華科大低溫技術(shù)原理與設(shè)備講義01低溫技術(shù)的熱力學(xué)基礎(chǔ)-1平衡狀態(tài)與狀態(tài)原理

第一篇

低溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)第一章

低溫技術(shù)的熱力學(xué)基礎(chǔ)

低溫技術(shù)的研究對(duì)象：

低溫的獲得低溫的保持低溫的貯運(yùn)低溫的測(cè)試其它（控制、制造、安全、工藝、流動(dòng)、過(guò)程、傳熱傳質(zhì)）

為了獲得并保持低溫條件，就得想辦法使低溫物體的熱量轉(zhuǎn)移到環(huán)境介質(zhì)中去。能否轉(zhuǎn)移，如何轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)換，所用工質(zhì)和性質(zhì)如何等等，這些都得運(yùn)用熱力學(xué)的知識(shí)來(lái)研究，因此低溫技術(shù)是建立在熱力學(xué)基礎(chǔ)之上的。與低溫技術(shù)有關(guān)的熱力學(xué)問(wèn)題是比較多的。除了大家所學(xué)的外，還須補(bǔ)充一些有關(guān)熱力學(xué)的知識(shí)，如：變工質(zhì)量熱力學(xué)、溶液熱力學(xué)等?，F(xiàn)講第一章。

§1-1引言

（或熱力學(xué)與低溫技術(shù)的關(guān)系）

四個(gè)方面，邊學(xué)邊體會(huì)，課修完后可再來(lái)體會(huì)…

§1-2實(shí)際氣體的性質(zhì)

§1-2-1平衡狀態(tài)與狀態(tài)原理

一個(gè)熱力系統(tǒng)如果沒(méi)有引起狀態(tài)變化的非平衡趨勢(shì)，我們就說(shuō)這系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)之中。

非平衡勢(shì)：溫差引起熱流，壓差引起傳遞流，密度差引起質(zhì)量流電熱差引起電流，化學(xué)位差引起化學(xué)反應(yīng)。

一、平衡的類別：1．穩(wěn)定平衡：熱力系統(tǒng)經(jīng)任何擾動(dòng)（微量的或有限的）后都能回到原來(lái)狀

態(tài)，則系統(tǒng)是在穩(wěn)定平衡之中。為了使問(wèn)題概念化，可用重力場(chǎng)中剛性球的力學(xué)模擬來(lái)描述。

2．亞穩(wěn)平衡：熱力系經(jīng)任何微量擾動(dòng)后仍能回到原來(lái)狀態(tài)，某種有限擾動(dòng)使系統(tǒng)離開(kāi)原來(lái)狀態(tài)而處于一個(gè)新的平衡狀態(tài)，則這個(gè)熱力系統(tǒng)處于亞穩(wěn)平衡之中。

3．不穩(wěn)平衡：熱力系統(tǒng)原來(lái)是平衡的，但只要存在某種擾動(dòng)（那怕是微量的）就會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生變化，則這個(gè)系統(tǒng)就是處在不穩(wěn)平衡之中。

4．隨遇平衡：隨時(shí)隨地變化的平衡狀態(tài)。二、狀態(tài)原理：確定一個(gè)系統(tǒng)平衡狀態(tài)所需的獨(dú)立變量的數(shù)目等于可能存在的可逆功方式的數(shù)目加一。“加一”是考慮到熱的相互作用。

簡(jiǎn)單系統(tǒng)我們通常遇到的是簡(jiǎn)單系統(tǒng)。所謂“簡(jiǎn)單”指系統(tǒng)只含一種可逆功形式。我們通常遇到的是簡(jiǎn)單系統(tǒng)簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)——容積改變dw=pdv

簡(jiǎn)單彈性系統(tǒng)——彈性伸長(zhǎng)

，應(yīng)變dw=-d

簡(jiǎn)單磁性系統(tǒng)——磁化

dw=HdM

顯然，對(duì)簡(jiǎn)單系統(tǒng)，由狀態(tài)原理知，確定平衡狀態(tài)的獨(dú)立變量數(shù)為2。

這樣我們就可寫(xiě)出平衡態(tài)的狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系式（狀態(tài)方程）

對(duì)簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)：f(P,T,V)=0,…對(duì)簡(jiǎn)單彈性系統(tǒng)：f(T,,)=0,…對(duì)簡(jiǎn)單磁性系統(tǒng)：f(T,H,M)=0,…狀態(tài)方程在熱力學(xué)中有極為重要的意義熱力學(xué)中的一切計(jì)算都在給定了狀態(tài)方程以后才能進(jìn)行。根據(jù)熱力學(xué)理論不能得到狀態(tài)方程的具體形式。對(duì)于理想氣體：大家很熟悉，有狀態(tài)方程PV=RT但對(duì)實(shí)際氣體f（工質(zhì)種類，T，P）PV/RT真實(shí)氣體的狀態(tài)方程究竟形式如何，許多專家學(xué)者作了不少努力，但仍沒(méi)有一個(gè)令人滿意的結(jié)果。研究狀態(tài)方程一般采用的有兩種方法：

一種方法——半經(jīng)驗(yàn)將狀態(tài)方程表示成級(jí)數(shù)的形式用實(shí)驗(yàn)來(lái)確定系數(shù)（實(shí)驗(yàn)工作量大：工質(zhì)種類，T）

另一種方法從理論上