高等工程热力学

高等工程热力学第一章基本概念1.1工程热力学的研究对象及其特点•热物理学(简称热学)研究有关物质的热运动以及与热相联系的各种规律的科学，它渗透到自然科学的各个领域。•工程热科学热物理学在工程领域的分支和应用，工程热科学涉及的内容很多，主要有工程热力学、传热学、物质的热物理性质以及这些性质在工程领域和新技术方面的应用等等。第一章基本概念•热力学研究方法经典热力学方法：宏观描述方法统计物理学的方法：微观描述方法•分别从不同角度去研究问题，它们自成独立体系，相互间又存在密切的联系，相互补充。•宏观描述方法与微观描述方法的紧密结合，使热力学成为联系微观世界与宏观世界的一座桥梁。第一章基本概念•热力学从对热现象的大量的直接观察和实验测量所总结出来的普适的基本定律出发，应用数学方法，通过逻辑推理及演绎，得出有关物质各种宏观性质之间的关系、宏观物理过程进行的方向和限度等结论。•任何宏观的物质系统包括化学的、生物的系统，只要与热运动有关，总应遵循热力学规律。•热力学基本定律是自然界中的普适规律，只要在数学推理过程中不加上其他假设，这些结论也具有同样的可靠性与普遍性。第一章基本概念•经典热力学具有普遍内容的唯一的物理理论，是具有普遍性的一门科学，可应用于任何的宏观的物质系统。局限性：第一，它只适用于粒子数很多的宏观系统；第二，它主要研究物质在平衡态下的性质；其三，它把物质看为连续体，不考虑物质的微观结构。它只能说明应该有怎样的关系，而不能解释为什么有这种基本关系。第一章基本概念•统计物理学热力学的微观描述方法从物质由数量巨大的分子、原子组成的前提出发，运用统计的方法，把宏观性质看作微观粒子热运动的统计平均值，由此找出微观量与宏观量之间的关系。弥补了热力学方法的不足，使热力学的理论具有更深刻的意义。局限性在于它需对研究的体系作出简化假设(微观模型)，使得所得到的理论结果常与实验不能完全符合。第一章基本概念•工程热力学热力学在工程领域的分支，是研究能量(特别是热能)的性质及其转换规律的科学热力学引用的概念常与能量及其转换有关。能量和物质不可分割，能量的转换有赖于物质状态的改变，而且能量具有数量和质量的双重属性。引入了与物质有关的概念，如理想气体、实际气体和蒸汽等；与描写状态和过程有关的概念，如平衡态、可逆过程等；又有熵、热能与机械能、热量与功量等对应的概念。围绕工程应用还引进表征能量利用经济性的概念，如热效率、火用效率等。热力学中的概念有些是建立热力学基本理论必不可少的，例如温度、平衡态、可逆过程、能量、熵、热量与功等，称为基本概念。基本概念中，温度是为研究热现象引进的物理量，平衡态与可逆过程是经典热力学的研究前提，因此这三个基本概念尤其重要。第一章基本概念•传热学研究由于温差而实现的热量传递规律的科学。热力学指出，凡是有温差的地方，就有热量自高温物体传向低温物体(或从物体的高温部分传向低温部分)。由于自然界到处存在温差，所以热量传递是普遍的现象。由于热量传递的推动力是温差，所以温度分布对热量传递有重大影响。采用数学的手段研究、分析热量传递过程，一般要假定研究对象是连续体，由于热科学研究对象由数量十分庞大的微观粒子所组成，所以只要被研究对象的几何尺度大于微观粒子的平均自由程，连续体的假定即可成立，温度等参数即可认为是连续函数。第一章基本概念1.2温度1.2.1温度的热力学定义物系的温度是用以判别它与其他物系是否处于热平衡状态的参数。温度的热力学定义明确给出了温度的物理意义。温度和热平衡概念直接联系，两物系只要温度相同，它们间就处于热平衡，而与其他状态参数如压力、体积等的数值是否相同无关，只有温度才是热平衡的判据。第一章基本概念1.2.2热力学温标•温度测量的理论依据:热力学第零定律•经验指出，实际测温物质标志温度的物理量和温度的关系，严格地讲都是非线性的，这一函数随测温物质的性质而定。第一章基本概念•建立温标时，首先要规定温度和标志温度的物理量的函数关系这一关系不受具体测温物质的限制，可以任意规定。