熱力學(xué)講義教學(xué)課件

1熱力學(xué)講義目錄contents引言熱力學(xué)基本概念熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律相平衡與化學(xué)平衡熱力學(xué)在工程中的應(yīng)用301引言熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象中物質(zhì)系統(tǒng)在平衡時的性質(zhì)和建立能量的平衡、轉(zhuǎn)化、傳遞的宏觀規(guī)律的學(xué)科。熱力學(xué)在能源、環(huán)境、材料等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，對于理解自然現(xiàn)象和推動科技發(fā)展具有重要意義。熱力學(xué)的定義與重要性重要性定義早期發(fā)展熱力學(xué)的早期研究可追溯到17世紀(jì)，科學(xué)家們開始研究熱量和溫度的關(guān)系，以及熱功轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。經(jīng)典熱力學(xué)建立19世紀(jì)，經(jīng)典熱力學(xué)理論逐步建立，包括熱力學(xué)第一定律、第二定律等重要原理的提出和確立?，F(xiàn)代熱力學(xué)發(fā)展20世紀(jì)以來，隨著統(tǒng)計物理學(xué)的發(fā)展，熱力學(xué)在微觀層面得到了更深入的解釋和發(fā)展。熱力學(xué)發(fā)展歷史課程目標(biāo)掌握熱力學(xué)基本概念、原理和定律，了解熱力學(xué)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。學(xué)習(xí)方法注重理論與實踐相結(jié)合，通過課堂講解、習(xí)題練習(xí)和實驗操作等方式，全面深入地學(xué)習(xí)熱力學(xué)知識。建議制定合理的學(xué)習(xí)計劃，及時復(fù)習(xí)和總結(jié)所學(xué)內(nèi)容，積極參與課堂討論和小組學(xué)習(xí)等活動。課程目標(biāo)與學(xué)習(xí)方法302熱力學(xué)基本概念熱力學(xué)研究的對象，可以是一個物體、一部分物體或物體組成的整體。系統(tǒng)與系統(tǒng)發(fā)生相互作用而又不屬于系統(tǒng)的其他物體。環(huán)境將系統(tǒng)與環(huán)境分隔開的界面，可以是真實的或假想的。邊界系統(tǒng)與環(huán)境狀態(tài)系統(tǒng)所表現(xiàn)出來的宏觀物理性質(zhì)的總和。狀態(tài)方程描述系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。狀態(tài)參數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，如溫度、壓力、體積等。狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)平衡態(tài)系統(tǒng)在沒有外界影響的條件下，各部分的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)。準(zhǔn)靜態(tài)過程系統(tǒng)從一個平衡態(tài)變化到另一個平衡態(tài)時，經(jīng)歷的所有中間狀態(tài)都可以近似看作平衡態(tài)的過程?？赡孢^程與不可逆過程準(zhǔn)靜態(tài)過程可以是可逆的或不可逆的，取決于系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互作用方式。平衡態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)過程030201熱力學(xué)第零定律如果兩個系統(tǒng)與第三個系統(tǒng)各自處于熱平衡狀態(tài)，那么這兩個系統(tǒng)之間也將達(dá)到熱平衡。溫度熱力學(xué)系統(tǒng)的一個物理屬性，是熱力學(xué)平衡態(tài)下系統(tǒng)狀態(tài)的標(biāo)志，反映了系統(tǒng)微觀運動的劇烈程度。溫標(biāo)溫度的數(shù)值表示方法，常用的有攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)等。熱力學(xué)第零定律與溫度概念303熱力學(xué)第一定律能量在轉(zhuǎn)化和傳遞過程中總量保持不變。能量守恒原理表述方式微分形式積分形式熱力學(xué)系統(tǒng)能量的增加等于吸收的熱量與對系統(tǒng)所作的功之和。dE=dQ+dW，其中E為系統(tǒng)的內(nèi)能，Q為吸收的熱量，W為外界對系統(tǒng)所作的功。ΔE=Q+W，表示系統(tǒng)在某一過程中的內(nèi)能變化等于該過程中吸收的熱量與外界對系統(tǒng)所作的功之和。能量守恒原理及表述方式封閉系統(tǒng)能量方程推導(dǎo)及應(yīng)用封閉系統(tǒng)能量方程基于能量守恒原理，推導(dǎo)出封閉系統(tǒng)的能量方程。應(yīng)用用于分析封閉系統(tǒng)在無熱量交換的情況下的內(nèi)能變化，如絕熱過程、等溫過程等?？紤]開口系統(tǒng)與外界的熱量交換和功交換，推導(dǎo)出開口系統(tǒng)的能量方程。開口系統(tǒng)能量方程針對穩(wěn)定流動過程，推導(dǎo)出穩(wěn)定流動能量方程，用于分析流體在流動過程中的能量變化。穩(wěn)定流動能量方程開口系統(tǒng)能量方程及穩(wěn)定流動能量方程能量貶值原理在能量轉(zhuǎn)換過程中，高品質(zhì)的能量會部分轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的能量，導(dǎo)致能量的貶值。