工程熱力學(xué)第一講

工程熱力學(xué)第一講第一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱量熱的本質(zhì)是什么？當(dāng)溫度不同的兩個(gè)物體相互接觸時(shí)，高溫物體會(huì)逐漸變冷，低溫物體會(huì)逐漸變熱。顯然，有一部分能量由高溫物體穿給了低溫物體。這是在人民的日常生活中經(jīng)常遇到的傳熱現(xiàn)象，所以人民往往會(huì)誤認(rèn)為熱的物體擁有較多的熱量，然而這種概念是不正確的。熱量的定義是，由于溫差的存在而導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)化過程中所轉(zhuǎn)化的能量。它與作功一樣，都是系統(tǒng)能量傳遞的一種形式，并可作為系統(tǒng)能量變化的量度。在熱傳遞的過程中，實(shí)質(zhì)上是能量轉(zhuǎn)移的過程，而熱量就是能量轉(zhuǎn)換的一種量度。

隨著人類技術(shù)文明的發(fā)展，人類對(duì)于熱的認(rèn)識(shí)有了新的進(jìn)展。在19世紀(jì)40年代，J.P.焦耳同志清楚地表明，熱是能量，并且指出熱和功之間有一種精妙的換算關(guān)系。第二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱量與熱相關(guān)的概念熱能：物體燃燒時(shí)釋放的能量，也指物體內(nèi)部分工作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)放出的能量。熱傳導(dǎo)：熱介質(zhì)的一部分傳到另一部分。熱輻射：固體液體和氣體因溫度而產(chǎn)生的以電磁波的形式輻射的能量。熱機(jī)：把熱能變?yōu)闄C(jī)械能的各種機(jī)器的統(tǒng)稱。熱力：產(chǎn)生于熱能的作的功。第三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱量熱量與熱能之間的關(guān)系就好比是做功與機(jī)械能之間的關(guān)系一樣。熱量指的是內(nèi)能的變化、系統(tǒng)的做功。熱量描述能量的流動(dòng)，而內(nèi)能描述能量本身。熱量是量度系統(tǒng)內(nèi)能變化的物理量。在熱傳遞的過程中，實(shí)質(zhì)上是能量轉(zhuǎn)移的過程，而熱量就是能量轉(zhuǎn)換的一種量度。

第四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱量

熱傳遞的條件是系統(tǒng)間必須有溫度差，參加熱交換不同溫度的物體（或系統(tǒng)）之間，熱量總是由高溫物體（或系統(tǒng)）向低溫物體（或系統(tǒng)）傳遞的，直到兩個(gè)物體的溫度相同，達(dá)到熱的平衡為止。第五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱量熱平衡的概念眾所周知，兩個(gè)冷熱狀態(tài)不同的物體相互作用，冷的物體要變熱，熱的物體要變冷。經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，在沒有其他外來影響的情況下，兩物體終將達(dá)到相同的冷熱狀態(tài)，稱為兩物體的熱平衡狀態(tài)。第六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日溫度溫度是把通過感覺而得到的冷熱程度加以客觀表示的量。從第零定律可以推證，互為熱平衡的系統(tǒng)必然具有一個(gè)在數(shù)值上相等的熱力學(xué)參數(shù)來描述熱平衡的特性、這個(gè)參數(shù)就定義為溫度。由此可知，溫度是描述熱力系統(tǒng)冷熱狀態(tài)的物理量。溫度是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計(jì)意義，對(duì)于個(gè)別分子來說溫度是沒有意義的。第七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日溫度溫度的定義，宏觀上來講就是表示物體冷熱程度的標(biāo)志，微觀上來講是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。溫度是物體內(nèi)分子間平均動(dòng)能的一種表現(xiàn)形式。分子運(yùn)動(dòng)愈快，物體愈熱，即溫度愈高;分子運(yùn)動(dòng)愈慢，物體愈冷，即溫度愈低。第八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱力學(xué)第零定律如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡（溫度相同），則它們彼此也必定處于熱平衡。這稱之為熱力學(xué)第零定律。它的重要性在于給出了溫度的定義和溫度的測(cè)量方法，為建立溫度概念提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。第九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱力學(xué)第一定律當(dāng)能量被轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)換時(shí)，以不同形式存在的最終的總能量肯定與初始的總能量相等，即能量守恒定律。能量既不能被創(chuàng)造也不能被消滅，但它可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)，且在能量的轉(zhuǎn)換的過程中，能量的總量保持不變。第十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日第十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日第十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)的基本表達(dá)式為：進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲(chǔ)存能的增量

