章 1熱力學基本概念與基本定律

1、第一章 熱力學基本概念與基本定律 基礎(chǔ)+支柱 熱力學第一定律：能量熱力學第一定律：能量 轉(zhuǎn)換中的數(shù)量關(guān)系（能轉(zhuǎn)換中的數(shù)量關(guān)系（能 量守恒）量守恒） 熱力學第二定律：指熱力學第二定律：指 出能量轉(zhuǎn)換的方向出能量轉(zhuǎn)換的方向 1.1熱力學基本概念 一.工質(zhì)、熱源、熱力系統(tǒng) 熱機 凡是能將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的機器統(tǒng)稱為熱力發(fā)凡是能將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的機器統(tǒng)稱為熱力發(fā) 動機，簡稱動機，簡稱熱機熱機。例如蒸汽機、蒸汽輪機、燃氣。例如蒸汽機、蒸汽輪機、燃氣 輪機、內(nèi)燃機和噴氣發(fā)動機輪機、內(nèi)燃機和噴氣發(fā)動機 工質(zhì) 熱能和機械能之間的轉(zhuǎn)換是通過一種熱能和機械能之間的轉(zhuǎn)換是通過一種媒介物質(zhì)媒介物質(zhì)在在 熱機中的一系

2、列熱機中的一系列狀態(tài)變化狀態(tài)變化過程來實現(xiàn)的，這種媒過程來實現(xiàn)的，這種媒 介物質(zhì)稱為介物質(zhì)稱為工質(zhì)工質(zhì)。 具有良好的流動性和膨脹性。具有良好的流動性和膨脹性。 熱源 把熱容量很大且在吸收或放出有限量熱量時把熱容量很大且在吸收或放出有限量熱量時 自身溫度及其它熱力學參數(shù)沒有明顯改變的自身溫度及其它熱力學參數(shù)沒有明顯改變的 物體稱為物體稱為熱源。熱源。 唯一作用：唯一作用：吸收或供給系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)熱量。吸收或供給系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)熱量。 高溫熱源：向系統(tǒng)提供能量高溫熱源：向系統(tǒng)提供能量 低溫熱源：接受系統(tǒng)放熱（冷源）低溫熱源：接受系統(tǒng)放熱（冷源） 系統(tǒng)與邊界 系統(tǒng)：熱力系或熱力學系統(tǒng)的簡稱，人為的研人為的研

3、究對象。究對象。它是可識別的物質(zhì)集團，其物理特性及 可能產(chǎn)生的作用是我們研究的內(nèi)容 系統(tǒng)總是由邊界邊界包圍，邊界叫做界面界面 外界外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì) 系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界 系統(tǒng)與邊界劃分靈活，可實體可虛設(shè)。系統(tǒng)與邊界劃分靈活，可實體可虛設(shè)。 邊界特性邊界特性 真實、虛構(gòu)真實、虛構(gòu)固定、活動固定、活動 熱力系統(tǒng)分類熱力系統(tǒng)分類 以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分： 有有 無無 是否傳質(zhì)是否傳質(zhì) 開口系開口系 封閉系封閉系 是否傳熱是否傳熱 非絕熱系非絕熱系 絕熱系絕熱系 是否傳功是否傳功 非絕功系非絕功系 絕功系絕功系 是否傳熱、功、質(zhì)是否傳熱、功、質(zhì) 非孤立系非孤立系 孤立

4、系孤立系 熱力系統(tǒng)其它分類方式熱力系統(tǒng)其它分類方式 其它分類方式其它分類方式 物理化學性質(zhì)物理化學性質(zhì) 均勻系均勻系 非均勻系非均勻系 工質(zhì)種類工質(zhì)種類 多元系多元系 單元系單元系 相態(tài)相態(tài) 多相多相 單相單相 二.工質(zhì)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) 指熱力系統(tǒng)某一瞬間工質(zhì)的物理狀況。一般用指熱力系統(tǒng)某一瞬間工質(zhì)的物理狀況。一般用 熱力學狀態(tài)參數(shù)及平面坐標圖（熱力學狀態(tài)參數(shù)及平面坐標圖（p-v圖，圖，T-s圖）圖） 進行描述。進行描述。 （2）平衡狀態(tài) 在外界條件不變的情況下，即使經(jīng)歷較長時在外界條件不變的情況下，即使經(jīng)歷較長時 間，系統(tǒng)宏觀特性不發(fā)生變化，稱系統(tǒng)處于