为使温度和标温物理量成正比，通常取成线性关系：•为了确定待定常数，要选定温标的标准点，并规定标准点的温度数值。确定待定常数实质上就是规定温度计量单位的大小和温度的计数起点。第一章基本概念•国际上用水的汽、液、固共存的三相点为标准点，并规定三相点的温度为273.16K。国际单位制(SI)中温度的计量单位称为“开尔文”，单位符号为K。•标定温度的公式某种标志温度的物理量相应于三相点状态之值第一章基本概念•国际温标:以水的三相点为标准点，并规定其温度为273.16K，而建立的温标称为国际温标。•摄氏温标:如标准点和温度计量单位的大小保持不变，而把标准点(三相点)的温度规定为0.01℃时，所得温标称为国际摄氏温标。•国际温标与国际摄氏温标的关系是第一章基本概念•建立温标时，对标定温度的物理量仅要求它和温度的变化成线性关系，除此以外，不受其他的限制。因此，标温的物理量可以和物质的性质有关，也可以和物质的性质无关，甚至实际中是否真正有这种性质的物理量存在也无关紧要。第一章基本概念•如理想气体体积不变时，它的压力和温度成线性变化•标温物质：理想气体当作，而把作为•标温物理量：压力•标准点：水的三相点第一章基本概念•理想气体温标公式第一章基本概念•另例：与物性无关的热量Q作为标温的物理量卡诺循环第一章基本概念•卡诺循环热源放出或吸入的热量与热源的温度成正比•这种应用热力学原理建立的温标称为热力学温标。但是，可逆循环难以实现，精确地测量Q和Qtp也有困难，所以热力学温标无法直接实施。尽管如此，热力学温标的建立有着深远的理论价值，它是最科学、最严密的基本温标。第一章基本概念•理想气体温标的气体温度计虽与采用的某种气体种类无关，但温度读数必须校正到理想气体状态时读数。这种测量和修正都是极为精确和繁复的工作，只有极少数实验室有此条件，因此，目前气体温度计仅作为一级标准温度计。实用的二级温度计采用国际实用温标，它所得出的温度偏离热力学温标极小，广泛用于校核科研或工业用温度计。第一章基本概念•1990国际温标(ITS-90)规定：①容易复现的固定点的气体温标温度和用以检定仪器的二级参考点的温度；②二级温度标准的仪器仪表的度数用于根据固定点进行内插的公式。第一章基本概念第一章基本概念•(ITS-90)将适用于温度测量和内插的方法概括为四个分区：(1)从0.65K到5.0K根据3He和4He的蒸气压测量；(2)从3.0K到24.5561K用氦气定容气体温度计测量；(3)从13.8033K到1234.93K按照技术规范用在表中的固定点标定的标准铅电阻温度计测量；(4)高于1234.93K通过测量可见光谱的辐射强度，与Ag、Au或Cu凝固点同波长辐射强度比较，并且根据普朗克黑体辐射方程确定温度值。第一章基本概念1.3.1平衡状态1.3平衡状态•一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态称为平衡状态。•平衡状态是研究热现象时为简化物体状态随时间变化的复杂性而引用的基本概念。•热力学中的平衡是指物系的宏观状态而言，由于组成物系的粒子总在永恒不息的运动中，其微观状态，是不能不变的，如平衡态物系的温度不随时间变化，是指分子的平均移动动能为恒值。第一章基本概念•平衡和均匀•处于平衡状态物系的状态不随时间改变，平衡和时间的概念联系在一起。•均匀则指物系内部空间各点的状态参数均匀一致，均匀是相对空间而言的。•不平衡系一般是不均匀系，但处于平衡态的物系未必一定是均匀的。第一章基本概念•处于重力场中的气体或液体平衡时上部和下部的密度不同，不能称为均匀系。•但若所研究物系的高度有限，重力场对气体密度的影响甚微，可以忽略不计，从而把处于平衡状态的单相物系看作均匀系。•汽液两相平衡的物系，即使略去重力场的影响，两相的密度相差甚大，此时，物系虽处于复相平衡状态，但不能看作均匀系了。第一章基本概念•1.3.2局部平衡假设平衡状态下，由于势差消失，所以无论是热量的传递还是其他能量的传递的速率均趋于零。为了描述实际有限势差作用过程，常引用局部平衡假设。