第十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱力學(xué)第一定律對(duì)于封閉系統(tǒng)，熱力學(xué)第一定律表明向系統(tǒng)輸入的熱量Q,等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量ΔU和系統(tǒng)對(duì)外界作功W之和表達(dá)式為Q=dU+WQ=U+Wq=du+w

q=u+w此公式適用于任何條件，任何過程。第十四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱力學(xué)第一定律對(duì)于開口系統(tǒng):

進(jìn)入系統(tǒng)的能量第十五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱力學(xué)第一定律進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量控制容積的儲(chǔ)存能量

根據(jù)熱力學(xué)第一定律整理可得第十六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱力學(xué)第一定律對(duì)于單股穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流第十七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日功向熱轉(zhuǎn)化的過程是不可逆的。一切自發(fā)過程都是單方向進(jìn)行的不可逆過程。熱量從高溫自動(dòng)傳向低溫物體的過程是不可逆的。自由膨脹的過程是不可逆的。一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的過程都是不可逆過程，一切實(shí)際過程都是不可逆過程。熱力學(xué)第二定律第十八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱力學(xué)第二定律第十九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱力學(xué)第二定律開爾文說法：不可能從單一熱源吸取熱量使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其它影響?？藙谛匏拐f法：熱量可以自發(fā)地從較熱物體傳遞至較冷物體，但不能自發(fā)地較冷物體傳遞至較熱物體。在自然條件下這個(gè)轉(zhuǎn)變過程是不可逆的，要使熱傳遞方向倒轉(zhuǎn)，只有靠消耗功來實(shí)現(xiàn)。

第二十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱力學(xué)第二定律第二定律指出在自然界中任何的過程都不可能自動(dòng)地復(fù)原，要使系統(tǒng)從終態(tài)回到初態(tài)必需借助外界的作用。在孤立系統(tǒng)內(nèi)對(duì)可逆過程，系統(tǒng)的熵總保持不變；對(duì)不可逆過程，系統(tǒng)的熵總是增加的。這個(gè)規(guī)律叫做熵增加原理。熵的增加表示系統(tǒng)從幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)演變，也就是從比較有規(guī)則、有秩序的狀態(tài)向更無規(guī)則，更無秩序的狀態(tài)演變。第二十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱力學(xué)第三定律表述為“在熱力學(xué)溫度零度（即T=0開）時(shí)，一切完美晶體的熵值等于零。”所謂“完美晶體”是指沒有任何缺陷的規(guī)則晶體。此定律還可表達(dá)為“不可能利用有限的可逆操作使一物體冷卻到熱力學(xué)溫度的零度?！贝朔N表述可簡(jiǎn)稱為“絕對(duì)零度不可能達(dá)到”原理熱力學(xué)第三定律認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)趨近于絕對(duì)溫度零度時(shí)，系統(tǒng)等溫可逆過程的熵變化趨近于零。絕對(duì)零度不可達(dá)到這個(gè)結(jié)論稱做熱力學(xué)第三定律。第二十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日熱力學(xué)第三定律在統(tǒng)計(jì)物理學(xué)上，熱力學(xué)第三定律反映了微觀運(yùn)動(dòng)的量子化。在實(shí)際意義上，第三定律并不像第一、二定律那樣明白地告誡人們放棄制造第一種永動(dòng)機(jī)和第二種永動(dòng)機(jī)的意圖。而是鼓勵(lì)人們想方設(shè)法盡可能接近絕對(duì)零度。目前使用絕熱去磁的方法已達(dá)到5×10^-10K，但永遠(yuǎn)達(dá)不到0K。根據(jù)熱力學(xué)第三定律，基態(tài)的狀態(tài)數(shù)目只有一個(gè)。也就是說，第三定律決定了自然界中基態(tài)無簡(jiǎn)并。第二十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日參考文獻(xiàn)1邱信立,廉樂明等.工程熱力學(xué).北京.中國(guó)建筑工業(yè)出版社,19852飯沼一男.