工程热力学的 平衡状态的稳定性-课件·PPT

工程热力学
状态公理State postulate
闭口系： 不平衡势差 状态变化 能量传递
消除一种 达到某一 消除一种能量 不平衡势差 方面平衡 传递方式 而不平衡势差彼此独立 独立参数数目N=不平衡势差数 =能量转换方式的数目 =各种功的方式+热量= n+1 n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等
工程热力学
平衡状态Equilibrium state
温差 — 热不平衡势 压差 — 力不平衡势 相变 — 相不平衡势 化学反应 — 化学不平衡势
平衡的本质：不存在不平衡势 In an equilibrium state there are no unbalanced potentials
工程热力学
工程热力学
Many types of Equilibrium
2、力平衡Mechanical equilibrium : if there is no change in pressure at any point of the system with time
The variation of pressure as a result of gravity in most thermodynamic system is relatively small and usually disregarded 压差 Pressure differential 力不平衡势Unbalanced potentials
绝热简单可压缩系统 N = ?
工程热力学
状态方程Equation of state
状态方程 基本状态参数（p,v,T)之间 的关系 简单可压缩系统：N = 2
v f ( p, T )
工程热力学

的热消失时，必产生相应量的功；消耗一定量的功时 ，必出现与之对应的一定量的热。
第三章 理想气体的性质
基本要求： 1、熟练掌握并正确应用理想气体状态方程式； 2、正确理解理想气体比热容的概念，熟练应用比热容计算理想 气体热力学能、焓、熵及过程热量； 3、掌握有关理想气体的术语及其意义； 4、掌握理想气体发生过程； 5、了解理想气体热力性质图表的结构，并能熟练应用它们获得 理想气体的相关状态参数。
T
不可逆过程的熵增（过程角度）
q
T
0
克劳休斯积分不等式（循环角度）
dsiso 0
孤立系统角度
ds sf sg 非孤立系统角度
熵、热力学第二定律的数学表达式
1. 熵的定义
ds qre
T
2. 循环过程的熵
3. 可逆过程的熵变
qre Tds
ds 0,则 q 0 可逆过程中ds 0,则 q 0
dv
q cndT Tds
T s
n
T cn
T ,定容过程 cV
T ，定压过程 cp
4个基本过程中的热量和功的计算
2
2
1、定容过程
w pdv 0 1
wt 1 vdp v( p2 p1)
2、定压过程
qv u cv (T2 T1)
2
w 1 pdv p(v2 v1)
热力学上统一规定：外界向系统传热为正，系统向外界传热为负。
可逆过程的热量
T
1
B
qre = Tds
T
A
2
q
ds qrev
T
S1
S dS S2
q “+”
q “-”
热力循环
功：工质从某一初态出发，经历一系列热力状态后，又回到原来 初态的热力过程称为热力循环，即封闭的热力过程，简称循环。

i1
vi v
pV vRT p pi
Dalton’s law of partial pressure: 混合气体的压强等于
－steady state 在外界影响下，系统的各部分宏观性质不随时间而
变化的状态。 例：
－Non-equilibrium state 系统的宏观性质随时间而变化的状态。
从非平衡态到平衡态的转变，称为驰豫过程。其时间
常数称为驰豫时间。
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8
－Quasi-static (quasi-stationary) state 从非平衡态到平衡态转变的热力学过程中，每一个
热学
Heat (and Thermodynamics)
什么是热学
研究热现象的规律及其应用的学科
热学包含的内容
1. 热学的基本参量——温度和热量的概念
2. 物质的热性质
状态方程 热膨胀 比热 热传递的规律
3. 热力学定律
第零、第一、第二、第三定律
4. 热现象的微观理论
气体分子运动论 统计物理
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强趋于零时的极限（稀薄气体）。（可以证明理想气体
的内能与压强无关）
理想气体在平衡态时满足
Charles law
pT
Gay-Lussac law V T Boyle-Marriotle law—一定质量的气体，当温度一定 时，P和V成反比
PV = const (T) 对于1 mole 理想气体
PVm = RT R为Universal gas constant
III.气体分子运动论的初步概念（1.1，1.6节）
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20
Ⅱ Equation of State 1. 什么是状态方程（状态方程的一般讨论）

