工程熱力學(xué)第一章基本概念及定義

工程熱力學(xué)的定義和研究對(duì)象工程熱力學(xué)是一門研究能量轉(zhuǎn)換和傳遞規(guī)律的學(xué)科。它探討各種能量形式之間的相互轉(zhuǎn)換,以及如何利用和控制這些轉(zhuǎn)換過(guò)程。工程熱力學(xué)在工程實(shí)踐中有廣泛應(yīng)用,為優(yōu)化設(shè)備性能和提高能源利用效率提供重要理論依據(jù)。byJerryTurnersnull熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律表述了能量轉(zhuǎn)換的基本原理。它指出,能量既不能被創(chuàng)造出來(lái),也不能被破壞,只能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。第一定律還規(guī)定了熱量和功之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,即熱量的一部分可以轉(zhuǎn)化為功,反之亦然。這為熱功轉(zhuǎn)換機(jī)械提供了理論基礎(chǔ)。第一定律還闡明了封閉系統(tǒng)的內(nèi)能隨熱量和功的變化關(guān)系。它為分析和預(yù)測(cè)熱量和功的交換提供了有力依據(jù)。熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律闡述了自發(fā)過(guò)程的方向性原理。它指出,自發(fā)過(guò)程總是從無(wú)序到有序,從低溫到高溫發(fā)展。這是熱量在自然界中的傳播規(guī)律。第二定律給出了熱機(jī)效率的理論上限,即卡諾效率。它為設(shè)計(jì)高效熱機(jī)提供依據(jù),也是分析各種熱量轉(zhuǎn)換過(guò)程效率的標(biāo)準(zhǔn)。第二定律引入了熵的概念,揭示了熵增加是一切不可逆過(guò)程的特征。熵的增加反映了系統(tǒng)無(wú)序度的增大,也表示了能量利用效率的降低。熱力學(xué)溫度和熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫度是描述系統(tǒng)熱狀態(tài)的基本參數(shù)。它反映了系統(tǒng)內(nèi)部粒子的熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度,是一種絕對(duì)溫度。熱力學(xué)溫度有多種測(cè)量方法,如氣體熱膨脹、輻射測(cè)溫等,由此建立了不同的溫標(biāo)。常用的熱力學(xué)溫標(biāo)有攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)和開(kāi)爾文溫標(biāo)。它們分別以冰點(diǎn)、沸水點(diǎn)和絕對(duì)零點(diǎn)為參考,通過(guò)不同的溫度刻度劃分來(lái)表示熱狀態(tài)。不同溫標(biāo)間可以進(jìn)行換算,為工程應(yīng)用提供了統(tǒng)一的溫度表述方式。理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程是描述理想氣體壓力、體積、溫度三者關(guān)系的基本方程。它采用普適的數(shù)學(xué)形式來(lái)表達(dá)氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)特性,為分析和計(jì)算氣體工藝過(guò)程提供了依據(jù)。理想氣體的內(nèi)能和焓內(nèi)能是描述理想氣體分子熱運(yùn)動(dòng)能量的重要參數(shù)。它與氣體溫度成正比,體現(xiàn)了分子熱激振動(dòng)和平動(dòng)的總能量。內(nèi)能的變化與熱量和功的轉(zhuǎn)換過(guò)程密切相關(guān),是分析熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)。焓則是內(nèi)能加上壓力功的總量。它同樣反映了氣體的熱力學(xué)狀態(tài),在相變、化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。內(nèi)能和焓是描述理想氣體熱力學(xué)特性的兩大核心概念。理想氣體的定容過(guò)程1體積恒定在定容過(guò)程中,氣體的體積保持不變,不會(huì)發(fā)生膨脹或收縮。這是定容過(guò)程的關(guān)鍵特征。2壓力變化由于溫度變化,氣體壓力會(huì)隨之發(fā)生變化。壓力與溫度成正比,氣體溫度升高時(shí)壓力也會(huì)升高。3內(nèi)能變化在定容過(guò)程中,氣體內(nèi)能的變化完全由溫度變化決定。內(nèi)能與溫度成正比,溫度越高內(nèi)能越大。理想氣體的定壓過(guò)程1壓力恒定在定壓過(guò)程中,氣體壓力保持不變,不會(huì)發(fā)生升高或降低。這是定壓過(guò)程的核心特征。2體積變化由于溫度變化,氣體體積會(huì)隨之發(fā)生變化。溫度升高時(shí)體積增大,溫度降低時(shí)體積減小。