工程熱力學第一講

工程熱力學第一講第1頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱量熱的本質(zhì)是什么？當溫度不同的兩個物體相互接觸時，高溫物體會逐漸變冷，低溫物體會逐漸變熱。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，所以人民往往會誤認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，人類對于熱的認識有了新的進展。在19世紀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2頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱量與熱相關(guān)的概念熱能：物體燃燒時釋放的能量，也指物體內(nèi)部分工作不規(guī)則運動時放出的能量。熱傳導：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：把熱能變?yōu)闄C械能的各種機器的統(tǒng)稱。熱力：產(chǎn)生于熱能的作的功。第3頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱量熱量與熱能之間的關(guān)系就好比是做功與機械能之間的關(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，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4頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱量

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，直到兩個物體的溫度相同，達到熱的平衡為止。第5頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱量熱平衡的概念眾所周知，兩個冷熱狀態(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)過相當長的時間，在沒有其他外來影響的情況下，兩物體終將達到相同的冷熱狀態(tài)，稱為兩物體的熱平衡狀態(tài)。第6頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月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)必然具有一個在數(shù)值上相等的熱力學參數(shù)來描述熱平衡的特性、這個參數(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動的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計意義，對于個別分子來說溫度是沒有意義的。第7頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度溫度的定義，宏觀上來講就是表示物體冷熱程度的標志，微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度。溫度是物體內(nèi)分子間平均動能的一種表現(xiàn)形式。分子運動愈快，物體愈熱，即溫度愈高;分子運動愈慢，物體愈冷，即溫度愈低。第8頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學第零定律如果兩個熱力學系統(tǒng)中的每一個都與第三個熱力學系統(tǒng)處于熱平衡（溫度相同），則它們彼此也必定處于熱平衡。這稱之為熱力學第零定律。它的重要性在于給出了溫度的定義和溫度的測量方法，為建立溫度概念提供實驗基礎(chǔ)。第9頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學第一定律當能量被轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)換時，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10頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學第一定律熱力學的基本表達式為：進入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲存能的增量

第13頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學第一定律對于封閉系統(tǒng)，熱力學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)對外界作功W之和表達式為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14頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學第一定律對于開口系統(tǒng):進入系統(tǒng)的能量第15頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學第一定律進入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量控制容積的儲存能量

根據(jù)熱力學第一定律整理可得第16頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學第一定律對于單股穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流第17頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月功向熱轉(zhuǎn)化的過程是不可逆的。一切自發(fā)過程都是單方向進行的不可逆過程。熱量從高溫自動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，一切實際過程都是不可逆過程。熱力學第二定律第18頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學第二定律第19頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學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。克勞修斯說法：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)，只有靠消耗功來實現(xiàn)。

第20頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學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)對可逆過程，系統(tǒng)的熵總保持不變；對不可逆過程，系統(tǒng)的熵總是增加的。這個規(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21頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學第三定律表述為“在熱力學溫度零度（即T=0開）時，一切完美晶體的熵值等于零?！彼^“完美晶體”是指沒有任何缺陷的規(guī)則晶體。此定律還可表達為“不可能利用有限的可逆操作使一物體冷卻到熱力學溫度的零度。”此種表述可簡稱為“絕對零度不可能達到”原理熱力學第三定律認為，當系統(tǒng)趨近于絕對溫度零度時，系統(tǒng)等溫可逆過程的熵變化趨近于零。絕對零度不可達到這個結(jié)論稱做熱力學第三定律。第22頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學第三定律在統(tǒng)計物理學上，熱力學第三定律反映了微觀運動的量子化。在實際意義上，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機和第二種永動機的意圖。而是鼓勵人們想方設(shè)法盡可能接近絕對零度。目前使用絕熱去磁的方法已達到5×10^-10K，但永遠達不到0K。根據(jù)熱力學第三定律，基態(tài)的狀態(tài)數(shù)目只有一個。也就是說，第三定律決定了自然界中基態(tài)無簡并。第23頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月參考文獻1邱信立,廉樂明等.工程熱力學.北京.中國建筑工業(yè)出版社,19852飯沼一男