高等工程热力学研究生学习

《高等工程热力学》能源——为人类提供能量和动力的物质资源。常见能源有：化石能、水力能、太阳能、风能、地热能、海洋能、核能等绝大多数能源都是以热能的形式为人类服务，但我们需要的却主要是动力。人类利用热能目前主要有两种形式：(1)热能的直接利用——能的形式不发生变化；如：取暖、烘烤、冶炼、蒸煮等。(2)热能的间接利用——能的形式发生变化，转变为机械能、电能等；如：热力发电厂、内燃机等，主要用于交通运输、机械制造等。热能利用的历史就是一部人类的发展史：远古时代钻木取火（烤食、取暖）原始社会时期古代冶炼、制造金属工具（直接利用）封建社会时期近代（1784）发明蒸汽机（间接利用）工业革命资本社会时期现代建立完善的热工理论（间接利用）（产生了飞机、火车、汽车、制冷、原子能）信息社会当今热传递问题（传热学）如何提高效率间接利用（工程热力学）第一章：热能转变的基本概念1.热力系、状态和状态参数1.1.热力系与工质⑴热力系——人为地选取一定范围的物质作为研究对象，这个对象称为热力系统（system）。⑵外界——热力系以外的物质（也称为环境）。⑶边界——热力系与外界的交界面（界面）。边界可以是假设的，也可以是真实的；可以是固定的，也可以是运动的。真实的固定的移动的12移动的12假设的固定的假设的假定的变化的⑷闭口系——与外界没有物质交换的热力系（但可以有能量交换，如加热）。⑸开口系——与外界有物质或能量交换的热力系⑹绝热系——热力系与外界无热量交换（但有其它能量交换，如功）⑺孤立系——热力系与外界无任何能量和物质交换。⑻简单可压缩系——由可压缩的流体构成，与外界只有容积变化功交换.⑼热源（冷源）——能为热力系提供无限热能（冷量），而自身温度不会发生变化。（高温热源、低温热源）。⑽单元系、均相系、多元系、均匀系、非均匀系、复相系等。⑾工质——用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。1.2热力系的状态及状态参数热力系的状态——热力系在某一瞬间呈现的宏观物理状况。平衡状态——在没有外界影响条件下，系统各部分长时间内不发生任何变化的状态。状态参数——用于描述系统平衡状态的物理量。状态参数可分为两类：尺度量（广延量）——与系统所包含的物质量有关的量称为尺度量。强度量——与所含物质量无关，热力系中任一点都具有相同的数。)/(3kgmmVv1.3.基本状态参数常用的状态参数：压力p，比容v，温度Ｔ，内能U，焓Ｈ，熵Ｓ。基本的热力学参数:比容v，压力p，温度Ｔ.（１）比容比容是单位质量的物质所占有的容积。若m(kg)物质占有的容积为Ｖ(m3)，则比容为：密度是单位容积内所含物质的量。)/(3mkgVm（２）压力p（Ｐa）压力是指单位面积上所承受的垂直作用力。p=F/A(N/m2)常用单位有：kPa;Mpa;mmHg;atm;托通常用压力表或真空表测量流体压力.绝对压力（p）——物质的真实压力。大气压力（pb）——大气环境的真实压力。表压力（pg）——压力表上读到的压力。真空度（pv）——真空计上的读数。表压力与真空度均是环境压力与绝对压力的差，所以当p＞pb时，p＝pg＋pb当p＜pb时，p＝pb－pv（３）温度温度是物体冷热程度的标志温度概念的建立以热力学第零定律为依据。第零定律：Ａ与Ｂ处于热平衡；Ｂ与Ｃ处于热平衡，则Ａ与Ｃ必然处于热平衡。ＡＢＣ温度是决定系统间是否处于热平衡的物理量。温度的意义温度的热力学定义：决定一个系统是否与其它系统处于热平衡的宏观性质。处于热平衡的各系统温度相同。温度的热力学定义提供了温度测量的依据，即被测物体与温度计处于热平衡时，就可以从温度计的读数确定被测物体的温度值。温度测量和温度计温度计测温原理：当一个物体的温度改变时，物体的其它性质也将随之发生变化，可根据这些变化性质中的某些参数测量物体的温度，指明温度的数值。