第一講熱力學(xué)緒論

1、 第一講 熱力學(xué)緒論工程熱力學(xué)的意義熱力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史（一）中國古代的熱學(xué)知識(shí)火的利用和控制古人對(duì)熱現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的開端 對(duì)冷熱的認(rèn)識(shí) 溫度 的認(rèn)識(shí)控溫技術(shù) 熱本質(zhì) 熱脹冷縮是重要的熱現(xiàn)象之一 對(duì)水的物態(tài)變化 熱器具 在我國古代，很早就出現(xiàn)了對(duì)熱動(dòng)力的認(rèn)識(shí)和利用。 （二）溫度和溫度計(jì) 1、溫度計(jì)的發(fā)明熱力學(xué)第零定律 如果兩個(gè)物體中的每一個(gè)物體都與第三個(gè)物體處于熱平衡，則這兩個(gè)物體彼此也必定處于熱平衡。 最早的一支溫度計(jì) 伽利略伽利略第一只實(shí)用的溫度計(jì)溫標(biāo)的發(fā)展 2、氣體定律和溫標(biāo)的改進(jìn) 真空存在的可能性1676年，玻意耳馬略特定律 1802年 ，蓋呂薩克定律 絕對(duì)零度 的提出理想氣體溫標(biāo) 的建立1848

2、年，熱力學(xué)溫標(biāo)（也稱開氏溫標(biāo) ）的建立 由以上簡(jiǎn)要的回顧看出，從伽利略創(chuàng)造第一個(gè)驗(yàn)溫器計(jì)算起，經(jīng)過許多科學(xué)家將近一個(gè)半世紀(jì)的努力和改進(jìn)，才使溫度計(jì)日趨完善，計(jì)溫學(xué)也得到不斷的發(fā)展，并由此迎來了18世紀(jì)中葉以后有關(guān)熱現(xiàn)象學(xué)說熱現(xiàn)象學(xué)說的產(chǎn)生。（三）熱的概念 1、熱量與溫度的概念 人們長(zhǎng)久以來對(duì)熱量與溫度的概念混淆不清。1757年前后，英國化學(xué)家布萊克的發(fā)現(xiàn)1777年，拉瓦錫和拉普拉斯制造了冰量熱器 2、熱的本質(zhì)的爭(zhēng)論 關(guān)于這個(gè)問題，歷來有兩種不同的觀點(diǎn)。 一種是熱的物質(zhì)說；另一種是熱的運(yùn)動(dòng)說。 主張熱質(zhì)說的人認(rèn)為，熱是一種特殊形態(tài)的沒有重量的“物質(zhì)”，當(dāng)熱質(zhì)進(jìn)入物質(zhì)后物體會(huì)變熱。 主張熱的運(yùn)動(dòng)說

3、的人認(rèn)為，熱是物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)。 1）熱質(zhì)說 熱質(zhì)說點(diǎn)的指導(dǎo)下，熱學(xué)所取得的主要進(jìn)展有： (1)布萊克發(fā)現(xiàn)了“比熱”和“潛熱”； (2)瓦特從理論上分析了蒸汽機(jī)的主要缺陷，改進(jìn)了蒸汽機(jī)； (3)傅立葉建立了熱傳導(dǎo)理論； (4)卡諾從熱質(zhì)傳遞的物理圖象出發(fā)在19世紀(jì)初提出了消耗從熱源取得熱量而得到功的理論 。2）熱動(dòng)說 17世紀(jì)的培根和笛卡兒等人傾向于這種觀點(diǎn)。 但是受到機(jī)械論的影響，沒有反映熱本質(zhì)。18世紀(jì)，伯努利發(fā)展了熱的運(yùn)動(dòng)說 1778年， 倫福德 的工作1799年，英國人戴維 的工作 熱動(dòng)說和熱質(zhì)說這兩種觀點(diǎn)經(jīng)歷了相互更替的迂回曲折的歷史演變，直到19世紀(jì)40年代末，由于能量守恒與轉(zhuǎn)化定律

4、的確立，熱動(dòng)學(xué)說才獲得最后的勝利。 從此以后，人類對(duì)熱的認(rèn)識(shí)才走上了科學(xué)的熱動(dòng)說的道路，進(jìn)而把人們引入了一個(gè)新的領(lǐng)域，開始從微觀粒子的層次上來認(rèn)識(shí)熱的本質(zhì)，沿著這個(gè)方向所進(jìn)行研究的結(jié)果，才使人們形成了今天這一概念：熱是大量微觀粒子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。 (四)熱力學(xué)第一定律 1、產(chǎn)生的歷史背景 1784年蒸汽機(jī)進(jìn)入大規(guī)模的生產(chǎn)時(shí)代 ，蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用，為能量守恒原理的確立提供了一個(gè)重要前提。 2、第一類永動(dòng)機(jī)的失敗 永動(dòng)機(jī)之不可能實(shí)現(xiàn)，是認(rèn)識(shí)能量守恒原理的另一條途徑。 3、聯(lián)系和轉(zhuǎn)化的新發(fā)現(xiàn) (1)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和熱運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系 18世紀(jì)最后兩年倫福德和戴維所做的摩擦生熱實(shí)驗(yàn)，熱功當(dāng)量的粗略測(cè)定，表明了