局部平衡假设是把处在不平衡状态的体系，分割成许多小部分(这些宏观上“小”的部分，在微观上仍包含有大量的粒子)，假设每小部分各自近似地处于平衡状态。这样，每一子体系，就可用状态参数来描述。对于像热力学能、熵等这样的广延参数，将各部分的数值相加，即可得整个体系的值，温度和压力这类强度参数，可以看作连续分布，形成所谓的“场’’的概念。第一章基本概念•温度场就是物体中温度随时间和空间坐标的分布稳态温度场第一章基本概念1.4平衡的判据热平衡力平衡相平衡化学平衡第一章基本概念1.4.1平衡判据在没有外界影响的条件下，一个系统是否平衡，完全由其本身的状态确定，所以可以用系统的某种状态函数作为平衡的判据。同时，可以想象平衡判据应随系统的约束条件而异。另外在导出平衡判据时应注意，系统可能发生化学反应或相变，一个总质量恒定的化学系统在达到化学平衡前各组分的质量并非恒量，因而系统的热力学能、焓及体积等性质也随各组分质量变化而变化。第一章基本概念•孤立系•孤立系熵增原理孤立系自发变化的方向(dsiso0)和实现平衡的条件(dsiso=0)约束条件:E=常数第一章基本概念•对于只有体积变化功一种模式的功交换的简单可压缩系统和外界没有功交换：系统的体积不应改变无热交换：系统的热力学能也不变第一章基本概念•非孤立系统•简单可压缩系统与系统进行热量交换的外界热源温度包括膨胀功在内的系统对外作功的总和第一章基本概念•若系统变化过程中温度T为常数，考虑到系统与外热源保持热平衡，则二者温度相等T=TrA,亥姆霍兹函数(Helmholtzfunction)第一章基本概念•V=常数•定温定容系统过程进行的方向是dAT,V0；实现平衡的条件为dAT,V=0第一章基本概念•如约束条件为T=常数及p=常数•定温定压系统可用自由焓变化指出过程的方向(dGT,p0)及平衡的条件(dGT,p=0)自由焓，又称吉布斯函数(Gibbsfunction)第一章基本概念•一个由r种物质组成的化学系统，它的自由焓函数因化学不平衡而产生的G的变化第一章基本概念第一章基本概念第一章基本概念1.4.2稳定平衡判据孤立系统判别是平衡或是非平衡用以确定平衡是否稳定第一章基本概念•难以观察到的平衡态---不稳定平衡•稳定平衡•稳定与亚稳定平衡•纯质饱和状态的饱和蒸汽和饱和液体属稳定平衡态，但是温度高于饱和温度的液体(过热液)和低于饱和温度的蒸汽(过冷蒸汽)只有在实验中方可观察到。如有凝结核心形成，过冷蒸汽会迅速消失而成饱和液体。过热液和过冷蒸汽都是亚稳定平衡态。第一章基本概念•定温定容系统•定温定压系统第一章基本概念1.5准平衡(准静态)过程和可逆过程1.5.1准平衡过程•过程进行得相对缓慢，工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需的时间，即所谓的弛豫时间又很短，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致显著偏离平衡状态，这样的过程叫做准平衡过程第一章基本概念1.5.2可逆过程•当物系完成了某一过程之后，如果有可能使它沿相同的路径逆行而回复到原来状态，并使相互作用中所涉及到的外界亦回复到原来状态，而不留下任何改变，则这一过程叫做可逆过程。不满足上述条件的过程为不可逆过程。第一章基本概念•一个可逆过程，首先应是准平衡过程，同时在过程中不应有任何耗散效应，这是可逆过程的基本特征。•准平衡过程和可逆过程的区别在于：•准平衡过程着眼于系统内部的平衡，有无外部机械摩擦对工质内部的平衡并无关系，准平衡过程进行时可能发生能量耗散；•可逆过程则是分析系统与外界作用所产生的总效果，不仅要求系统内部平衡，而且要求过程进行时不存在任何能量的耗散。•可见，可逆过程必然是准平衡过程，而准平衡过程只是可逆过程的必要条件。第一章基本概念1.6热量和功1.6.1热量•定义为：仅仅由于两个系统之间温度不同而引起的从一个系统向另一个系统传递的能量。•按照这个定义，热量是在能量传递过程中的一种能的传递量，只有当热量越过系统的边界