第三章 熱學(xué)與能源工程

第三章熱學(xué)與能源工程第一節(jié)熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史火的利用熱現(xiàn)象400年歷史1611年第一個(gè)溫度記(圣克多利斯)1632,1644年液體溫度記(水,酒精,水銀)“溫標(biāo)”選擇不同的物質(zhì)作為參考點(diǎn),再刻度定出溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)水的三相點(diǎn)溫度：273.16K對(duì)熱學(xué)貢獻(xiàn)有很多科學(xué)家熱是運(yùn)動(dòng)?熱是物質(zhì)?熱的本質(zhì):19世紀(jì)40～50年代能量守恒和轉(zhuǎn)換定律伽利略理想實(shí)驗(yàn)?zāi)芰渴睾愣晒I(yè)革命促使和促進(jìn)了能量守恒和轉(zhuǎn)換的研究。邁耶的貢獻(xiàn)第一個(gè)發(fā)表能量守恒與轉(zhuǎn)換定律的人。焦耳的貢獻(xiàn)熱功當(dāng)量的測(cè)定亥姆霍茲的貢獻(xiàn)熱功當(dāng)量波的疊加電容器位能亥姆霍茲熱力學(xué)的形成熱力學(xué)第一定律：能量守恒與轉(zhuǎn)化定律Wheneverheatisaddedtoasystem,ittransformstoanequalamountofsomeotherformofenergy.能量既不能創(chuàng)生，也不能被消滅，能量只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)物體?？ㄖZ凡是有溫差的地方就有可能產(chǎn)生動(dòng)力。反之，凡是消耗動(dòng)力的地方，就有可能產(chǎn)生溫差?？ㄖZ循環(huán)熱力學(xué)理論的創(chuàng)立克勞休斯湯姆遜蘭金功和能概念提出熵概念的提出表征運(yùn)動(dòng)喪失轉(zhuǎn)化能力的程度表征運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化能力的大小第二節(jié)熱力學(xué)物理基礎(chǔ)§2.1熱學(xué)物理概念熱力學(xué)系統(tǒng)做功熱傳遞內(nèi)能熱力學(xué)系統(tǒng)在一定狀態(tài)下具有一定的能量分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與分子間相互作用的勢(shì)能的總和外界----系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)系統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)際過程的抽象準(zhǔn)靜態(tài)過程：系統(tǒng)所經(jīng)歷的中間狀態(tài)都無限接近于平衡狀態(tài)的變化過程高溫物體加熱方法攪拌器熱功當(dāng)量§2.2熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)第一定律對(duì)微小的狀態(tài)變化過程

討論：正負(fù)號(hào)意義(2)△E:

“＋”表示系統(tǒng)內(nèi)能增加(3)A:

“＋”表示系統(tǒng)對(duì)外作功(1)

Q:

“＋”表示系統(tǒng)吸收熱量

“－”表示系統(tǒng)放熱

“－”表示系統(tǒng)內(nèi)能減少

“－”表示外界對(duì)系統(tǒng)作功第一永動(dòng)機(jī)不可能§2.3氣體狀態(tài)方程與等值過程一、氣體狀態(tài)方程玻意爾定律一定查理定律一定蓋-呂薩克定律一定理想氣體狀態(tài)方程理想氣體質(zhì)量理想氣體摩爾質(zhì)量特點(diǎn)：二、等容過程(V=常數(shù))等容吸熱過程

三、等溫過程(T=常數(shù))特點(diǎn)：或等溫膨脹過程理想氣體系統(tǒng)三、等壓過程(P=常數(shù))等壓膨脹過程摩爾熱容：1mol物質(zhì)，溫度升高(或降低)1K所吸收(或放出)的熱量比熱c：?jiǎn)挝毁|(zhì)量物質(zhì)，溫度升高(或降低)1K所吸收(或放出)的熱量定容摩爾熱容定壓摩爾熱容四、絕熱過程：系統(tǒng)與外界無熱量交換的變化過程dQ=01、絕熱過程的特點(diǎn)(1)絕熱膨脹而對(duì)外做正功過程的同時(shí)降溫降壓(2)絕熱壓縮而對(duì)外做負(fù)功過程的同時(shí)升溫升壓由有即2、絕熱過程方程比熱容比A絕熱線等溫線VpO550C0過熱器鍋爐給水泵冷凝器冷卻水氣輪機(jī)發(fā)電機(jī)QQ12A發(fā)電廠蒸汽動(dòng)力循環(huán)示意圖AQQ12高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩礋釞C(jī)工作示意圖20C0§2.4循環(huán)過程卡諾循環(huán)一.