温度与热力学第零定律温度计测温属性气体温度计压力或体积液体温度计体积电阻温度计电阻热电偶热电动势磁温度计磁化率光学温度计辐射强度温标为了给温度的测量赋予一定数值，必须科学地建立起一套规则，把不同的温度指定不同的数值,这就是所谓的温标。华氏温标：(氯化铵)盐水混合物的冰点温度为0℉，人体温度为100℉；摄氏温标：将1个标准大气压下水的冰点和蒸气点之间的温度等分为100℃，并以冰点作为0℃。温度与热力学第零定律经验温标的问题：什么叫做均分？即假定了一种物质的某一性质与温度成线性关系。如果这样，其他物质的这一性质，或者同一物质的其他性质就不一定也和温度成线性关系。使用不同的物质作为测温的工质得到不同的结果；热力学温标：从热力学第二定律出发得到的绝对温标，与任何工质无关，是一种理论温标；温度与热力学第零定律热力学温标与其它温标温度与热力学第零定律热力学温标只需要定义一个温度的量值，其它温度值就全部确定了。1854年，开尔文提议将水的三相点温度定义为273.16K，1954年第十届国际计量大会正式采纳。K°C°F水三相点273.160.0132.02冰点273.150.0032.00水沸点373.124399.9743211.95绝对零度0-273.15-459.67o(C)273.15tToo9(F)32(C)5tt•利用某些气体在低压下,压力或容积随温度的变化是确定温标的最佳选择；•理想气体温标其定义与热力学温标一致，是其一级近似，不过是一种经验温标；•定容式温度计的测量原理：温度与热力学第零定律trtrTppT)(lim16.273)(0KpppTtrptr理想气体温标应用温度与热力学第零定律pvZRTTptr气体A气体B气体Ctr0tr273.16lim(K)ppTptrtr1273.16pvpvZRTZRtrtr273.16ZpTpZ温度与热力学第零定律地点或状态温度激光管内发射激光的气体~0K宇宙大爆炸后的10-43s1032K氢弹爆炸中心108K实验室已获得的最高温度6107K太阳中心1.5107K地球中心4000K乙炔焰2900K月球向阳面400K(127C)地球最高气温（利比亚）331K(58C)地球上的最低气温（南极）185K(-88C)月球背阴面90K(-183C)He的正常沸点4.2K星际空间2.7K核自旋冷却法激光冷却法(朱棣文)210-10K2.410-11K我们身边的温度1.4.状态方程两个相互独立的状态参数可以确定系统平衡态。三个基本状态参数之间的关系，称为状态方程。常见的状态方程有：理想气体方程：范德瓦尔斯方程：平衡状态下，可用二维平面坐标图描述系统状态：RTpvRTbvvap))((21(T1,s1)TT1s1s1(p1,v1)pp1v1v２．热力过程、功和热量2.1.热力过程要实现热能与机械能的相互转化，必须通过工质的状态变化才能实现：工质状态变化热力系只能对平衡态进行描述热能热能热能机械能功动能准平衡态•由此引进准平衡态的概念！•准静态就是无限接近于平衡态的状态。考查一个渐变的过程：状态1状态2一系列中间状态1vp2可逆过程——如果系统完成某一热力过程后，再沿原路经逆向返回，能使系统和外界都恢复原来状态而不留下任何变化的过程。（要包括系统及外界都不发生任何变化）特征：（１）可逆过程必然是准平衡过程。（２）可逆过程不应有摩擦、电阻、磁阻等耗散效应存在。可逆过程是理想过程（充要条件）：只有准平衡且无任何耗散效应的过程才是可逆过程。实际过程都是不可逆的。2.2.功和热量功——在力的作用下，通过宏观有序运动而传递的能量FdxdxFdw21dxFw①Ｗ在传递中才有意义，一旦越过边界，就成为外界的能量。②Ｗ是过程量，与初终态有关，还与过程有关。③系统对外做功为正，外界对系统做功为负。功的单位：Ｊ（焦耳）功率单位Ｗ（瓦特）＝Ｊ／Ｓ④热力系通常是通过容积变化来实现功的传递的，称容积变化功.⑤在准静态可逆过程时，对外做功由系统内部参数决定的，不用考虑外界因素。