高等工程热力学(研究生学习)

温度与热力学第零定律
热力学温标与其它温标
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273.16 K， 1954年第十届 国际计量大会 正式采纳。
K 水沸点 373.1243
°C 99.9743
°F 211.95
水三相点
冰点
温度计
测温属性
气体温度计
液体温度计 电阻温度计 热电偶 磁温度计 光学温度计
压力或体积
体积 电阻 热电动势 磁化率 辐射强度
温度与热力学第零定律
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。
温度与热力学第零定律
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。
A p dx
dwre F dx p A dx p dV
pb
wre pdV
1
2
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。
在p－Ｖ图上表示：
p
1
p
2
V

１－２线下的面积即为功，所以p－Ｖ图叫示 功图。
（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。
p T Ttr p tr
p T ( p) 273.16 lim ( K ) p 0 ptr
tr
温度与热力学第零定律
T
理想气体温标应用
气体A
气体B
p T 273.16 lim ptr 0 p tr
pv Z RT
ptr v pv 1 ZRT 273.16Z tr R
气体C
(K)
ptr

能量与能量守恒的发现

19世纪30年代，法拉第(Michael Faraday, 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；
热力学第一定律
能量与能量守恒的发现

1819年丹麦物理学家奥斯特(Hans Christian Ǿrsted, 1777-1851)发现电流还 可以产生磁场 ；
p Z tr T 273.16 ptr Z
温度与热力学第零定律
地点或状态 激光管内发射激光的气体 宇宙大爆炸后的10-43 s 氢弹爆炸中心 实验室已获得的最高温度 太阳中心 地球中心 乙炔焰 月球向阳面 地球最高气温（利比亚） 地球上的最低气温（南极） 月球背阴面 He的正常沸点 星际空间 核自旋冷却法 激光冷却法(朱棣文) 温度 ~0 K 1032 K 108 K 6107 K 1.5107 K 4000 K 2900 K 400 K(127 C) 331 K(58 C) 185 K(-88C) 90 K(-183 C) 4.2 K 2.7 K 210-10 K 2.410-11 K
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；
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
F dx
dw F dx
w F dx
1
2
① Ｗ在传递中才有意义，一旦越过边界，就成为外界的能量。 ② Ｗ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／Ｓ ④ 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.
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。
p 1(p1,v1) T 1(T1,s1)
p1
T1 v
s s1
v1
２．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：
热能 热能
热能
机械能
工质状态变化
功
动能
热力系只能对平衡态进行描述
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。
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。
Ａ Ｂ Ｃ
温度是决定系统间是否处于热平衡的物理量。
• • 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。
dQ m c dT
Q mcdT
1 2
2.3. 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。
《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。
（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。
能量与能量守恒的发现

热力学第一定律


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(James Prescott Joule, 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。
273.16 273.15
0.01 0.00
32.02 32.00
绝对零度
o
0
o
-273.15
-459.67
t ( C) T 273.15
9 o t ( F) 32 t ( C) 5
温度与热力学第零定律
பைடு நூலகம்
• 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：
移动的
真实的
固定的
移动的
1
2
1
假定的
假设的
变化的 固定的 2
假设的
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。

1822年，德国科学家塞贝克(Thomas Seebeck, 1770-1831)发现了“热电效应”， 由热效应可产生电流 ；
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。
考查一个渐变的过程：
状态1
一系列中间状 态
状态2
p 1
2
v
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。
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： pv RT 理想气体方程： a ( p 2 )(v b) RT 范德瓦尔斯方程： v

平衡状态下，可用二维平面坐标图描述系统状态：
W0 QH
QL 逆向循环制冷系数: W0
热泵循环系数:
QH W0
本章小结：
热
准静态 过程 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。
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。
第二章：热力学基本定律
热力学第一定律的本质

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：
v V (m3 / k g) m
密度是单位容积内所含物质的量。
m (k g / m3 ) V

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。
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。

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
p
A
1
B
2
V
(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。
高温热源
QH
高温热源
QH
输出功
QL
输入功
QL
低温热源
低温热源
正向循环效率（热效率）: t

热力学第一定律
能量与能量守恒的发现

18世纪，意大利外科医生高瓦尼(Luigi Galvani, 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(Alessandro Volta, 17451827)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；