工程熱力學(xué) 課件 第0章 緒 論

工程熱力學(xué)緒論本課件將介紹工程熱力學(xué)的基本概念、原理和應(yīng)用。熱力學(xué)介紹研究能量及其轉(zhuǎn)換形式探討熱量和功的相互關(guān)系分析各種熱力學(xué)過程熱力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)電廠熱力學(xué)原理用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化發(fā)電廠，提高能源效率。航空航天熱力學(xué)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭推進(jìn)系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)。制冷和空調(diào)熱力學(xué)原理用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化制冷系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)等。熱量和功的概念熱量熱量是能量的一種形式,通過溫度差而傳遞。功功是能量的一種形式,通過力在位移方向上的作用而傳遞。熱力學(xué)定律第1定律1能量守恒能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，能量的總量保持不變。2熱量和功熱力學(xué)第一定律描述了能量在熱量和功之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。3熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律適用于封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)。熱力學(xué)定律第2定律1能量守恒能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式2能量流動(dòng)在自然過程中，能量總是從高溫物體流向低溫物體3不可逆過程能量轉(zhuǎn)化過程中，總是有一部分能量不可逆地轉(zhuǎn)化為熱能熵和無序度熵的概念熵是系統(tǒng)無序度的量度。熵越高，系統(tǒng)越無序。熵是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，只與系統(tǒng)的狀態(tài)有關(guān)，與系統(tǒng)經(jīng)歷的過程無關(guān)。無序度無序度是指系統(tǒng)的混亂程度。無序度越高，系統(tǒng)越混亂。熵是無序度的量化指標(biāo)。工程應(yīng)用實(shí)例工程熱力學(xué)在許多工程領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括：發(fā)電廠設(shè)計(jì)和優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)制冷和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)化工過程設(shè)計(jì)和優(yōu)化航空航天工程課程目標(biāo)和重點(diǎn)內(nèi)容1理解熱力學(xué)基本概念掌握熱力學(xué)的基本定律和概念，包括能量守恒、熵增原理等。2應(yīng)用熱力學(xué)分析工程問題能夠運(yùn)用熱力學(xué)原理分析和解決各種工程問題，例如熱機(jī)、制冷機(jī)、熱交換器等。3掌握熱力學(xué)計(jì)算方法掌握熱力學(xué)計(jì)算方法，包括能量平衡、熵平衡、熱力學(xué)循環(huán)等。熱量和功的轉(zhuǎn)換1熱量熱量是能量的一種形式，它可以從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，或從一個(gè)系統(tǒng)傳遞到另一個(gè)系統(tǒng)。熱量通常與溫度變化相關(guān)聯(lián)。2功功是能量的一種形式，它可以被用來移動(dòng)物體或改變物體的狀態(tài)。功通常與力或位移相關(guān)聯(lián)。3轉(zhuǎn)換熱量和功是可以相互轉(zhuǎn)換的。例如，熱量可以用來做功，功也可以用來產(chǎn)生熱量。熱機(jī)原理熱量輸入熱機(jī)從高溫?zé)嵩次諢崃?，例如燃燒燃料或利用太陽能。做功熱機(jī)將部分吸收的熱量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，例如推動(dòng)活塞或轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪。熱量輸出熱機(jī)將剩余的熱量排放到低溫?zé)嵩?，例如大氣或冷卻水。制冷機(jī)原理熱量吸收制冷劑在低溫蒸發(fā)器中吸收被冷卻空間的熱量，使被冷卻空間溫度降低。壓縮升溫壓縮機(jī)將低溫低壓的制冷劑壓縮成高溫高壓的制冷劑。熱量釋放高溫高壓的制冷劑在冷凝器中釋放熱量給環(huán)境，制冷劑溫度降低。膨脹降溫制冷劑通過節(jié)流閥膨脹，降低溫度和壓力，形成低溫低壓的制冷劑，再次進(jìn)入蒸發(fā)器循環(huán)。熱傳導(dǎo)溫度梯度熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，溫度梯度是熱量傳遞的驅(qū)動(dòng)力。分子振動(dòng)熱量通過物質(zhì)內(nèi)部的分子熱運(yùn)動(dòng)傳遞，高溫區(qū)域的分子振動(dòng)更劇烈，將能量傳遞給低溫區(qū)域的分子。材料性質(zhì)材料的熱傳導(dǎo)率決定了其傳熱效率，例如金屬的熱傳導(dǎo)率很高，而空氣則很低。熱對(duì)流流體運(yùn)動(dòng)熱量通過流體（液體或氣體）的運(yùn)動(dòng)傳遞。溫度梯度熱量從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域，導(dǎo)致流體運(yùn)動(dòng)。自然對(duì)流由于密度差異引起的流體運(yùn)動(dòng)，例如沸騰水。強(qiáng)制對(duì)流通過外力（如風(fēng)扇）驅(qū)動(dòng)的流體運(yùn)動(dòng)，例如空調(diào)系統(tǒng)。