5、平衡間，系統(tǒng)宏觀特性不發(fā)生變化，稱系統(tǒng)處于平衡 狀態(tài)。簡稱平衡態(tài)。（平衡：力平衡、熱平衡狀態(tài)。簡稱平衡態(tài)。（平衡：力平衡、熱平衡 （內(nèi)熱平衡和外熱平衡）、化學平衡。）（內(nèi)熱平衡和外熱平衡）、化學平衡。） （3）狀態(tài)參數(shù) 描述系統(tǒng)平衡狀態(tài)的宏觀物理量。 一般2個獨立的狀態(tài)參數(shù)可確定系統(tǒng)1個狀態(tài)。 分為基本參數(shù)（直接測得）：溫度、壓力 導出參數(shù)（推導得出）：熱力學能、比焓、比熵 （4）狀態(tài)方程 平衡態(tài)下，系統(tǒng)某一參數(shù)與獨立于它的另一參數(shù) 有著確定關(guān)系的數(shù)學方程式。f(p,v,T)=0 理想氣體狀態(tài)方程：pv=RT 2.基本狀態(tài)參數(shù) （1）溫度：表明物質(zhì)冷熱程度的物理量。 分子熱運動劇烈程度的反映（

6、微觀） 國際單位制：熱力學溫度T單位K 測量：溫度計 溫標換算：T=t+273.15 （t-攝氏溫度） O 5 ( 32) 9 tCt F 459.67t Ft R 常用溫標常用溫標 絕對絕對K攝氏攝氏 華氏華氏F 朗肯朗肯R 100 373.15 0.01273.16 0273.15 -17.8 0 -273.15 212671.67 37.8100 0 32 -459.670 459.67 491.67 冰熔點冰熔點 水三相點水三相點 鹽水沸點鹽水沸點 發(fā)燒發(fā)燒 水沸點水沸點 559.67 （2）壓力P 指工質(zhì)作用于器壁單位面積上的垂直作用力。 物理中壓強物理中壓強，單位單位: Pa ,

7、N/m2 國際單位制 單位換算： 1N/m2=1Pa 1bar=1 105Pa 1MPa=1 106Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa 1mmH2O=9.8067Pa 絕對壓力p與相對壓力pe 、pv 絕對壓力：真實壓力 相對壓力：壓力計讀數(shù)，相對當?shù)卮髿鈮?Pamb 的值。 當PPamb 時，稱相對壓力為表壓力Pe ； 當PPamb 時，稱相對壓力為真空或負壓Pv P=Pamb+Pe P=Pamb-Pv （3）比體積（比容） 指單位質(zhì)量物質(zhì)所占有的體積，v，單位m

8、3/kg V v m 與密度互為倒數(shù) 3.導出狀態(tài)參數(shù)導出狀態(tài)參數(shù) 用于熱功轉(zhuǎn)換計算而引出的狀態(tài)參數(shù)，不可測 量。 比內(nèi)能 u kJ/kg 比焓 h kJ/kg 比熵 s kJ/(kg.K) 1.過程（熱力過程） 系統(tǒng)由初始平衡狀態(tài)，經(jīng)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。 三、狀態(tài)的改變 2.準靜態(tài)過程 過程的一系列中間變化點，離開平衡又都無 限接近于平衡態(tài)，則稱系統(tǒng)工質(zhì)經(jīng)歷了一個 準靜態(tài)過程或準平衡過程。 P1 P2 P3 P1 P1 P1 T1 T1+dT T2 T1T2 T1+dT 準靜態(tài)膨脹過程 準靜態(tài)加熱過程 實現(xiàn)準靜態(tài)過程必須滿足兩個條件： 1.過程進行