循環(huán)過程如果循環(huán)是準(zhǔn)靜態(tài)過程，在P–V圖上就構(gòu)成一閉合曲線如果物質(zhì)系統(tǒng)的狀態(tài)經(jīng)歷一系列的變化后，又回到了原狀態(tài)，就稱系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)循環(huán)過程。系統(tǒng)（工質(zhì)）對(duì)外所作的凈功1.循環(huán)VpOⅡⅠ··2.正循環(huán)、逆循環(huán)正循環(huán)(循環(huán)沿順時(shí)針方向進(jìn)行)逆循環(huán)(循環(huán)沿逆時(shí)針方向進(jìn)行)（系統(tǒng)對(duì)外作功）ⅠⅡQ1Q2abVpO根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有（系統(tǒng)對(duì)外作負(fù)功）正循環(huán)也稱為熱機(jī)循環(huán)逆循環(huán)也稱為致冷循環(huán)··ⅠⅡQ1Q2abVpO····3.循環(huán)效率在熱機(jī)循環(huán)中，工質(zhì)對(duì)外所作的功A與它吸收的熱量Q1的比值，稱為熱機(jī)效率或循環(huán)效率 一個(gè)循環(huán)中工質(zhì)從冷庫中吸取的熱量Q2與外界對(duì)工質(zhì)作所的功A的比值，稱為循環(huán)的致冷系數(shù)

二、卡諾循環(huán)兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程組成的循環(huán)ab：等溫過程bc：絕熱過程cd：等溫過程da：絕熱過程----一種理想模型1.卡諾熱機(jī)的效率ab：從高溫?zé)嵩碩1吸熱Q1熱量交換：cd：向低溫?zé)嵩碩2放熱Q2(絕對(duì)值)低溫?zé)嵩碩2高溫?zé)嵩碩1效率：由絕熱過程方程有：2.卡諾制冷機(jī)的制冷系數(shù)致冷系數(shù)：從低溫?zé)嵩次盏臒崃縌2與外界作的功A之比，即對(duì)卡諾致冷機(jī)：高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩21.在溫度分別為T1與T2的兩個(gè)給定熱源之間工作的一切可逆熱機(jī)，其效率相同，都等于理想氣體可逆卡諾熱機(jī)的效率，即三.卡諾定理2.在相同的高、低溫?zé)嵩粗g工作的一切不可逆熱機(jī)，其效率都不可能大于可逆熱機(jī)的效率。

說明

(1)要盡可能地減少熱機(jī)循環(huán)的不可逆性，（減少摩擦、漏氣、散熱等耗散因素）以提高熱機(jī)效率。(2)卡諾定理給出了熱機(jī)效率的極限。定義：若一個(gè)過程可以反向進(jìn)行并返回到原狀態(tài)，且系統(tǒng)和外界都不發(fā)生變化，則該過程稱為可逆過程地球上的人要在月球上居住，首要問題就是保持他們的起居室處于一個(gè)舒適的溫度，現(xiàn)考慮用卡諾循環(huán)機(jī)來作溫度調(diào)節(jié)，設(shè)月球白晝溫度為1000C，而夜間溫度為1000C，起居室溫度要保持在200C，通過起居室墻壁導(dǎo)熱的速率為每度溫差0.5kW，白晝和夜間給卡諾機(jī)所供的功率解例求在白晝欲保持室內(nèi)溫度低，卡諾機(jī)工作于致冷機(jī)狀態(tài)，從室內(nèi)吸取熱量Q2

，放入室外熱量Q1則每秒鐘從室內(nèi)取走的熱量為通過起居室墻壁導(dǎo)進(jìn)的熱量，即在黑夜欲保持室內(nèi)溫度高，卡諾機(jī)工作于致冷機(jī)狀態(tài)，從室外吸取熱量Q1，放入室內(nèi)熱量Q2每秒鐘放入室內(nèi)的熱量為通過起居室墻壁導(dǎo)進(jìn)的熱量，即解得說明此種用可逆循環(huán)原理制作的空調(diào)裝置既可加熱，又可降溫，這即是所謂的冷暖雙制空調(diào)。一、可逆過程和不可逆過程1、定義：若一個(gè)過程可以反向進(jìn)行并返回到原狀態(tài)，且系統(tǒng)和外界都不發(fā)生變化，則該過程稱為可逆過程§2.5熱力學(xué)第二定律2、自然現(xiàn)象的不可逆性落葉永離，覆水難收生米煮成熟飯逝者如斯(1).功熱轉(zhuǎn)換是不可逆的功可以自動(dòng)地轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔瑹岵荒茏詣?dòng)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣?2).熱傳導(dǎo)是不可逆的熱量從高溫物體傳向低溫物體的過程是不可逆的(3).氣體自由膨脹是不可逆的(4).生命過程是不可逆的一切實(shí)際過程都是不可逆過程3、可逆過程的實(shí)現(xiàn)不可逆緣由功熱轉(zhuǎn)換：存在摩擦耗散熱傳導(dǎo)：熱學(xué)不平衡氣體自由膨脹：力學(xué)不平衡生命過程：復(fù)雜的不平衡過程無摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程是可逆的二、熱力學(xué)第二定律問題:能否制造效率等于100%的熱機(jī)?1、開爾文說法