火用分析基于能量貶值原理，引入火用的概念，用于分析能量轉(zhuǎn)換過程中的有效利用程度和能量損失情況?；鹩檬侵赶到y(tǒng)從給定狀態(tài)到達(dá)與環(huán)境相平衡的狀態(tài)時所能作出的最大有用功。能量貶值原理及火用分析304熱力學(xué)第二定律自然發(fā)生過程方向性描述熱力學(xué)第二定律表明，自然界中存在著一種自發(fā)的趨勢，使得熱量從高溫物體傳向低溫物體，而不會自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體。這種自然發(fā)生的過程具有方向性，即它們只能沿著特定的方向進(jìn)行，而不能反向進(jìn)行。例如，熱量可以自發(fā)地從熱水杯傳到冷水杯，但不可能自發(fā)地從冷水杯傳到熱水杯?？赡孢^程是指系統(tǒng)經(jīng)歷一個微小變化后，可以沿著相反的方向進(jìn)行，同時不引起外界的任何變化。不可逆過程是指系統(tǒng)經(jīng)歷一個變化后，無法沿著相反的方向進(jìn)行，或者即使能夠沿著相反方向進(jìn)行，也會引起外界的變化。熱力學(xué)第二定律指出，自然界中發(fā)生的所有過程都是不可逆的，因為它們都涉及到能量的轉(zhuǎn)化和耗散?？赡孢^程和不可逆過程卡諾定理指出，在相同熱源和冷源之間工作的所有可逆熱機，其效率都相等，與工作物質(zhì)無關(guān)。卡諾定理的推論是，在相同熱源和冷源之間工作的所有不可逆熱機，其效率都小于可逆熱機的效率。這些定理和推論為熱力學(xué)第二定律提供了重要的理論基礎(chǔ)，也為我們理解和分析熱機的工作原理提供了指導(dǎo)。010203卡諾定理及其推論熵判據(jù)是根據(jù)熵增原理得出的一個重要結(jié)論，它指出，對于一個孤立系統(tǒng)，如果系統(tǒng)的熵減少了，那么這個過程是不可能發(fā)生的。熵增原理和熵判據(jù)為我們理解和分析自然界中各種自發(fā)現(xiàn)象提供了重要的理論工具，也為我們設(shè)計和優(yōu)化各種熱力學(xué)系統(tǒng)提供了指導(dǎo)。熵增原理是熱力學(xué)第二定律的另一種表述方式，它指出，在一個孤立系統(tǒng)中，系統(tǒng)的熵總是趨向于增加，而不會減少。熵增原理和熵判據(jù)305相平衡與化學(xué)平衡相平衡條件各相溫度和壓力相等，且各相中化學(xué)勢相等。相圖基本概念相圖是用來表示相平衡系統(tǒng)的組成、溫度、壓力之間關(guān)系的圖形。單組分系統(tǒng)相圖如水的相圖，包括固、液、氣三相及其相互轉(zhuǎn)變。二組分系統(tǒng)相圖如二元合金相圖，包括固溶體、化合物、液相等區(qū)域及其相互轉(zhuǎn)變。相平衡條件及相圖分析化學(xué)平衡條件正逆反應(yīng)速率相等，各組分濃度保持不變。平衡常數(shù)表達(dá)式對于一般反應(yīng)aA+bB=cC+dD，平衡常數(shù)K=[C]^c[D]^d/[A]^a[B]^b。平衡常數(shù)影響因素溫度、壓力、濃度等，其中溫度是最主要的影響因素。平衡常數(shù)計算根據(jù)實驗數(shù)據(jù)或熱力學(xué)數(shù)據(jù)計算平衡常數(shù)。化學(xué)平衡條件及平衡常數(shù)計算吉布斯自由能與化學(xué)反應(yīng)方向判斷吉布斯自由能定義吉布斯自由能計算化學(xué)反應(yīng)方向判斷吉布斯自由能與平衡常數(shù)關(guān)系G=H-TS，其中H為焓，T為溫度，S為熵。根據(jù)熱力學(xué)數(shù)據(jù)計算反應(yīng)在不同溫度下的吉布斯自由能變化。ΔG<0時，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；ΔG=0時，反應(yīng)達(dá)到平衡；ΔG>0時，反應(yīng)非自發(fā)進(jìn)行。ΔG=-RTlnK，其中R為氣體常數(shù)。306熱力學(xué)在工程中的應(yīng)用基于水蒸氣為工質(zhì)的熱力發(fā)電循環(huán)，包括等壓加熱、絕熱膨脹、等壓冷卻和絕熱壓縮四個過程。朗肯循環(huán)布雷頓循環(huán)迪塞爾循環(huán)以氣體為工質(zhì)的熱力發(fā)電循環(huán)，常用于燃?xì)廨啓C、噴氣發(fā)動機等。內(nèi)燃機中常見的熱力循環(huán)，以燃油直接在工作缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)馔苿踊钊龉Α?30201熱力發(fā)電循環(huán)分析壓縮式制冷循環(huán)01通過壓縮機將制冷劑壓縮成高溫高壓氣體，經(jīng)冷凝器放熱后變成高壓液體，再通過節(jié)流閥降壓降溫后進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)，實現(xiàn)制冷效果。吸收式制冷循環(huán)02利用吸收劑對制冷劑的吸收和解吸作用實現(xiàn)制冷，常用于大型中央空調(diào)系統(tǒng)。熱電制冷技術(shù)03基于帕爾貼效應(yīng)，通過直流電使熱電偶產(chǎn)生溫差，從而實現(xiàn)制冷效果。制冷循環(huán)原理及設(shè)備介紹123以空氣為熱源，通過壓縮機做功將低溫?zé)嵩吹臒崮苻D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩?，實現(xiàn)供暖和熱水等功能?？諝庠礋岜靡运疄闊嵩矗ㄟ^輸入少量高品位能源（如電能），實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。水源熱泵利用地球表面淺層地?zé)豳Y源（如土壤、地下水等）作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵熱泵技術(shù)及其應(yīng)用前景通過熱力學(xué)分析和優(yōu)化，提