9、時內(nèi)外勢差（壓力差、溫度差）無限??； 2.過程進行必須無限緩慢。 3. 可逆過程和不可逆過程 若系統(tǒng)經(jīng)歷一個變化過程之后，能沿原來途徑返回到 初始狀態(tài)，且對系統(tǒng)與外界都不留下任何影響，則稱 這樣的熱力過程為一個可逆過程。否則為不可逆過程。 4.循環(huán) 系統(tǒng)經(jīng)歷了若干不相重復的過程，最后回到初始狀 態(tài)所形成的封閉過程叫做熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。 可逆循環(huán)不可逆循環(huán) 動力循環(huán)：順時針方向進行，系統(tǒng)對外做功順時針方向進行，系統(tǒng)對外做功 制冷循環(huán)：逆時針，外界對系統(tǒng)做功逆時針，外界對系統(tǒng)做功 正循環(huán)正循環(huán) p V T S 凈效應：凈效應：對外作功對外作功凈效應：凈效應：吸熱吸熱+ 正循環(huán)：順時針方向正循環(huán)：

10、順時針方向 2 1 1 2 逆循環(huán)逆循環(huán) p V T S 凈效應：凈效應：對內(nèi)作功對內(nèi)作功凈效應：凈效應：放熱放熱- 逆循環(huán)：逆時針方向逆循環(huán)：逆時針方向 2 1 1 2 1.2熱力學第一定律 本質(zhì)：本質(zhì)：能量能量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換及及守恒守恒定律在熱現(xiàn)象上的應用定律在熱現(xiàn)象上的應用 第一種說法：“熱可以變?yōu)楣?，功也可變?yōu)闊帷?一定熱量消失時，必產(chǎn)生與之數(shù)量相當?shù)囊欢?的功；消耗一定量的功時，必出現(xiàn)相應數(shù)量的 熱?！?其數(shù)學描述為： Q=W KJ 第一類第一類 永動機是不可能實現(xiàn)的永動機是不可能實現(xiàn)的 第二種說法：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。 一、實質(zhì)與表

11、述 二、熱力學第一定律解析式 Q1 Q2 Q3 Q4 W1 W2 W3 E1 E2 例如： Q1煤放熱 Q2油槍 Q3 煙氣熱損失 Q4 散熱 W1 送入煤粉 W2 送入空氣 W3排走煙氣 (Q1+Q2 + W1+W2) (Q3+Q4+W3)= E2- E1 (Q1+Q2 -Q3-Q4) (W3-W1-W2)= E2- E1 Qi-Wj=E 令Q= Qi 表示系統(tǒng)與外界交換的總熱量 W= Wj 表示系統(tǒng)與外界交換的總功 E= E2- E1 表示系統(tǒng)儲存能量的增加值 則得熱力學第一定律解析式： Q-W=E （1-4） dQ-dW=dE（微元形式） （1-5） q=w+ e（單位質(zhì)量表示） （1-

12、6） 三、熱力學能、封閉系第一定律表達式 Q=W+U kJ （1-7） 或 q=w+u kJ/kg （1-8） 即輸入系統(tǒng)的熱量 Q-W=E Q=W+ 1/2m(c22 c12 )+mg(Z2- Z1)+(U2-U1） 與外界無物質(zhì)交換，且假設(shè)與外界無物質(zhì)交換，且假設(shè) 處于宏觀靜止狀態(tài)（忽略動處于宏觀靜止狀態(tài)（忽略動 能、勢能）能、勢能） 用于與外界交換功，膨脹功用于與外界交換功，膨脹功 成為系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化，成為系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化， U 熱力學能的改變熱力學能的改變 U U（u u）系統(tǒng)從外界得到的凈能量系統(tǒng)從外界得到的凈能量 叫熱力學能或內(nèi)能叫熱力學能或內(nèi)能-J-J，J/kgJ/kg 系

13、統(tǒng)總能系統(tǒng)總能=內(nèi)能內(nèi)能+外部儲存能外部儲存能 外部儲存能外部儲存能 宏觀動能宏觀動能 Ek= mc2/2 宏觀位能宏觀位能 Ep= mgz 機械能機械能 系統(tǒng)總能系統(tǒng)總能 E = U + Ek + Ep e = u + ek + ep 內(nèi)能一般與系統(tǒng)同坐標，常用內(nèi)能一般與系統(tǒng)同坐標，常用U, dU, u, du 四、焓、開口系的第一定律表達式 1.穩(wěn)定流動 流入流出系統(tǒng)的質(zhì)量流量，任一點的參數(shù)和流速，流入流出系統(tǒng)的質(zhì)量流量，任一點的參數(shù)和流速， 系統(tǒng)儲能，單位時間加入系統(tǒng)的熱量和系統(tǒng)對外系統(tǒng)儲能，單位時間加入系統(tǒng)的熱量和系統(tǒng)對外 作的功都不隨時間改變作的功都不隨時間改變 p1、v1、 T1