热力系统的环境影响评价
环境影响
环境影响是指人类活动对环境产生的各种影响，包括正面和负面 影响。
生命周期评价
生命周期评价是一种用于评估产品或服务在整个生命周期内对环境 的影响的方法。
热力系统的环境影响
热力系统在运行过程中会产生各种环境影响，如排放污染物、消耗 能源等。
可持续性与可再生能源在热力学中的应用
高效热力系统的研究与开发
高效热力系统设计
针对不同应用场景，研究开发高效热 力系统，如高效燃气锅炉、高效空调 系统等，通过优化系统结构和运行参 数，降低能耗和提高能效。
高效热力系统评估
建立和完善高效热力系统的评估体系 ，制定相关标准和规范，为实际应用 提供指导和依据。
热力学在可再生能源利用中的应用
热力学在工程中的应用
热力发动机
热力发动机原理
热力发动机利用燃料燃烧产生的 热能转化为机械能，通过活塞、 转子或涡轮等机构输出动力。
热力发动机类型
热力发动机有多种类型，如内燃 机、蒸汽机和燃气轮机等，每种 类型都有其特点和应用领域。
热力发动机效率
提高热力发动机效率是重要的研 究方向，通过优化设计、改善燃 烧过程和减少热量损失等方法可 以提高效率。
新型热力材料与技术
新型热力材料
随着科技的发展，新型热力材料不断涌现，如纳米材料、复合材料等，这些材料 具有优异的热物理性能和热力学特性，为热力系统的优化和能效提升提供了新的 可能性。
新型热力技术
新型热力技术如热管技术、热泵技术、热电技术等在工程热力学领域的应用越来 越广泛，这些技术能够实现高效能的热量传递和转换，提高能源利用效率。
要点二
详细描述
热力系数是衡量热力学系统转换效率的参数，表示系统输 出功与输入功的比值。它反映了系统转换能量的能力，是 评价系统性能的重要指标之一。热力效率是衡量系统能量 转换效率的参数，表示系统输出有用功与输入总功的比值 。它反映了系统在能量转换过程中的损失程度，也是评价 系统性能的重要指标之一。

卡诺循环的效率由两个温度决定，即高温热源的温度$T_1$和低温 热源的温度$T_2$。根据卡诺定理，卡诺循环的效率$eta$可以用 以下公式表示：$eta = 1 - frac{T_2}{T_1}$。
05
实际气体与蒸汽
实际气体的性质
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实际气体与理想气体对比
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热力学第一定律的应用
热量计算
01
利用热力学第一定律可以计算系统在加热或冷却过程中吸收或
释放的热量。
能量转换效率
02
利用热力学第一定律可以分析能量转换过程中的效率，例如发
动机、发电厂等。
热量传递过程
03
利用热力学第一定律可以分析热量传递过程，例如散热器、保
温材料等。
03
理想气体
理想气体的定义
理想气体
在制冷技术中，热力学第二定律用于解释制冷剂的工作原理，以及为什么制冷剂能够从低温物体吸收热 量并排放到高温环境中。
在汽车工程中，热力学第二定律用于指导发动机设计和优化，以提高燃油效率和减少排放。
卡诺循环与卡诺定理
卡诺循环由四个过程组成：等温吸热、绝热膨胀、等温放热和绝 热压缩。在等温过程中，卡诺循环从高温热源吸收热量并对外做 功；在绝热过程中，系统与外界无热量交换。
理想气体状态方程的推导
理想气体状态方程可以通过分子运动论的基本假设和实验 数据推导得到。其推导过程涉及到分子动理论、统计力学 和热力学的基本原理，是理解和掌握热力学基本概念和公 式的重要基础。
理想气体状态方程的应用
理想气体状态方程在工程领域中有着广泛的应用，如气体 压缩、膨胀、流动和换热等过程。通过理想气体状态方程 ，可以计算气体的压力、体积和温度等参数，以及气体的 能量转换和传递过程。

dS0 因而达到平衡态后，熵有最大值，且不变化。
设 想 此 时 有 一 个 偏 离 平 衡 态 的 虚 变 动 ， 则 有 ：
S1S2S0
2
平 衡 态 的 条 件 是 ： 1S0(平 衡 判 据 ） 2S0（ 稳 定 性 判 据 ）
由 热 力 学 第 一 、 二 定 律 ：
dUTdSdW 系
1
等熵、无外功的系统过程：
在等温不做功的情况下： dF 0
由此可得： 等温不做功的系统中进行的过程， 系统的自由能绝不会增加，而平衡 对应于自由能F取最小值的宏观态
若将系统对外做功分为膨胀功与非膨胀功，有： dW系 PdV dW系
有之前1式：
dU TdS dW系 作勒让德变换：
dG SdT VdP dW系
同理分析：
T T P P
(热平衡条件） (力学平衡条件） (相平衡条件）
将 稳 定 性 判 据 2 U 0 应 用 于 热 力 学 系 统 ：
2 U 2 S U 2 V S 2 2 S 2 U V SV V 2 U 2 SV 2 0
写成二次型的形式
由2式,同时T
=
U S
V
:
2U
S2
V
T S
V
T U
V
U S
V
T CV
0
（ T 0 ) C V d Q 系 d T V 0
具体分析
热平衡时: T系 =Ta
由系统内部的涨落，使得: T系>Ta
此 时 ,热 量 从 系 统 传 向 外 界 ， 则 : dQ系0
代入热平衡稳定性条件：
U1U2U0
2
1U0 （平衡判据） 2U0（平衡稳定性判据）
热力学势 平衡判据 （熵除外）

