熱力學(xué)基本概念與基本定律

熱力學(xué)基本概念與基本定律第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六熱現(xiàn)象的利用和發(fā)展原始人在爭取自己生存條件的自然斗爭中學(xué)會了取火和用火，這是人類取得的第一個巨大成就，是人類啟蒙性地發(fā)掘利用熱能的第一步，但這并不是熱力學(xué)的開始，只是熱現(xiàn)象的利用。18世紀(jì)前瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)前，熱能的主要利用方式是直接利用。1784年，瓦特對原始蒸汽機(jī)進(jìn)行改造，增加了曲軸、進(jìn)汽閥、排汽閥。蒸汽機(jī)的發(fā)明引發(fā)了歐洲產(chǎn)業(yè)革命，激發(fā)了人們對熱現(xiàn)象的理論研究。第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六1-1熱力學(xué)基本概念一、工質(zhì)、熱源和熱力系統(tǒng)

熱機(jī)：蒸汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等工質(zhì)：水蒸氣(火電廠)、制冷劑(空調(diào))

熱源：高溫?zé)嵩?、冷源系統(tǒng)(熱力系，熱力學(xué)系統(tǒng))：

封閉系開口系絕熱系孤立系第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六1-1熱力學(xué)基本概念二、工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及其狀態(tài)參數(shù)

熱力學(xué)狀態(tài)平衡狀態(tài)狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)方程基本概念基本狀態(tài)參數(shù)溫度：T(開爾文)壓力：p(帕Pa)比容：υ(m3/kg)第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六1-1熱力學(xué)基本概念三、狀態(tài)的改變

過程準(zhǔn)靜態(tài)過程可逆過程循環(huán)第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六熱力學(xué)的建立—熱一律1842年，邁耶提出了能量守恒原理。十九世紀(jì)中葉，焦耳前后用了20多年時間，做過多種多樣的實驗，測定了熱功當(dāng)量。1850年焦耳在第一篇總結(jié)論文中，以各種精確的實驗結(jié)果的一致性，給出了能量守恒定律的實驗基礎(chǔ)，使得熱力學(xué)第一定律得到充分的證實。此外，赫姆霍茲等人也都對熱力學(xué)第一定律作出了貢獻(xiàn)。第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六焦耳：熱一律的發(fā)現(xiàn)者之一英國物理學(xué)家。1818年12月24日生于英國的索爾福。他父親是釀酒廠的廠主，焦耳從小體弱不能上學(xué)，在家跟父親學(xué)釀酒，并利用空閑時間自學(xué)化學(xué)、物理。他很喜歡電學(xué)和磁學(xué)，對實驗特別感興趣。后來成為英國曼徹斯特的一位業(yè)余科學(xué)家。可以說焦耳是一位自學(xué)成才的杰出的科學(xué)家。

第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六1-2熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)與表述

1。熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊幔?/p>

2。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。

系統(tǒng)從外界吸收的熱量，一部分使系統(tǒng)的內(nèi)能增加，另一部分使系統(tǒng)對外界做功。高等物理學(xué)描述：第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六1-2熱力學(xué)第一定律二、熱力學(xué)第一定律解析式

一般表達(dá)：

單位質(zhì)量表示：熱量功能量增加第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六1-2熱力學(xué)第一定律三、熱力學(xué)能、封閉系的第一定律表達(dá)式

一般表達(dá)：

單位質(zhì)量表示：熱量功內(nèi)能增加第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六1-2熱力學(xué)第一定律四、焓、開口系的第一定律表達(dá)式1。穩(wěn)定流動2。穩(wěn)定流動能量方程(即開口系第一定律的解析式)

一般表達(dá)：

單位質(zhì)量表示：第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六1-2熱力學(xué)第一定律四、焓、開口系的第一定律表達(dá)式焓的定義：焓也為狀態(tài)參數(shù)，是導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)H

稱為焓h稱為質(zhì)量焓或比焓第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六熱力學(xué)的建立—熱二律1824年，卡諾提出了卡諾循環(huán)和卡諾定理，發(fā)現(xiàn)了熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的根本條件，即必須有溫度不同的熱源和冷源，這從本質(zhì)上說明了熱力學(xué)第二定律。開爾文在1848年根據(jù)卡諾定理制定了“熱力學(xué)溫標(biāo)”，克勞修斯在1850年根據(jù)卡諾定理提出了“熵”。在卡諾研究的基礎(chǔ)上，1850-1851年間，克勞修斯和開爾文先后提出了熱力學(xué)第二定律。第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六1-3熱力學(xué)第二定律一、熵、自然過程的方向性熵的定義：熵為狀態(tài)參數(shù)，也是導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)，單位：kJ/(kg·K)自然過程總是向著熵增加的方向進(jìn)行的。熵是系統(tǒng)紊亂程度的表征，系統(tǒng)越紛亂無序，其熵值就越大。第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六1-3熱力學(xué)第二定律二、熱力學(xué)第二定律、熵增原理1。熱不能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳向高溫物體；

2。只冷卻一個熱源而連續(xù)做功的循環(huán)發(fā)動機(jī)是造不成功的。二者等價!克勞修斯說法開爾文說法第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六1-3熱力學(xué)第二定律二、熱力學(xué)第二定律、熵增原理在經(jīng)歷任意過程之后，孤立系統(tǒng)的熵只會增加或保持不變，但永遠(yuǎn)不會減少。與熱力學(xué)第二定律等價!熵增原理第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六卡諾：熱二律的奠基者卡諾的父親是拿破侖第一執(zhí)政手下的戰(zhàn)爭部長及滑鐵盧戰(zhàn)爭前百日政權(quán)的內(nèi)政部長。1812年，卡諾考入巴黎理工學(xué)院，在那里受教于泊松、蓋－呂薩克、安培和阿喇戈這樣一批卓有成就的老師。他主要攻讀了分析數(shù)學(xué)、分析力學(xué)、畫法幾何和化學(xué)。28歲時發(fā)表《關(guān)于火的動力》，36歲去世。第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六1-3熱力學(xué)第二定律三、卡諾循環(huán)與卡諾定理由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程所構(gòu)成的動力循環(huán)

卡諾循環(huán)熱效率：第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六1—2定溫吸熱過程2—3絕熱膨脹過程3—4定溫放熱過程4—1絕熱壓縮過程卡諾循環(huán)是理想循環(huán)，實際中是不可能實現(xiàn)的。第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六1-3熱力學(xué)第二定律三、卡諾循環(huán)與卡諾定理1。在兩個不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的一切可逆循環(huán)，均具有相同的熱效率，且與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。2。在兩個不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的任何不可逆循環(huán)，其熱效率必低于兩個同樣恒溫?zé)嵩撮g工作的可逆循環(huán)。第20頁，共23頁，2023年，2月20日，星期六熱力學(xué)的完善—熱三律1906年，能斯特根據(jù)低溫下化學(xué)反應(yīng)的大量實驗事實歸納出了新的規(guī)律，并于1912年將之表述為絕對零度不能達(dá)到，即熱力學(xué)第三定律。熱