于没有热量交换,理想气体的温度随压力和体积的变化而发生变化。温度变化与压力和体积的变化趋势一致。内能和焓变化在绝热过程中，理想气体的内能和焓都会发生变化。它们与温度成正比，随着温度的升高而增大。绝热过程图示在状态图上，绝热过程表现为压力-体积平面上的等熵线。这些曲线反映了理想气体在无热量交换下的状态变化。理想气体的等熵过程1压力和体积变化压力与体积成幂律关系变化2温度变化温度随压力和体积变化3内能和焓变化内能和焓与温度成正比在理想气体的等熵过程中,由于没有热量交换,压力和体积呈现幂律关系变化。压力随体积的减小而急剧上升,反之亦然。温度也随之变化,与压力和体积的变化趋势一致。此外,内能和焓也会随温度的升高而增大。这些变化特点在状态图上表现为等熵线。混合气体的状态参数成分比反映了各组分气体在混合气体中所占的比例。可以用体积分数、质量分数或摩尔分数等表示。总压力混合气体的总压力等于各组分气体分压之和。符合Dalton定律。平均摩尔质量混合气体的平均摩尔质量由各组分气体的摩尔质量及其成分比加权计算得出。平均比热容混合气体的平均比热容同样由各组分气体的比热容及其成分比加权计算。混合气体的热力学性质1部分压力混合气体中每种组分气体的部分压力等于其总压力乘以成分比。2部分摩尔体积每种组分气体在混合气体中的部分摩尔体积等于混合气体总摩尔体积乘以该气体的摩尔分数。3混合焓变化混合气体的焓变化等于各组分气体焓变化的加权和。4混合熵变化混合气体的熵变化包括理想混合熵增加和各组分气体熵变化。蒸汽的状态参数和热力学性质饱和压力饱和蒸汽压力是蒸汽在给定温度下达到饱和状态时的压力。它是蒸汽重要的状态量之一,可用于确定蒸汽的其他热力学性质。比体积饱和蒸汽的比体积是指单位质量蒸汽所占据的体积。它受温度、压力等因素影响,是热力循环分析的关键参数。比焓蒸汽的比焓反映了其内部能量。它包括感热部分和汽化潜热部分,是判断蒸汽热量特性的重要指标。比熵蒸汽的比熵描述了其无序程度。它与温度和压力有关,在分析蒸汽热力循环时起重要作用。蒸汽压力和饱和温度的关系饱和温度蒸汽在特定压力下达到饱和状态时的温度称为饱和温度。饱和温度随压力的变化而变化。饱和蒸汽压力蒸汽在特定温度下达到饱和状态时的压力称为饱和蒸汽压力。这两个量是相互对应的。对应关系相同的温度和压力条件下，饱和温度和饱和蒸汽压力是唯一对应的。可以通过参考表格或曲线图查找。蒸汽过热度和湿度过热度蒸汽过热度指蒸汽温度高于该压力下饱和温度的差值。过热度反映了蒸汽的热量性能。湿度湿度是指蒸汽中水汽含量的多少。湿度可以用饱和度来表示,表示实际蒸汽压力占饱和蒸汽压力的比例。湿度测量湿度通常用湿球温度和干球温度的差值来表示。利用这种测量方法可确定蒸汽的实际湿度。湿空气的