理想气体混合物
理想气体混合物的性质
理想气体混合物具有加和性、均匀性、 扩散性和完全互溶性等性质。
VS
理想气体混合物的计算
通过混合物的总压力、总温度和各组分的 摩尔数来计算混合物的各种物理量。
真实气体近似与修正
真实气体的近似
真实气体在一定条件下可以近似为理想气体。
真实气体的修正
由于真实气体分子间存在相互作用力，因此需要引入修正系数对理想气体状态方程进行 修正。
特点
工程热力学是一门理论性较强的学科 ，需要掌握热力学的基本概念、定律 和公式，同时还需要了解其在工程实 践中的应用。
工程热力学的应用领域
能源利用
工程热力学在能源利用领域中有 着广泛的应用，如火力发电、核 能发电、地热能利用等。
工业过程
工程热力学在工业过程中也发挥 着重要的作用，如化工、制冷、 空调、热泵等。
稳态导热问题
稳态导热是指物体内部温度分布不随时间变 化的导热过程，其特点是热量传递达到平衡 状态。
对流换热和辐射换热的基本规律
对流换热的基本规律
对流换热主要受牛顿冷却公式支配，即物体 表面通过对流方式传递的热量与物体表面温 度和周围流体温度之间的温差、物体表面积 以及流体性质有关。
辐射换热的基本规律
辐射换热主要遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律， 即物体发射的辐射能与物体温度的四次方成
正比，同时也与周围环境温度有关。
传热过程分析与计算方法简介
要点一
传热过程分析
要点二
计算方法简介
传热过程分析主要涉及热量传递的三种方式（导热、对流 和辐射）及其相互影响，需要综合考虑物性参数、几何形 状、操作条件等因素。
常用的传热计算方法包括分析法、实验法和数值模拟法。 分析法适用于简单几何形状和边界条件的传热问题；实验 法需要建立经验或半经验公式；数值模拟法则通过计算机 模拟传热过程，具有较高的灵活性和通用性。

热力学平衡（ §1.2.3 热力学平衡（Thermodynamic Equilibrinm） ） 系统处于平衡态时应不存在热流与粒子流。 系统处于平衡态时应不存在热流与粒子流。 1、热学平衡条件：热流由系统内部温度不均匀而产生的，温度处 、热学平衡条件：热流由系统内部温度不均匀而产生的， 处相等看作是热学平衡（ 处相等看作是热学平衡（Thermal Equilibrium）建立的标准。 ）建立的标准。 粒子流有两种， 粒子流有两种，一种是宏观上能察觉到成群粒子定向移动的粒子 这是由气体内部存在压强差异而使粒子群受力不平衡所致。 流。这是由气体内部存在压强差异而使粒子群受力不平衡所致。 气体不发生宏观流动的一个条件是系统内部各部分的受力平衡。 气体不发生宏观流动的一个条件是系统内部各部分的受力平衡。 2、力学平衡（Mechanical Equilibrium）条件：即系统内部各部 、力学平衡（ ）条件： 分之间、系统与外界之间应达到力学平衡。在通常（例如在没有 分之间、系统与外界之间应达到力学平衡。在通常（ 外场等）情况下，力学平衡反映为压强处处相等。第二种粒子流， 外场等）情况下，力学平衡反映为压强处处相等。第二种粒子流， 它不存在由于成群粒子定向运动所导致的粒子宏观迁移。 它不存在由于成群粒子定向运动所导致的粒子宏观迁移。 扩散现象（ ）：有一隔板将容器分隔为左右两部分 扩散现象（Diffusion）：有一隔板将容器分隔为左右两部分，左 ）：有一隔板将容器分隔为左右两部分， 边氧气，右边为氮气，两边压强、温度相等，若将隔板抽出， 边氧气，右边为氮气，两边压强、温度相等，若将隔板抽出，由 于气体分子无规则运动，最后将达到氧气、氮气均匀混合的状态。 于气体分子无规则运动，最后将达到氧气、氮气均匀混合的状态。 在扩散的整个过程中，压强处处相等，力学平衡条件始终满足， 在扩散的整个过程中，压强处处相等，力学平衡条件始终满足， 却看到了氧、氮之间的相互混合，粒子的宏观“流动” 却看到了氧、氮之间的相互混合，粒子的宏观“流动”。