3內(nèi)能和焓變化在定壓過(guò)程中,氣體內(nèi)能和焓的變化均由溫度變化決定。內(nèi)能和焓與溫度成正比。理想氣體的等溫過(guò)程壓力和體積成反比在等溫過(guò)程中,理想氣體的壓力和體積成反比。當(dāng)溫度保持不變時(shí),如果壓力增加,則體積會(huì)相應(yīng)減小。內(nèi)能不變由于溫度不變,理想氣體的內(nèi)能在等溫過(guò)程中保持恒定。內(nèi)能只與溫度有關(guān),不受壓力和體積的影響。熱量轉(zhuǎn)化為功在等溫膨脹過(guò)程中,吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為功。這一特點(diǎn)使等溫過(guò)程在熱機(jī)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。等溫線圖示在狀態(tài)圖上,等溫過(guò)程表現(xiàn)為壓力-體積平面上的等邊雙曲線。這些曲線反映了壓力和體積的變化規(guī)律。理想氣體的絕熱過(guò)程壓力和體積變化在絕熱過(guò)程中,理想氣體的壓力和體積成冪律關(guān)系變化。壓力隨體積的減小而急劇上升，反之亦然。這種變化曲線呈拋物線形狀。溫度變化由于沒(méi)有熱量交換,理想氣體的溫度隨壓力和體積的變化而發(fā)生變化。溫度變化與壓力和體積的變化趨勢(shì)一致。內(nèi)能和焓變化在絕熱過(guò)程中，理想氣體的內(nèi)能和焓都會(huì)發(fā)生變化。它們與溫度成正比，隨著溫度的升高而增大。絕熱過(guò)程圖示在狀態(tài)圖上，絕熱過(guò)程表現(xiàn)為壓力-體積平面上的等熵線。這些曲線反映了理想氣體在無(wú)熱量交換下的狀態(tài)變化。理想氣體的等熵過(guò)程1壓力和體積變化壓力與體積成冪律關(guān)系變化2溫度變化溫度隨壓力和體積變化3內(nèi)能和焓變化內(nèi)能和焓與溫度成正比在理想氣體的等熵過(guò)程中,由于沒(méi)有熱量交換,壓力和體積呈現(xiàn)冪律關(guān)系變化。壓力隨體積的減小而急劇上升,反之亦然。溫度也隨之變化,與壓力和體積的變化趨勢(shì)一致。此外,內(nèi)能和焓也會(huì)隨溫度的升高而增大。這些變化特點(diǎn)在狀態(tài)圖上表現(xiàn)為等熵線?；旌蠚怏w的狀態(tài)參數(shù)成分比反映了各組分氣體在混合氣體中所占的比例?？梢杂皿w積分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)等表示?？倝毫旌蠚怏w的總壓力等于各組分氣體分壓之和。符合Dalton定律。平均摩爾質(zhì)量混合氣體的平均摩爾質(zhì)量由各組分氣體的摩爾質(zhì)量及其成分比加權(quán)計(jì)算得出。平均比熱容混合氣體的平均比熱容同樣由各組分氣體的比熱容及其成分比加權(quán)計(jì)算?；旌蠚怏w的熱力學(xué)性質(zhì)1部分壓力混合氣體中每種組分氣體的部分壓力等于其總壓力乘以成分比。2部分摩爾體積每種組分氣體在混合氣體中的部分摩爾體積等于混合氣體總摩爾體積乘以該氣體的摩爾分?jǐn)?shù)。3混合焓變化混合氣體的焓變化等于各組分氣體焓變化的加權(quán)和。4混合熵變化混合氣體的熵變化包括理想混合熵增加和各組分氣體熵變化。蒸汽的狀態(tài)參數(shù)和熱力學(xué)性質(zhì)飽和壓力飽和蒸汽壓力是蒸汽在給定溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的壓力。它是蒸汽重要的狀態(tài)量之一,可用于確定蒸汽的其他熱力學(xué)性質(zhì)。比體積飽和蒸汽的比體積是指單位質(zhì)量蒸汽所占據(jù)的體積。它受溫度、壓力等因素影響,是熱力循環(huán)分析的關(guān)鍵參數(shù)。比焓蒸汽的比焓反映了其內(nèi)部能量。它包括感熱部分和汽化潛熱部分,是判斷蒸汽熱量特性的重要指標(biāo)。比熵蒸汽的比熵描述了其無(wú)序程度。它與溫度和壓力有關(guān),在分析蒸汽熱力循環(huán)時(shí)起重要作用。蒸汽壓力和飽和溫度的關(guān)系飽和溫度蒸汽在特定壓力下達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度稱為飽和溫度。飽和溫度隨壓力的變化而變化。飽和蒸汽壓力蒸汽在特定溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的壓力稱為飽和蒸汽壓力。這兩個(gè)量是相互對(duì)應(yīng)的。對(duì)應(yīng)關(guān)系相同的溫度和壓力條件下，飽和溫度和飽和蒸汽壓力是唯一對(duì)應(yīng)的?？梢酝ㄟ^(guò)參考表格或曲線圖查找。蒸汽過(guò)熱度和濕度過(guò)熱度蒸汽過(guò)熱度指蒸汽溫度高于該壓力下飽和溫度的差值。過(guò)熱度反映了蒸汽的熱量性能。濕度濕度是指蒸汽中水汽含量的多少。濕度可以用飽和度來(lái)表示,表示實(shí)際蒸汽壓力占飽和蒸汽壓力的比例。濕度測(cè)量濕度通常用濕球溫度和干球溫度的差值來(lái)表示。利用這種測(cè)量方法可確定蒸汽的實(shí)際濕度。濕空氣的