熱力學基本概念與基本定律

熱力學基本概念與基本定律第1頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)熱力學基本概念一、工質、熱源和熱力系統(tǒng)熱機：能將熱能轉換為機械能的機器。工質：熱能與機械能之間轉換是通過一種媒介物質在熱機中的一系列狀態(tài)變化過程來實現(xiàn)的，這種媒介物質稱為工質。介質，簡稱工質。工質的一般是具有良好流動性和膨脹性的氣體(含水蒸氣)。熱源：熱容積很大且在吸收或放出有限量熱量時自身溫度及其他熱力學參數(shù)沒有明顯改變的物體。向系統(tǒng)提供熱量的熱源稱為高溫熱源；接收系統(tǒng)放熱的熱源稱為低溫熱源或冷源。第2頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日

熱力系統(tǒng)：按照系統(tǒng)與外界之間的關系，可以將系統(tǒng)分為如下幾種類型：（1）封閉系：與外界之間不存在物質交換的系統(tǒng)。（2）開口系，局外界之間既存在物質交換．也存在能量交換的系統(tǒng)（3）絕熱系：與外界之間不存在熱交換的系統(tǒng)，(4)孤立系：與外界之間既無物質交換，也無能量交換的系統(tǒng)第3頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日二、工質的熱力學狀態(tài)及其狀態(tài)參數(shù)1、基本概念

(1)熱力學狀態(tài)：工質在某一瞬間所呈現(xiàn)的物理狀態(tài)（P-V，T-s)

(2)平衡狀態(tài)：在外界條件不變的情況下，即使經歷較長時間，系統(tǒng)的宏觀特性仍不發(fā)生變化，(3)狀態(tài)參數(shù)：熱力學參數(shù)，是描述系統(tǒng)所處狀態(tài)的物理量。一般用兩個相互獨立的狀態(tài)參數(shù)就可以確定系統(tǒng)的一個狀態(tài)。狀態(tài)參數(shù)大致可以分為基本參數(shù)和導出參數(shù)兩種，前者可以直接測量而得，如溫度、壓力等，后者一般不能測量，只能用基本參數(shù)依據(jù)某種關系推導而得，如內能、比焓、比熵等。

(4)狀態(tài)方程：在平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)的某一參數(shù)與獨立于它的另一參數(shù)之間有著確定的聯(lián)系，將這種聯(lián)系表達出來的數(shù)學方程式就是狀態(tài)方程，第4頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日2、基本狀態(tài)參數(shù)(1)溫度：“T”，單位為開爾文(K)。熱力學溫度與攝氏溫度‘之間的關系是：T＝t十273.15(K)（2）壓力：帕斯卡(Pa)。工程上（MPa)作為壓力單位1at＝lkgf／cm2＝98067Pa;1mmHg＝133.32lPa1mmH2O＝9．8067Pa

p=pamb+pe;

p=pamb-pv(3)比容：單位質量物質所占有的容積稱為比容(國標中改稱質量體積或比體積)，以“ν表示，單位為M3/kg。根據(jù)定義，比容與密度ρ(kg／m3)互為倒數(shù)。第5頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日三、狀態(tài)的改變(1)過程：系統(tǒng)由其初始平衡態(tài)，經過一系列中間狀態(tài)而達到某一新的平衡態(tài)的變化過程稱為熱力過程，簡稱過程。(2)準靜態(tài)過程；每一中間狀態(tài)．既離開平衡態(tài)，又無限接近于平衡態(tài)，(3)可逆過程：系統(tǒng)完成某一過程之后，若能夠沿原路徑返回其初始平衡態(tài)，且系統(tǒng)和外界均不留下任何宏觀的變化痕跡，則稱該過程為可逆過程；(4)循環(huán)：系統(tǒng)經歷了若干不相重復的過程，最后又回到初始狀態(tài)所形成的封閉過程叫做熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。第6頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)熱力學第一定律

一、熱力學第一定律的實質與表述

說法一：熱可以變?yōu)楣Γσ部梢宰優(yōu)闊?。一定量的熱消失時，必產生與之數(shù)量相當?shù)墓Γ幌囊欢康墓r，也必出現(xiàn)相應數(shù)量的熱。說法二：對于任何一個系統(tǒng)，輸入系統(tǒng)的能量減去輸出系統(tǒng)的能量，等于系統(tǒng)儲存能量的增加。第7頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日二、熱力學第一定律解析式第8頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日三、熱力學能、封閉系的第一定律表達式第9頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日四、焓、開口系的第一定律表達式1．穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動是流動過程的一種特殊情況，它滿足以下條件：流入和流出系統(tǒng)的質量流量不隨時間變化；系統(tǒng)任何一點的參數(shù)和流速不隨時間變化；系統(tǒng)內的儲存能不隨時間變化；單位時間內加入系統(tǒng)的熱量和系統(tǒng)對外所做的功也不隨時間改變。很多實際的流動過程可以作為穩(wěn)定流動過程處。第10頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日2．穩(wěn)定流動能量方程第11頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日H—焓，h—質量焓或比焓第12頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)熱力學第二定律一、熵、自然過程的方向性熱力學第一定律，能量之間可以相互轉換，以及轉換過程中的數(shù)量關系，而沒有指明此種能量與他種能量相互轉化的差異。狀態(tài)參數(shù)熵結出了自然過程方向性的定量描述。熵就是在可逆的條件下，傳入系統(tǒng)的微元熱量dQ與熱源溫度T的比值。理論證明了熵確實是一個狀態(tài)參數(shù)，單位質量熵〔符號s)的單位是kJ／(kg·K)。

第13頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日二、熱力學第二定律、熵增原理說法一：熱不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳向高溫物體。說法二：只冷卻一個熱源而連續(xù)做功的循環(huán)發(fā)動機是造不或功的。第14頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日三、卡諾循環(huán)與卡諾定理卡諾循環(huán)與卡諾定律主要解決了如何提高從高溫熱源所吸取熱量中轉變?yōu)楣Φ谋壤刺岣哐h(huán)熱效率的問題。1、卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)是由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程所構成的動力循環(huán)。第15頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日卡諾循環(huán)的熱效率式可得出：(1)循環(huán)熱效率η決定于高溫恒溫熱源與低溫恒溫熱源的溫度T1和T2；提高η，提高T1，降低T2。(2)循環(huán)熱效率η永遠小于100％；(3)當T1＝T2時，η＝o。在沒有溫差存在的體系中，熱能不可能轉變?yōu)闄C械功。第16頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日2．卡諾定理卡諾循環(huán)是一種理想循環(huán)，實際上定溫吸熱或放熱和可逆膨脹或壓縮都是不可能的。主要結論如下：