由表中数据可见：位于前方的多为强正电性的金属，它们的 氧化物具有较大的生成焓负值，最为稳定；位于后面的元素的氧 化物的生成焓负值不断减少，其稳定性减小，Cl2O、NO等氧化物 的生成焓已为正值，更不稳定。实际上，后面的几个元素已成为 负电性较大的非金属了。 Al、Si常被用来作为还原剂将金属从其氧化物中还原出来， 这时Al 、Si自身便成为氧化物。还原出金属的能力的大小，反应 了生成氧化物的倾向的实质，或换句话说，是这些氧化物的稳定 性的体现。
如：讨论H2S的稳定性。 先查出它的△fGmθ＝－34 kJ· mol－1 即 H2S (g)＝H2(g)＋S(s) △rGmθ＝34 kJ· mol－1 说明H2S对于分解成单质来说是稳定的。 此处的标准生成自由焓，常常可以用来作为无机物相对于单 质的稳定性量度。如果△fGmθ<0，意味着由指定单质生成该物种 能量降低，生成反应是自发的，其逆反应的△Gθ>0，即分解为单 质是非自发的。这样, △fGmθ负值越大, 化合物对于分解成单质稳 定性就越大。 不过在上述讨论中都是指的标准状态，然而 ① 由于大气中的 H2很少，其分压远小于 1.01325×105Pa，且 △Gθ 的绝对值小于 40 ，意指可以通过改变 Q值而达到改变反应方 向。 事实 上 ，空气 中 H2 的实 际浓度为 0.01 ％ (V) ， 计算得到 的 △rGm≈ 21 kJ· mol－1，说明H2S在大气中对分解为单质是稳定的。 ② 考虑H2S能与大气中的O2反应 H2S＋1/2O2＝H2O＋S △Gθ＝－203.62 <<－40 kJ· mol－1 所以对H2S的稳定性的描述可以是这样： H2S在常温下大气中对于分解为单质是稳定的，但它能同氧发 生反应，所以H2S在大气中对氧化反应是不稳定的。

磁化强度等 • 温度（热力学特有的）
✓ 具体问题中并不要求把所有参量都考虑在内； ✓ 简单系统（P，V，T）。
.
2.4 广延量和强度量
广延量：与系统的量成正比：V、U 、S… 强度量：与系统的量无关：p、T … 注意：1、广延性的满足要求热力学极限
2、原子间的有效相互作用是短程的 长程力的能量不是广延量
• 在研究某种特定性质时，只考虑我们认为最重要最本质的 因素：建立理想模型，引进理想过程。
力学中：质点、刚体、弹性介质，理想流体，弹性碰撞 电磁学中：点电荷、电偶极子、磁偶极子 固体学中：无穷大的完美晶体 热力学中：孤立系统， 理想气体，准静态过程
.
✓对不同的假想体系具体考虑某一方面的性 质，就有了力学体系、电磁学体系、化学 体系，形成了物理学的不同分支，它们是 对实际的宏观系统进行不同的抽象，引进 不同的状态参量来描述。
x
dx
yz
dyyxz
dyxzy dxyzx
dz dz
dx y xz y xzdx y zxdz x zydz
y x z y x z 1 d x y x z y z x x z y d z 0
所共有的东西叫做温度 热平衡 温度 • 力学平衡定义了什么？力学平衡中什么是共 有的？ 压强 • 扩散平衡定义了什么？扩散平衡中什么是共 有的？ 化学势
.
温度到底是什么意思？！
• 温度表示传热的趋势 • 那压强又表示什么？化学势又表示什么？ • 压强 膨胀趋势 • 化学势 扩散趋势
.
温度到底是什么意思？！
• 我们立即得到：
• 即kT恰巧是理想气体中一个粒子平均动能的 度量，以后能均分定理的一节中我们将看 到这结果并不限于理想气体，可被推广。