14、u1、c1 p2、v2、 T2 u2、c2 A1 A2 Ws l1 I I q II II l 2 Z1 Z2 圖1-5開口系穩(wěn)定流動示意圖 推動功：推動功： w推推 = P A dl = PV 2. 穩(wěn)定流動能量方程（1-10） Q-W=E = m(c22 c12 )+mg(Z2- Z1)+(U2-U1）(1-10a) W 軸功Ws：對外輸出的功對外輸出的功 推動功PV（流動功）：把工質(zhì)推入推出系統(tǒng)所作的功 系統(tǒng)與外界交換的功系統(tǒng)與外界交換的功W= Ws+P1V1-P2V2=Ws+ (PV) 則Q= U+ mc2 +mgZ+ (PV) +Ws 令H= U + (PV) 系統(tǒng)焓的變化系統(tǒng)焓的變

15、化 則Q= H+ （1-10） 1 2 2 1 2 s mcmg zW 1 2 開口系的熱力學第一定律解析式 2 1 2 s qhcg zw 寫成單位質(zhì)量形式： 焓：焓：H =U+PV 單位：kJ 比焓：比焓：h=H/m =u + p v 單位：kJ/kg H、h系統(tǒng)焓的變化 焓焓是蒸汽動力循環(huán)與分析使用最多的一個狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)。 開口系能量方程簡化 1忽略動能、勢能忽略動能、勢能 1且系統(tǒng)與外界不產(chǎn)生且系統(tǒng)與外界不產(chǎn)生 功的交換功的交換 1且系統(tǒng)與外界無熱交且系統(tǒng)與外界無熱交 換換 s qhw qh s wh 1.3熱力學第二定律 一.熵、自然過程的方向性 1.一切自然過程都具有方向性 a

16、.熱可自發(fā)地由高溫區(qū)傳向低溫區(qū)，反之，則不能； b.通過摩擦機械能能守恒地轉(zhuǎn)變成熱，反之，摩擦不能使 熱變?yōu)楣Α?c.1根消耗1kWh的電阻絲，能極方便地變成等量3600kJ熱， 但3600KJ熱無論如何也轉(zhuǎn)換不成1kWh的電能。 過程容易向自發(fā)的方向進行，但不能無代價的恢 復到原來的狀態(tài) 2.熵 狀態(tài)參數(shù)，給出自然過程方向性的定量描述 定義： dQ系統(tǒng)從溫度為T的熱源中可逆的吸取的熱量 S：單位質(zhì)量熵 單位： 物理意義：無序性的度量，系統(tǒng)混亂程度的表征（正比）無序性的度量，系統(tǒng)混亂程度的表征（正比） 自然過程總是向熵增的方向進行。自然過程總是向熵增的方向進行。 dQ dS T /()kJkg

17、 K 二、熱力學第二定律及熵增原理 第一定律指出不同能量之間可以轉(zhuǎn)化，沒有揭示轉(zhuǎn)第一定律指出不同能量之間可以轉(zhuǎn)化，沒有揭示轉(zhuǎn) 化的方向和深度；化的方向和深度； 第二定律指出了一切自然過程的不可逆性。第二定律指出了一切自然過程的不可逆性。 表述：表述： 說法一：克勞修斯說法（熱量傳遞） “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：開爾文普朗克說法（熱功轉(zhuǎn)換） “只冷卻一個熱源而連續(xù)做功的循環(huán)發(fā)動機是造不成功的?！?上述兩種說法是等價的，它證明了從古至今仍企圖研制只有 單一熱源的熱機第二類永動機不會實現(xiàn)。 熱力學第二定律本質(zhì) 能量的轉(zhuǎn)換是有方向性的，功變熱，高溫向低溫能量的轉(zhuǎn)換