熱輻射熱輻射的概念熱輻射是指物體因溫度而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象，任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)射熱輻射。熱輻射的能量大小與物體溫度的四次方成正比，即溫度越高，發(fā)射的熱輻射能量越大。熱輻射的特性熱輻射不需要介質(zhì)傳播，可以在真空中傳播，而且具有方向性，熱輻射可以沿著直線傳播，也可以被反射、吸收和透射。熱交換裝置熱交換器是利用熱量傳遞原理，將熱量從一種流體傳遞到另一種流體的裝置。熱交換器在許多工業(yè)應(yīng)用中扮演著至關(guān)重要的角色，例如發(fā)電廠、化工廠、空調(diào)系統(tǒng)等。熱量測(cè)量熱量計(jì)熱量計(jì)是一種用于測(cè)量熱量的儀器，通過熱量計(jì)，我們可以測(cè)量各種物質(zhì)的熱容量和比熱容。熱電偶熱電偶是一種溫度傳感器，它利用兩種不同金屬之間的溫差來測(cè)量溫度。熱流傳感器熱流傳感器用于測(cè)量熱量流動(dòng)的速率。工程熱力學(xué)價(jià)值提高效率熱力學(xué)原理可以應(yīng)用于優(yōu)化能源轉(zhuǎn)換過程，提高效率，減少能源浪費(fèi)。推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展熱力學(xué)為可再生能源的利用和發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)，促進(jìn)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。改善生活質(zhì)量工程熱力學(xué)在制冷、空調(diào)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，改善人們的生活環(huán)境，提高生活質(zhì)量。熱力學(xué)基本概念1溫度溫度是指物體的冷熱程度，是熱力學(xué)中重要的基本概念。2熱量熱量是指物體之間由于溫度差而傳遞的能量，是能量的一種形式。3功功是指力作用在物體上，使物體在力的方向上移動(dòng)的能量傳遞形式。4內(nèi)能內(nèi)能是指物體內(nèi)部所有微觀粒子運(yùn)動(dòng)的能量總和，是一個(gè)狀態(tài)量。理想氣體狀態(tài)方程1狀態(tài)參數(shù)壓力(P)、體積(V)、溫度(T)和物質(zhì)的量(n)2理想氣體分子間無相互作用力的氣體模型3方程PV=nRT單相純物質(zhì)狀態(tài)參數(shù)壓力物質(zhì)的壓力是指其單位面積上所受的力。溫度溫度是衡量物質(zhì)內(nèi)部熱能的指標(biāo)。比容比容是指單位質(zhì)量物質(zhì)所占的體積。焓焓是體系的內(nèi)能和壓力與體積之積的總和。均相相平衡化學(xué)勢(shì)在同一相中，各組分化學(xué)勢(shì)相等，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。吉布斯自由能系統(tǒng)的吉布斯自由能最小，對(duì)應(yīng)著平衡狀態(tài)。熱力學(xué)關(guān)系式利用熱力學(xué)基本關(guān)系式推導(dǎo)出平衡條件?；瘜W(xué)平衡與反應(yīng)化學(xué)平衡可逆反應(yīng)中正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)物和生成物濃度保持不變的狀態(tài)。反應(yīng)速率反應(yīng)進(jìn)行的快慢程度，受溫度、濃度、催化劑等因素影響。平衡常數(shù)描述化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)反應(yīng)物和生成物濃度比值，反映反應(yīng)進(jìn)行的程度。非均相系統(tǒng)平衡相變平衡液體和蒸汽之間的平衡是相變平衡的典型示例。溶液平衡固體溶解在液體中，直到達(dá)到飽和狀態(tài)，形成溶液平衡。界面平衡不同相之間的界面處，物質(zhì)的交換和能量傳遞達(dá)到平衡?；瘜W(xué)反應(yīng)平衡可逆反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)可以是單向的，也可以是雙向的。雙向反應(yīng)稱為可逆反應(yīng)。平衡狀態(tài)可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)物和生成物的濃度不再變化。平衡常數(shù)平衡常數(shù)是衡量反應(yīng)平衡程度的指標(biāo)，它與溫度有關(guān)。離散系統(tǒng)分析方法1控制容積系統(tǒng)邊界2質(zhì)量守恒質(zhì)量進(jìn)出3能量守恒能量進(jìn)出4焓能量衡算連續(xù)系統(tǒng)分析方法1質(zhì)量守恒連續(xù)系統(tǒng)中，質(zhì)量輸入等于質(zhì)量輸出。2能量守恒能量輸入等于能量輸出，考慮熱量和功的轉(zhuǎn)換。3熵增原理系統(tǒng)熵值會(huì)增加，體現(xiàn)不可逆過程。熱力學(xué)第一定律應(yīng)用熱力學(xué)第一定律能量守恒定律，在封閉系統(tǒng)中，能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式或從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。應(yīng)用場(chǎng)景熱力學(xué)第一定律廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，如熱機(jī)、制冷機(jī)、熱交換器、燃燒過程等。能量分析利用第一定律，可以分析能量轉(zhuǎn)化和傳遞過程，并對(duì)能量損失進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。熱力學(xué)第二定律應(yīng)用1熱機(jī)效率熱力學(xué)第二定律限制了熱機(jī)將熱能轉(zhuǎn)換為功的效率，確定了最大理論效率。2制冷機(jī)性能制冷機(jī)從低溫環(huán)境吸熱并將其轉(zhuǎn)移到