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1、第1章 热力学基本概念与基本定律第1页，本讲稿共23页热现象的利用和发展v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。v18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。v1784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，本讲稿共23页1-1 热力学基本概念热力学基本概念一、工质、热源和热力系统一、工质、热源和热力系统 热机：蒸汽轮机、内燃机等热机：蒸汽轮机、内燃机等 工质：水蒸气工质
2、：水蒸气(火电厂火电厂)、制冷剂、制冷剂(空调空调)热源：高温热源、冷源热源：高温热源、冷源 系统系统(热力系，热力学系统热力系，热力学系统)：封闭系封闭系 开口系开口系 绝热系绝热系 孤立系孤立系第3页，本讲稿共23页1-1 热力学基本概念热力学基本概念二、工质的热力学状态及其状态参数二、工质的热力学状态及其状态参数 热力学状态热力学状态 平衡状态平衡状态 状态参数状态参数 状态方程状态方程基基本本概概念念基基本本状状态态参参数数温度：温度：T(开尔文开尔文)压力：压力：p(帕帕Pa)比容：比容：(m3/kg)第4页，本讲稿共23页1-1 热力学基本概念热力学基本概念三、状态的改变三、状态的
3、改变 过程过程 准静态过程准静态过程 可逆过程可逆过程 循环循环第5页，本讲稿共23页热力学的建立热一律v18421842年，迈耶提出了能量守恒原理。年，迈耶提出了能量守恒原理。v十九世纪中叶，焦耳前后用了十九世纪中叶，焦耳前后用了2020多年时间，做过多种多多年时间，做过多种多样的实验，测定了热功当量。样的实验，测定了热功当量。18501850年焦耳在第一篇总结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。证实。v此外，赫姆
4、霍兹等人也都对热力学第一定律作出了贡献。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，本讲稿共23页焦耳：热一律的发现者之一 vv英国物理学家。英国物理学家。英国物理学家。英国物理学家。1818181818181818年年年年12121212月月月月24242424日日日日生于英国的索尔福。他父亲是酿生于英国的索尔福。他父亲是酿生于英国的索尔福。他父亲是酿生于英国的索尔福。他父亲是酿酒厂的厂主，焦耳从小体弱不能酒厂的厂主，焦耳从小体弱不能酒厂的厂主，焦耳从小体弱不能酒厂的厂主，焦耳从小体弱不能上学，在家跟父亲学酿酒，并利上学，在家跟父亲学酿酒，并利上学，在家跟父亲学酿酒，并利上学，
5、在家跟父亲学酿酒，并利用空闲时间自学化学、物理。他用空闲时间自学化学、物理。他用空闲时间自学化学、物理。他用空闲时间自学化学、物理。他很喜欢电学和磁学，对实验特别很喜欢电学和磁学，对实验特别很喜欢电学和磁学，对实验特别很喜欢电学和磁学，对实验特别感兴趣。后来成为英国曼彻斯特感兴趣。后来成为英国曼彻斯特感兴趣。后来成为英国曼彻斯特感兴趣。后来成为英国曼彻斯特的一位业余科学家。可以说焦耳的一位业余科学家。可以说焦耳的一位业余科学家。可以说焦耳的一位业余科学家。可以说焦耳是一位自学成才的杰出的科学家是一位自学成才的杰出的科学家是一位自学成才的杰出的科学家是一位自学成才的杰出的科学家。第7页，本讲稿共
6、23页1-2 热力学第一定律热力学第一定律一、热力学第一定律的实质与表述一、热力学第一定律的实质与表述 1 1。热可以变为功，功也可以变为热；。热可以变为功，功也可以变为热；2 2。对于任何一个系统，输入系统的能量减。对于任何一个系统，输入系统的能量减去输出系统的能量，等于系统储存能量去输出系统的能量，等于系统储存能量的增加。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。一部分使系统对外界做功。高等物理学描述：第8页，本讲稿共23页1-2 热力学第一定律热力学第一定律二、热力学第一定律解析式二、热力学第一定律解析
7、式 一般表达：单位质量表示：热量热量功功能量增加能量增加第9页，本讲稿共23页1-2 热力学第一定律热力学第一定律三、热力学能、封闭系的第一定律表达式三、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：热量热量功功内能增加内能增加第10页，本讲稿共23页1-2 热力学第一定律热力学第一定律四、焓、开口系的第一定律表达式四、焓、开口系的第一定律表达式1 1。稳定流动。稳定流动2 2。稳定流动能量方程稳定流动能量方程(即开口系第一定律的解析式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，本讲稿共23页1-2 热力学第一定律热力学第一定律四、焓、开口系的第一定律表达式四、焓、
