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热力学5简要

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5个热力学基本概念

5个热力学基本概念

5个热力学基本概念
1. 系统：指要研究的物质或物理系统，可以是一个小型实验室中的样品，也可以是一个大型自然环境中的地区。

2. 状态变量：描述系统状态的物理量，例如温度、压力、体积等。

在热力学中，通过测量和改变状态变量来分析和预测系统的行为。

3. 状态方程：描述系统状态变量之间的关系，通常表示为一个数学公式。

例如，理想气体状态方程描述了气体的压力、体积和温度之间的关系。

4. 热平衡：当系统的各部分之间没有温度或能量的净流动时，系统处于热平衡状态。

在热平衡状态下，系统的温度相等。

5. 热力学定律：经过实验观察和推演得到的热力学基本原理，可以用来解释和预测系统的行为。

常用的热力学定律包括热力学第一定律（能量守恒）和热力学第二定律（熵增原理）。

热力学与统计物理第五章知识总结

热力学与统计物理第五章知识总结

热⼒学与统计物理第五章知识总结§5.1 热⼒学量的统计表达式我们根据Bolzman分布推导热⼒学量的统计表达式⼀、配分函数粒⼦的总数为令（1）名为配分函数，则系统的总粒⼦数为（2）⼆、热⼒学量1、内能（是系统中粒⼦⽆规则运动的总能量的统计平均值）由（1）（2）得（3）此即内能的统计表达式2、⼴义⼒，⼴义功由理论⼒学知取⼴义坐标为y时，外界施于处于能级上的⼀个粒⼦的⼒为则外界对整个系统的⼴义作⽤⼒y为（4）此式即⼴义作⽤⼒的统计表达式。

⼀个特例是（5）在⽆穷⼩的准静态过程中，当外参量有dy的改变时，外界对系统所做的功为（6）对内能求全微分，可得（7）（7）式表明，内能的改变分为两项：第⼀项是粒⼦的分布不变时，由于能级的改变⽽引起的内能变化；地⼆项是粒⼦能级不变时，由于粒⼦分布发⽣变化⽽引起的内能变化。

在热⼒学中我们讲过，在⽆穷⼩过程中，系统在过程前后内能的变化dU等于在过程中外界对系统所作的功及系统从外界吸收的热量之和：（8）与（6）（7）式相⽐可知，第⼀项代表在准静态过程中外界对系统所作的功，第⼆项代表在准静态过程中系统从外界吸收的热量。

这就是说，在准静态过程中，系统从外界吸收的热量等于粒⼦在其能级上重新分布所增加的内能。

热量是在热现象中所特有的宏观量，它与内能U和⼴义⼒Y不同。

3、熵1）熵的统计表达式由熵的定义和热⼒学第⼆定律可知（9）由和可得⽤乘上式，得由于引进的配分函数是，的函数。

是y的函数，所以Z是，y的函数。

LnZ的全微分为：因此得（10）从上式可看出：也是的积分因⼦，既然与都是的积分因⼦，我们可令（11）根据微分⽅程关于积分因⼦的理论，当微分式有⼀个积分因⼦时，它就有⽆穷多个积分因⼦，任意两个积分因⼦之⽐是S的函数（dS是⽤积分因⼦乘微分式后所得的全微分）⽐较（9）、（10）式我们有积分后得（12）我们把积分常数选为零，此即熵的统计表达式。

2）熵函数的统计意义由配分函数的定义及得由玻⽿兹曼分布得所以（13）此式称为Boltzman关系，表明某宏观状态的熵等于玻⽿兹曼k乘以相应的微观状态数的对数。

工程热力学第五章

工程热力学第五章

S与传热量的关系
热力过程 S12 S 2 S1 12 T
对于循环 △S=0
S
Q
r
= 可逆 >不可逆 <不可能
克劳修斯不等式
Q
Tr
除了传热,还有其它因素影响熵
12
不可逆绝热过程 Q 0 dS 0 不可逆因素会引起熵变化 总是熵增
熵流和熵产
对于任意微元过程有 dS 定义 熵流
Tr为热源温度
注意：过程可逆， 传热温差为0，故热源 温度Tr=工质温度T
δQrev 循环积分 0 Tr 或 Qrev T 0
该积分称为克劳修斯积分
定义 定义
熵 比熵
Qrev Qrev dS Tr T qrev qrev ds Tr T
热源温度 =工质温 度

