热力学基本概念与基本定律

热力学基本概念与基本定律第1页，共23页，2023年，2月20日，星期六热现象的利用和发展原始人在争取自己生存条件的自然斗争中学会了取火和用火，这是人类取得的第一个巨大成就，是人类启蒙性地发掘利用热能的第一步，但这并不是热力学的开始，只是热现象的利用。18世纪前瓦特发明蒸汽机前，热能的主要利用方式是直接利用。1784年，瓦特对原始蒸汽机进行改造，增加了曲轴、进汽阀、排汽阀。蒸汽机的发明引发了欧洲产业革命，激发了人们对热现象的理论研究。第2页，共23页，2023年，2月20日，星期六1-1热力学基本概念一、工质、热源和热力系统

热机：蒸汽轮机、内燃机等工质：水蒸气(火电厂)、制冷剂(空调)

热源：高温热源、冷源系统(热力系，热力学系统)：

封闭系开口系绝热系孤立系第3页，共23页，2023年，2月20日，星期六1-1热力学基本概念二、工质的热力学状态及其状态参数

热力学状态平衡状态状态参数状态方程基本概念基本状态参数温度：T(开尔文)压力：p(帕Pa)比容：υ(m3/kg)第4页，共23页，2023年，2月20日，星期六1-1热力学基本概念三、状态的改变

过程准静态过程可逆过程循环第5页，共23页，2023年，2月20日，星期六热力学的建立—热一律1842年，迈耶提出了能量守恒原理。十九世纪中叶，焦耳前后用了20多年时间，做过多种多样的实验，测定了热功当量。1850年焦耳在第一篇总结论文中，以各种精确的实验结果的一致性，给出了能量守恒定律的实验基础，使得热力学第一定律得到充分的证实。此外，赫姆霍兹等人也都对热力学第一定律作出了贡献。第6页，共23页，2023年，2月20日，星期六焦耳：热一律的发现者之一英国物理学家。1818年12月24日生于英国的索尔福。他父亲是酿酒厂的厂主，焦耳从小体弱不能上学，在家跟父亲学酿酒，并利用空闲时间自学化学、物理。他很喜欢电学和磁学，对实验特别感兴趣。后来成为英国曼彻斯特的一位业余科学家。可以说焦耳是一位自学成才的杰出的科学家。

第7页，共23页，2023年，2月20日，星期六1-2热力学第一定律一、热力学第一定律的实质与表述

1。热可以变为功，功也可以变为热；

2。对于任何一个系统，输入系统的能量减去输出系统的能量，等于系统储存能量的增加。

系统从外界吸收的热量，一部分使系统的内能增加，另一部分使系统对外界做功。高等物理学描述：第8页，共23页，2023年，2月20日，星期六1-2热力学第一定律二、热力学第一定律解析式

一般表达：

单位质量表示：热量功能量增加第9页，共23页，2023年，2月20日，星期六1-2热力学第一定律三、热力学能、封闭系的第一定律表达式

一般表达：

单位质量表示：热量功内能增加第10页，共23页，2023年，2月20日，星期六1-2热力学第一定律四、焓、开口系的第一定律表达式1。稳定流动2。稳定流动能量方程(即开口系第一定律的解析式)

一般表达：

单位质量表示：第11页，共23页，2023年，2月20日，星期六1-2热力学第一定律四、焓、开口系的第一定律表达式焓的定义：焓也为状态参数，是导出状态参数H

称为焓h称为质量焓或比焓第12页，共23页，2023年，2月20日，星期六热力学的建立—热二律1824年，卡诺提出了卡诺循环和卡诺定理，发现了热能转变为机械能的根本条件，即必须有温度不同的热源和冷源，这从本质上说明了热力学第二定律。开尔文在1848年根据卡诺定理制定了“热力学温标”，克劳修斯在1850年根据卡诺定理提出了“熵”。在卡诺研究的基础上，1850-1851年间，克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律。第13页，共23页，2023年，2月20日，星期六1-3热力学第二定律一、熵、自然过程的方向性熵的定义：熵为状态参数，也是导出状态参数，单位：kJ/(kg·K)自然过程总是向着熵增加的方向进行的。熵是系统紊乱程度的表征，系统越纷乱无序，其熵值就越大。第14页，共23页，2023年，2月20日，星期六1-3热力学第二定律二、热力学第二定律、熵增原理1。热不能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体；

2。只冷却一个热源而连续做功的循环发动机是造不成功的。二者等价!克劳修斯说法开尔文说法第15页，共23页，2023年，2月20日，星期六1-3热力学第二定律二、热力学第二定律、熵增原理在经历任意过程之后，孤立系统的熵只会增加或保持不变，但永远不会减少。与热力学第二定律等价!熵增原理第16页，共23页，2023年，2月20日，星期六卡诺：热二律的奠基者卡诺的父亲是拿破仑第一执政手下的战争部长及滑铁卢战争前百日政权的内政部长。1812年，卡诺考入巴黎理工学院，在那里受教于泊松、盖－吕萨克、安培和阿喇戈这样一批卓有成就的老师。他主要攻读了分析数学、分析力学、画法几何和化学。28岁时发表《关于火的动力》，36岁去世。第17页，共23页，2023年，2月20日，星期六1-3热力学第二定律三、卡诺循环与卡诺定理由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程所构成的动力循环

卡诺循环热效率：第18页，共23页，2023年，2月20日，星期六1—2定温吸热过程2—3绝热膨胀过程3—4定温放热过程4—1绝热压缩过程卡诺循环是理想循环，实际中是不可能实现的。第19页，共23页，2023年，2月20日，星期六1-3热力学第二定律三、卡诺循环与卡诺定理1。在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆循环，均具有相同的热效率，且与工质的性质无关。2。在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆循环，其热效率必低于两个同样恒温热源间工作的可逆循环。第20页，共23页，2023年，2月20日，星期六热力学的完善—热三律1906年，能斯特根据低温下化学反应的大量实验事实归纳出了新的规律，并于1912年将之表述为绝对零度不能达到，即热力学第三定律。热