(1851年)不可能從單一熱源吸取熱量，使它完全變?yōu)橛杏霉Χ灰鹌渌兓虻诙愑绖?dòng)機(jī)是不可能造成的

第二類永動(dòng)機(jī)：從單一熱源吸熱并將其全部用來作功，而不放出熱量給其它物體的機(jī)器(η=100%)高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2討論:(1)將熱量全部變?yōu)楣κ强赡艿摹Ｈ绲葴嘏蛎洉r(shí)有Q=A，但這一定要引起其他的變化，如體積增大(2)使其回到初始狀態(tài)的循環(huán)過程則要放熱(3)開爾文說法反映了功熱轉(zhuǎn)換的不可逆性熱量不能自動(dòng)地從低溫物體傳向高溫物體低溫?zé)嵩碩2高溫?zé)嵩碩12、克勞修斯說法(1850年)討論:(1)熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，如制冷機(jī)，但不是自動(dòng)的(2)克勞修斯說法反映了熱傳導(dǎo)過程的不可逆性討論：熱力學(xué)第一定律說明了任何過程中能量守恒熱力學(xué)第二定律說明了并非任何能量守恒過程都能實(shí)現(xiàn)，即變化過程有方向性1.在溫度分別為T1與T2的兩個(gè)給定熱源之間工作的一切可逆熱機(jī)，其效率相同，都等于理想氣體可逆卡諾熱機(jī)的效率，即由熱力學(xué)第二定律可以證明卡諾定理

2.在相同的高、低溫?zé)嵩粗g工作的一切不可逆熱機(jī)，其效率都不可能大于可逆熱機(jī)的效率。

說明

(1)要盡可能地減少熱機(jī)循環(huán)的不可逆性，（減少摩擦、漏氣、散熱等耗散因素）以提高熱機(jī)效率。(2)卡諾定理給出了熱機(jī)效率的極限。三、熵熵流1、可逆循環(huán)過程2、不可逆循環(huán)過程令——熵變可逆過程不可逆過程絕熱系統(tǒng)熵流3、熵的微觀解釋討論三個(gè)分子情況：AB宏觀態(tài)與微觀態(tài)A3B0abc01AB宏觀態(tài)微觀態(tài)宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數(shù)A2B1abacbccba3A1B2abcbaccab3A0B30abc1由上表知：3個(gè)分子同時(shí)退回到A室的可能性存在的，其概率為1/23。相應(yīng)的計(jì)算可以證明：N個(gè)分子共有2N種分布，全部退回A室的概率為1/2N，N很大時(shí)此概率小到實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)。自由膨脹不可逆性實(shí)質(zhì)上反映了：系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的過程總是由概率小的宏觀狀態(tài)向概率大的宏觀狀態(tài)進(jìn)行，亦即由包含微觀狀態(tài)數(shù)目少的宏觀狀態(tài)向包含微觀狀態(tài)數(shù)目多的宏觀狀態(tài)進(jìn)行的。與之相反的過程，沒有外界的影響是不可能實(shí)現(xiàn)的。4、玻耳茲曼關(guān)系：若用W表示系統(tǒng)（宏觀）狀態(tài)所包含的微觀狀態(tài)數(shù)，并理解為（宏觀）狀態(tài)出現(xiàn)的概率-----熱力學(xué)概率，則有S=klnW

（k為玻耳茲曼常量）

熵反映了系統(tǒng)所處狀態(tài)的熱力學(xué)概率：W越大，S就越大。

W小有序分布程度高，W大無序（混亂度）變大。5、熵增加原理：

在封閉系統(tǒng)中發(fā)生的任何不可逆過程，都導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)的熵的增加，系統(tǒng)的熵只有在可逆過程中才是不變的。四、“熱寂論”問題1、“熱寂論”：1865年，克勞修斯：（1）、宇宙的能量是個(gè)常數(shù)；（2）、宇宙的熵趨于極大。“宇宙越是接近這個(gè)熵是極大的極限狀態(tài)，進(jìn)一步變化的能力就越小，如果最后完全達(dá)到了這個(gè)狀態(tài)，那就任何進(jìn)一步的變化都不會(huì)發(fā)生了，這時(shí)宇宙就會(huì)進(jìn)