5、機(jī)械運(yùn)動(dòng)向熱的轉(zhuǎn)化。 (2)熱和電之間的轉(zhuǎn)化 焦耳和楞次分別在1840和1842年發(fā)現(xiàn)了電流的熱效應(yīng)，這就是今天所說的焦耳楞次定律。 (3)電與磁之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化 1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，1831年法拉第找到了它的逆效應(yīng)即電磁感應(yīng)現(xiàn)象。 (4)化學(xué)和生物方面的研究 由于各種自然現(xiàn)象之間的普遍聯(lián)系得到了廣泛的研究，所以這一時(shí)期的科學(xué)家是從“自然力之統(tǒng)一”這一觀點(diǎn)出發(fā)來看待各種能量相互轉(zhuǎn)化的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的。正是在這種自然科學(xué)觀影響 下，西歐的四五個(gè)國家，從事七八種專業(yè)的多位科學(xué)家分別用不同的實(shí)驗(yàn)和方法各自獨(dú)立地計(jì)算和測(cè)定了熱功當(dāng)量，發(fā)現(xiàn)了能量守恒與轉(zhuǎn)化定律。 4、幾個(gè)科學(xué)家

6、的工作 在物理學(xué)史上，正式發(fā)表論文，提出能量守恒與轉(zhuǎn)化定律是從1842年開始的，主要是由邁爾 、焦耳和赫爾姆霍茲等人提出的。邁爾（德國醫(yī)生邁爾（德國醫(yī)生 ）的工作）的工作 1851年他又寫了論熱的機(jī)械當(dāng)量一文，詳細(xì)闡述了熱功當(dāng)量的計(jì)算。 焦耳（英國化學(xué)）的工作焦耳（英國化學(xué)）的工作 1849年，焦耳在皇家學(xué)會(huì)宣談?wù)撐恼摕岬臋C(jī)械當(dāng)量 赫爾姆霍茲（德國醫(yī)生、生物學(xué)家）等人的工作赫爾姆霍茲（德國醫(yī)生、生物學(xué)家）等人的工作 1847年，發(fā)表論力的守恒，赫爾姆霍茲還研究了能量守恒在其他物理過程中的應(yīng)用，把它擴(kuò)大到光、熱、電磁現(xiàn)象、化學(xué)運(yùn)動(dòng)以及生物體內(nèi)進(jìn)行的過程中。 5、能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的確立及其意義

7、1）能量守恒定律的確認(rèn)）能量守恒定律的確認(rèn) 大約到大約到1860年左右，能量原理才得到普遍的承認(rèn)，年左右，能量原理才得到普遍的承認(rèn)，而且很快成為全部物理學(xué)和自然科學(xué)的重要基石。而且很快成為全部物理學(xué)和自然科學(xué)的重要基石。 2）能量守恒原理的確切描述）能量守恒原理的確切描述 全面準(zhǔn)確地稱為全面準(zhǔn)確地稱為“能量轉(zhuǎn)化與守恒能量轉(zhuǎn)化與守恒 ”定律則是恩格定律則是恩格斯。斯。 3）功、熱量和熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式）功、熱量和熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式 4）能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的意義）能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的意義 能量守恒定律的確立，一方面找到了各種自然現(xiàn)象的公共量能量守恒定律的確立，一方面找到了各種自然現(xiàn)

8、象的公共量度度能量，說明了不同運(yùn)動(dòng)形式在相互轉(zhuǎn)化中有量的共同性，能量，說明了不同運(yùn)動(dòng)形式在相互轉(zhuǎn)化中有量的共同性，從而把各種自然現(xiàn)象用定量的規(guī)律聯(lián)系了起來；另一方面這個(gè)定從而把各種自然現(xiàn)象用定量的規(guī)律聯(lián)系了起來；另一方面這個(gè)定律的確立，同時(shí)也說明了運(yùn)動(dòng)形式相互轉(zhuǎn)化的能力也是不滅的，律的確立，同時(shí)也說明了運(yùn)動(dòng)形式相互轉(zhuǎn)化的能力也是不滅的，是物質(zhì)本身所固有的性質(zhì)。這樣，這個(gè)定律就第一次在極其廣闊是物質(zhì)本身所固有的性質(zhì)。這樣，這個(gè)定律就第一次在極其廣闊的領(lǐng)域里把自然界各種聯(lián)系了起來。的領(lǐng)域里把自然界各種聯(lián)系了起來。 在自然界中符合熱力學(xué)第一定律的過程，并不一定都能發(fā)生。而能夠預(yù)言自然界哪些過程能夠發(fā)