8、开口系的第一定律表达式焓的定义：焓的定义：焓也为状态参数，是导出状态参数焓也为状态参数，是导出状态参数H 称为称为 焓焓h 称为称为质量焓质量焓或或比焓比焓第12页，本讲稿共23页热力学的建立热二律v18241824年，卡诺提出了卡诺循环和卡诺定理，发现了热年，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。源和冷源，这从本质上说明了热力学第二定律。v开尔文在开尔文在18481848年根据卡诺定理制定了年根据卡诺定理制定了“热力学温标热力学温标”，克劳修斯在，克劳修斯在1
9、8501850年根据卡诺定理提出了年根据卡诺定理提出了“熵熵”。v在卡诺研究的基础上，在卡诺研究的基础上，1850-18511850-1851年间，克劳修斯和开尔文年间，克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律。先后提出了热力学第二定律。第13页，本讲稿共23页1-3 热力学第二定律热力学第二定律一、熵、自然过程的方向性一、熵、自然过程的方向性熵的定义：熵的定义：熵为状态参数，也是导出状态参数，单位：熵为状态参数，也是导出状态参数，单位：kJ/(kgK)自然过程自然过程总是向着熵增加的方向进行的。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，其熵值熵是系统紊乱程度的表征，
10、系统越纷乱无序，其熵值就越大。就越大。第14页，本讲稿共23页1-3 热力学第二定律热力学第二定律二、二、热力学第二定律热力学第二定律、熵增原理、熵增原理1 1。热不能自发地、不付代价地从低温物。热不能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体；体传向高温物体；2 2。只冷却一个热源而连续做功的循环。只冷却一个热源而连续做功的循环发动机是造不成功的。发动机是造不成功的。二者等价二者等价!克劳修斯说法开尔文说法第15页，本讲稿共23页1-3 热力学第二定律热力学第二定律二、热力学第二定律、熵增原理二、热力学第二定律、熵增原理 在经历任意过程之后，孤立系统的熵在经历任意过程之后，孤立系统的熵只会增加
11、或保持不变，但永远不会减少。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与热力学第二定律等价!熵增原理熵增原理第16页，本讲稿共23页卡诺：热二律的奠基者vv卡诺的父亲是拿破仑第一执卡诺的父亲是拿破仑第一执卡诺的父亲是拿破仑第一执卡诺的父亲是拿破仑第一执政手下的战争部长及滑铁卢政手下的战争部长及滑铁卢政手下的战争部长及滑铁卢政手下的战争部长及滑铁卢战争前百日政权的内政部长。战争前百日政权的内政部长。战争前百日政权的内政部长。战争前百日政权的内政部长。vv1812181218121812年，卡诺考入巴黎理工学年，卡诺考入巴黎理工学年，卡诺考入巴黎理工学年，卡诺考入巴黎理工学院，在那里
12、受教于泊松、盖院，在那里受教于泊松、盖院，在那里受教于泊松、盖院，在那里受教于泊松、盖吕萨克、安培和阿喇戈这样一吕萨克、安培和阿喇戈这样一吕萨克、安培和阿喇戈这样一吕萨克、安培和阿喇戈这样一批卓有成就的老师。他主要攻批卓有成就的老师。他主要攻批卓有成就的老师。他主要攻批卓有成就的老师。他主要攻读了分析数学、分析力学、画读了分析数学、分析力学、画读了分析数学、分析力学、画读了分析数学、分析力学、画法几何和化学。法几何和化学。法几何和化学。法几何和化学。vv28282828岁时发表关于火的动力岁时发表关于火的动力岁时发表关于火的动力岁时发表关于火的动力，36363636岁去世岁去世岁去世岁去世。第
13、17页，本讲稿共23页1-3 热力学第二定律热力学第二定律三、三、卡诺循环卡诺循环与卡诺定理与卡诺定理 由两个可逆由两个可逆定温定温过程过程和两个可逆和两个可逆绝热绝热过程所构过程所构成的动力循环成的动力循环 卡诺循环热效率：热效率：第18页，本讲稿共23页1 2 定温吸热过程定温吸热过程2 3 绝热膨胀过程绝热膨胀过程3 4 定温放热过程定温放热过程4 1 绝热压缩过程绝热压缩过程卡诺循环是理想循环，卡诺循环是理想循环，实际中是不可能实现的。实际中是不可能实现的。第19页，本讲稿共23页1-3 热力学第二定律热力学第二定律三、卡诺循环与三、卡诺循环与卡诺定理卡诺定理1 1。在两个不同温度的恒
14、温热源间工作的。在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆一切可逆循环，循环，均具有相同的热效率，且与工质的性质无关。均具有相同的热效率，且与工质的性质无关。2 2。在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆循。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环，其热效率必低于两个同样恒温热源间工作的可逆循环。逆循环。第20页，本讲稿共23页热力学的完善热三律v19061906年，能斯特根据低温下化学反应的大量实验事实归年，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，并于纳出了新的规律，并于19121912年将之表述为绝对零度不能年将之表述为绝对零度不能达到，即热力学第三定律。热力学第三定律的建立，使达到，即热力学第三定律。热力学第三定律的建立，使经典热力学理论更加完善。经典热力学理论更加完善。第21页，本讲稿共23页作作 业业 P14 习题习题 2，3第22页，本讲稿共23页再见!第23页，本讲稿共23页