空调技术
空调系统的运行与热力学密切相关。制冷和 制热循环的原理、空调系统的能效分析以及 室内空气品质的保障等方面均需要热力学的
支持。
热力发电与动力工程
热力发电
热力学在热力发电领域的应用主要体现在锅炉、汽轮机和燃气轮机等设备的能效分析和 优化上。通过热力学原理，提高发电效率并降低污染物排放。
动力工程
热力学与材料科学的关系
材料科学主要研究材料的组成、结构、性质以及应用，而热力学为材料科学提供了材料制备、性能优 化和失效分析的理论基础。
在材料制备过程中，热力学可以帮助人们了解和控制材料的相变、结晶和熔融等过程，优化材料的性能 。
在材料性能优化方面，热力学为材料科学家提供了理论指导，帮助人们理解材料的热稳定性、抗氧化性 等性能，从而改进材料的制备工艺和应用范围。
热力学与其他学科的联系
热力学与物理学的关系
热力学与物理学在研究能量转换和传递方面有 密切联系。物理学中的热学部分为热力学提供 了基本概念和原理，如温度、热量、熵等。
热力学的基本定律，如热力学第一定律和第二 定律，是物理学中能量守恒和转换定律的具体 应用。
物理学中的气体动理论和分子运动论为热力学 提供了微观层面的解释，帮助人们理解热现象 的本质。
高效热能转换与利用技术
高效热能转换技术
随着能源需求的不断增加，高效热能转换与利用技术 成为研究的重点。例如，高效燃气轮机、超临界蒸汽 轮机等高效热能转换设备的研发和应用，能够提高能 源利用效率和减少污染物排放。
热能利用技术
除了高效热能转换技术外，热能利用技术的进步也是工 程热力学领域的重要发展方向。例如，热电转换技术、 热光转换技术等新型热能利用技术，为能源的可持续利 用提供了新的解决方案。

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即时应用(即时突破，小试牛刀) 2.用一轻绳将小球P系于光滑墙壁上的O点，在墙壁 和球P之间夹有一矩形物块Q，如图4－2－6所 示．P、Q均处于静止状态，则下列相关说法正确的 是( )
图4－2－ 6
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A．P物体受4个力 B．Q受到3个力 C．若绳子变长，绳子的拉力将变小 D．若绳子变短，Q受到的静摩擦力将增大
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图4－2－12
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解析：选C.对物体受力分析如图所示，物体在竖 直方向上合力为零可得：N＝mg＋Fsinθ，N随θ 的减小而减小，f为滑动摩擦力，f＝μN，可见f随 N的减小而减小，只有C正确．
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知能优化训练
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本部分内容讲解结束
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变式训练2 放在水平地面上的物块，受到一个与 水平面方向成θ角斜向下的力F的作用，物块在水 平地面上做匀速直线运动，如图4－2－12所示， 如果保持力F的大小不变，而使力F与水平方向的 夹角θ减小，那么地面受到的压力N和物块受到的 摩擦力f的变化情况是( ) A．N变小，f变大 B．N变大，f变大 C．N变小，f变小 D．N变大，f变小
变式训练1 如图4－2－9所示，质量为M的楔形 物块静置在水平地面上，其斜面的倾角为θ.斜面 上有一质量为m的小物块，小物块与斜面之间存 在摩擦．用恒力F沿斜面向上拉小物块，物块和 楔形物块始终保持静止，则地面对楔形物块的支 持力为( )
图4－2－9
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A．(M＋m)g B．(M＋m)g－F C．(M＋m)g＋Fsinθ D．(M＋m)g－Fsinθ
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与外界没有物质和能量交 换的系统。
孤立系统
封闭系统
开放系统
热力学基本定律
热力学第零定律
如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡状态，那么这两个系统也必定处于热平衡状态。
热力学第一定律
热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持 不变。
热力学第二定律
热力学循环
由一系列热力学过程组成的闭合路径，如卡诺循环、布雷顿循环 等。
02 热力学第一定律
能量守恒原理
1
能量不能自发地产生或消失，只能从一种形式转 换为另一种形式。
2
在一个孤立系统中，总能量始终保持不变。
3
能量转换过程中，各种形式的能量在数量上保持 平衡。
热力学第一定律表达式
Q = ΔU + W
其中，Δ(mv^2)/2表示系 统动能的变化量；
开口系统能量方程可表示 为：Q = ΔU + Δ(mv^2)/2 + Δ(mgh) + Δ(mΦ)。
Δ(mgh)表示系统势能的 变化量；
03 热力学第二定律
热力学第二定律表述
不可能从单一热源取热，使之完全转 换为有用的功而不产生其他影响。
热力学系统内的不可逆过程总是朝着 熵增加的方向进行。
具有加和性
理想气体基本过程
01
等温过程
温度保持不变的过程，如等温膨胀 和等温压缩
等容过程
体积保持不变的过程，如等容加热 和等容冷却
03
02
等压过程
压力保持不变的过程，如等压加热 和等压冷却
绝热过程
系统与外界没有热量交换的过程， 如绝热膨胀和绝热压缩
04