9、生，哪些不能夠發(fā)生的問題 ，將由熱力學(xué)第二定律來解決。確定絕對(duì)零度能否達(dá)到的問題，將由熱力學(xué)第三定律來解決。 （五）熱力學(xué)第二定律1、卡諾關(guān)于熱機(jī)效率的研究 熱力學(xué)第二定律的初步思想最早是從熱機(jī)效率的研究中萌發(fā)的。熱力學(xué)第二定律的初步思想最早是從熱機(jī)效率的研究中萌發(fā)的。 薩迪卡諾(17961832)循環(huán)的蒸汽機(jī)效率提出了著名的卡諾定理，其內(nèi)容有下述兩方面。 熱轉(zhuǎn)化為功的過程(熱機(jī))必定發(fā)生在至少兩個(gè)熱源之間，其效率僅僅取決于兩個(gè)熱源的溫度差而與工作物質(zhì)無關(guān)。 在相同溫度的高溫?zé)嵩春拖嗤瑴囟鹊牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切實(shí)際熱機(jī)，其效率都不會(huì)高于可逆卡諾熱機(jī)的效率。這就是現(xiàn)在所說的卡諾第二定理。 2、

10、克勞修斯和湯姆孫對(duì)熱力學(xué)第二定律的研究克勞修斯的工作 1875年，克勞修斯在年，克勞修斯在熱的機(jī)械理論熱的機(jī)械理論一文中指出：一文中指出：“熱不熱不可能自行從一個(gè)冷體流向熱體?？赡茏孕袕囊粋€(gè)冷體流向熱體。 ”這就是熱力學(xué)第二定律的克這就是熱力學(xué)第二定律的克勞修斯的敘述。勞修斯的敘述。 威廉湯姆孫的工作 從單一熱源吸取熱量使之變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響是從單一熱源吸取熱量使之變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響是 不可能不可能的。的?！边@就是通常所說的熱力學(xué)第二定律的開爾文敘述。這就是通常所說的熱力學(xué)第二定律的開爾文敘述。 湯姆孫在熱力學(xué)上的另一重要貢獻(xiàn)是引入了熱力學(xué)絕對(duì)溫標(biāo)。湯姆孫在熱力學(xué)上的另一重

11、要貢獻(xiàn)是引入了熱力學(xué)絕對(duì)溫標(biāo)。 (六)分子運(yùn)動(dòng)論的發(fā)展 當(dāng)氣體分子運(yùn)動(dòng)論發(fā)展到一定程度時(shí)，人們總希望更有普遍的理論來描寫液體、固 體中的分子運(yùn)動(dòng)，因此統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)在氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來。是研究對(duì)象更廣泛、研究方法更普通的熱運(yùn)動(dòng)理論。 （七）現(xiàn)代熱力學(xué) 經(jīng)典熱力學(xué)的基礎(chǔ)是熱機(jī)的卡諾循環(huán)和體系的平衡態(tài)，其適用范圍有限?？陀^世界中的大量宏觀過程是“一去不可返”的非循環(huán)過程，體系經(jīng)常處于非平衡態(tài)，這就是現(xiàn)代熱力學(xué)的巨大發(fā)展空間。 基本內(nèi)容框架第1講 緒論、熱力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史 學(xué)時(shí)：2 第2講 回顧本科工程熱力學(xué) 學(xué)時(shí)：2 第3講 能量與熱力學(xué)第一、二定律 學(xué)時(shí)：4 第4講 純凈流體的熱力學(xué)性質(zhì) 學(xué)

12、時(shí)：6 第5講 平衡與相變 學(xué)時(shí)：4第6講 均勻混合物的熱力學(xué)性質(zhì) 學(xué)時(shí)：4 第7講 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ) 學(xué)時(shí)：2 第8講 管內(nèi)氣體流動(dòng)的熱力學(xué) 學(xué)時(shí)：4 第9講 不可逆過程熱力學(xué) 學(xué)時(shí)：2 第10講 熱系統(tǒng)評(píng)估與分析方法 學(xué)時(shí)：2 第11講 工程應(yīng)用分析 學(xué)時(shí)：6 第12講 課堂討論 學(xué)時(shí)：2 本課程的主要內(nèi)容 高等工程熱力學(xué)主要研究熱能有效利用以及熱能與其它能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律及與之相關(guān)的科學(xué)。 是在本科工程熱力學(xué)的基礎(chǔ)，在對(duì)熱力學(xué)現(xiàn)象有所熟悉的情況下，研究熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律，以宏觀和微觀的角度對(duì)熱力學(xué)的基本理論進(jìn)行了深化和拓寬。 本課程學(xué)習(xí)的重要性 日常生活及各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中幾乎任何一種形式的能量最終都是以熱能的形式耗散于環(huán)境與宇宙中。 節(jié)能降耗的要求。工程熱力學(xué)是建立節(jié)能的理論基礎(chǔ)。本課程學(xué)習(xí)的要求1、熟悉本科工程熱力學(xué)內(nèi)容2、請(qǐng)預(yù)習(xí)3、內(nèi)容抽象，上課請(qǐng)作筆記4、積極參與討論平時(shí)20，期末80教學(xué)參考書目陳宏芳、杜建華編寫，高等工程熱力學(xué)，清華大學(xué)出版社，2003年