dxppbAdVpdxApdxFdwre21pdVwre在p－Ｖ图上表示：１－２线下的面积即为功，所以p－Ｖ图叫示功图。pV12p（２）热量——是在温差作用下，通过微观粒子无序运动传递的能量。••热量是过程量。••系统吸热取正号，放热取负号。••热量为：热容与其变化温差的乘积。dTcmdQ21mcdTQ2.3.热力循环系统由某一初态出发，经历一系列中间状态，最后又回到初态的过程称为热力循环。（封闭过程）特征：（１）它是一个封闭的过程。BpV21A(2)目的:是实现连续的能量转换（Ｗ、Ｑ是过程量，使之可能）(3)分类:可逆与不可逆循环；动力循环；制冷循环；热泵循环。正向循环——膨胀功大于零，顺时针。逆向逆向——膨胀功小于零，逆时针。正向循环效率（热效率）:逆向循环制冷系数:热泵循环系数:HtQW00WQH0WQL高温热源低温热源输出功QHQL高温热源低温热源输入功QHQL本章小结：过程参数只由系统内部参数决定。通过循环可以连续将热转换为功。输入热能为正；输出热能为负。系统输出功为正；输入功为负。热准静态过程功第二章：热力学基本定律热力学第一定律的本质热力学第一定律说明了功热变换的数量关系.热力学第一定律表达了能量在传递和转化过程中的守恒性，是自然界必须遵循的普遍规律之一。热力学第二定律的意义第二定律说明了能量不但有数量关系还有品质关系.第二定律表达了能量在传递和转化过程中的不可逆性，能量可以相互转化，但不同能量的转换能力是不同的。能量与能量守恒的发现18世纪，意大利外科医生高瓦尼(LuigiGalvani,1737-1798)发现，带电金属块可使死青蛙的腿抽动－电创造了生命？物理学家伏达(AlessandroVolta,1745-1827)认识到这不过是由于电流的通过引起的，1800年发明了“伏达电极”，世界上第一个“化学电池”：电流从化学反应中产生；热力学第一定律能量与能量守恒的发现19世纪30年代，法拉第(MichaelFaraday,1791-1867)发现了其逆效应，即电流可以驱动化学反应，电流也可以产生光和热；能量与能量守恒的发现1819年丹麦物理学家奥斯特(HansChristianǾrsted,1777-1851)发现电流还可以产生磁场；1822年，德国科学家塞贝克(ThomasSeebeck,1770-1831)发现了“热电效应”，由热效应可产生电流；热力学第一定律能量与能量守恒的发现1831年，法拉第发现变化的磁场可以产生电流；所有这些发现将热、电、磁、化学反应交织在一起，也使人们认识到在这些变化中有一种不可消灭的“能量”在传递。能量与能量守恒的发现1787年，拉瓦锡(A.L.Lavoisier)提出热质(Caloric)一词，后来进一步发展为热质说焦耳(JamesPrescottJoule,1818-1889),生于曼彻斯特市郊酿酒厂老板家庭，没有受过正规教育；他20岁研制磁电机，试图代替父母酿酒厂中的蒸气机但没有成功，但发现了电流可以作机械功，也产生热。热力学第一定律能量与能量守恒的发现1840年，焦耳开始研究电流热效应，1844年要求在英国皇家学会宣读论文但遭拒，1847年在牛津的科学技术促进协会上介绍了实验结果，1849年6月21日作了一个《热功当量》的总结报告。1850年，实验结果已使科学界公认能量守恒。做功使系统温度升高，散热使系统平衡，发现在热力过程中，热功总量是不变的，热可以变成功，功可以变为热。焦耳－汤母逊实验1.1.第一定律的实质热力学第一定律的实质是能量守恒定律。热力学第一定律是能量守恒和转换定律在具有热现象的能量转换中的具体应用定律。热力学中的能量转换关系主要是考察热力系在与外界进行能量交换时系统总能的变化情况，第一定律就是描述这种转换的量的守恒关系。1.2.热力学第一定律的一般表达式能量守恒一般可写成：进入系统的能量—流出系统的能量＝系统内部能量的增量对于一个封闭系统闭循环过程称