18、是有方向性的，功變熱，高溫向低溫 傳熱皆可自發(fā)地等價進行，反之就必須提供附加傳熱皆可自發(fā)地等價進行，反之就必須提供附加 條件，付出代價。條件，付出代價。 熵增原理 經(jīng)歷任意過程之后，孤立系統(tǒng)的熵只會增加（不經(jīng)歷任意過程之后，孤立系統(tǒng)的熵只會增加（不 等溫傳遞為不可逆過程）或保持不變（等溫下相等溫傳遞為不可逆過程）或保持不變（等溫下相 互傳熱為可逆過程），但永遠不會減少?；鳠釣榭赡孢^程），但永遠不會減少。 定量描述即熵增原理定量描述即熵增原理 孤立系統(tǒng)的熵增 如圖所示，孤立系統(tǒng)（與外界無熱與功及質(zhì)量 交換）：TATB。 B A 介質(zhì) 絕熱邊界 由熱源和傳熱介質(zhì)組成的孤立系 ) 11 (0 BA

19、BA WBA TT dQ T dQ dT dQ dSdSdSdS 高溫熱源失去熱量，熵變?yōu)椋焊邷責嵩词崃?，熵變?yōu)椋?低溫熱源得到熱量，熵變?yōu)椋旱蜏責嵩吹玫綗崃浚刈優(yōu)椋?工質(zhì)只作為媒體傳熱：工質(zhì)只作為媒體傳熱： A A T dQ dS B B T dQ dS 0 W dS TATB dS0TA=TB dS =0 熱一律否定第一類永動機熱一律否定第一類永動機 熱機的熱效率最大能達到多少？ 又與哪些因素有關(guān)？ 熱一律與熱一律與熱二律熱二律 t 100不可能 熱二律否定第二類永動機熱二律否定第二類永動機 t =100不可能 三、卡諾循環(huán) 法國工程師法國工程師卡諾卡諾 (S. Carnot)， 1

20、824年提出年提出 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán) 既然既然 t =100不可能 熱機能達到的熱機能達到的最高效率最高效率有多少？有多少？ 熱二律奠基人熱二律奠基人 效率最高效率最高 1. 卡諾循環(huán)：由兩個可逆定溫過程和兩個可卡諾循環(huán)：由兩個可逆定溫過程和兩個可 逆絕熱過程構(gòu)成正向循環(huán)。逆絕熱過程構(gòu)成正向循環(huán)。 s1s2 T s 1 2 0 3 4 T1 w0=q1-q2 T2 P v 1 2 0 3 4 可逆定溫吸熱 可逆定溫放熱 絕熱膨脹做功 絕熱壓縮耗功 限定在溫度區(qū)間 一個可逆循環(huán) q2=T2s q1=T1s 四個可逆過程組成 4-1絕熱壓縮絕熱壓縮過程，對內(nèi)作功過程，對內(nèi)作功 1-2定溫吸熱定溫吸

21、熱過程，過程， q1 = T1(s2-s1) 2-3絕熱膨脹絕熱膨脹過程，對外作功過程，對外作功 3-4定溫放熱定溫放熱過程，過程， q2 = T2(s2-s1) 2.卡諾循環(huán)效率 1 2 1 2 1 2 1 0 111 T T sT sT q q q w TC t,c只取決于恒溫熱源只取決于恒溫熱源T1和和T2 而與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)；而與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)； 2 t,C 1 1 T T 卡諾循環(huán)效率的說明卡諾循環(huán)效率的說明 T1 t,c , T2 c ， ，溫差越大， 溫差越大， t,c越高越高 當當T1=T2， t,c = 0, 單熱源熱機不可能單熱源熱機不可能 T1 = K, T2 = 0 K, t,c 100%， 熱二律熱二律 三種卡諾循環(huán)三種卡諾循環(huán) T0 T2 T1 制冷制冷 制熱制熱 T s T1 T2 動力動力 四、卡諾定理四、卡諾定理 熱二律的推論之一熱二律的推論之一 定理：在兩個不同溫度的恒溫熱源間工作的定理：在兩個不同溫度的恒溫熱源間工作的 所有熱機，以可逆熱機的熱效率為最高。所有熱機，以可逆熱機的熱效率為最高。