对所有微元不可逆循环积分求和 对该不可逆循环 δQ Tr 0
δQ T 0 r
克劳修斯积分不等式
克劳修斯积分含义： （1）工质经过任何不可逆循环，克劳修斯积分小于零； （2）工质经过任何可逆循环，克劳修斯积分等于零； （3）工质经过任何循环，克劳修斯积分不可能大于零。 可以利用来判断一个循环是否能进行，是可逆循环， 还是不可逆循环。
熵变的计算方法
水和水蒸气：查图表 固体和液体： 通常 cp cv c 常数 例：水 c 4.1868kJ/kg.K
Qre dU pdv dU cmdT
Qre cmdT 熵变与过程无关，假定可逆： dS T T T2 S cm ln T1
熵变的计算方法

Q
Tr
2 B 1
0

Qห้องสมุดไป่ตู้
Tr

热力学第五章

热力学第五章

哪个参数才能正确评价能的价值
焓：绝热节流
p1 p2
h1 = h2
等焓节流
w1
w2
w1 > w2
焓相同，但做功不等。 焓相同，但做功不等。
哪个参数才能正确评价能的价值 内能： 内能：绝热膨胀
u1 = u2
p0 w1 w2 p0
w1 > w2
内能相同，但做功不等。 内能相同，但做功不等。
三种不同品质的能量
从可转换成机械能的角度出发能量的组成为环境一定能量中最大可能转换为功的部分500100kjmax293100500414max2931001000707100kj热量温差温差化学化学势差物理温差与压力差物质或物流动能速度差位能位置差扩散浓度差电力电位差水力水位差风力风压差地力压力差波浪压力差与各种不平衡势差有关nq1恒温热源nq卡诺循环的功nqxqxqnqnq微元卡诺循环的功xqnq1q中最大可能转换为功的部分就是exq损失3单热源热机不能作功热ex损失作功能力损失xqt一定qxq51空气由空气由200200经冷却器定压冷却到经冷却器定压冷却到4040试计算空气放出的热量算空气放出的热量火用或空气作出的最大功或空气作出的最大功是是多少
1、可无限转换的能量 、
Ex An
无效能
理论上可以完全转换为功的能量 高级能量 机械能、电能、水能、 如：机械能、电能、水能、风能 2、不能转换的能量 、 理论上不能转换为功的能量 环境（大气、海洋） 如：环境（大气、海洋） 3、可有限转换的能量 Ex + An 、 理论上不能完全转换为功的能量 热能、 如：热能、焓、内能
3、单热源热机不能作功， T =T0， ExQ′=0 、单热源热机不能作功，
冷量的ExQ′与AnQ′的说明

工程热力学-5-热力循环与热工设备简介

工程热力学-5-热力循环与热工设备简介

10
进气冲程
活塞被曲轴带动由上止点向下 上止点移动。 进气门开启，排气门关闭。 活塞上方的容积增大，气缸内 的气体压力下降，形成一定的 真空度。 由于进气门开启，气缸与进气 管相通，混合气被吸入气缸。 当活塞移动到下止点时，气缸 内充满了新鲜混合气以及上一 个工作循环未排出的废气。
7
内燃机的基本构造
气缸体 活塞 连杆 曲轴 飞轮 配气机构 进、排气阀 凸轮轴 火花塞
8

第5章 热力循环与热工设备简介
5-1 内燃机的特点及类型 5-2 内燃机的基本构造 5-3 内燃机的工作过程与原理 5-4 内燃机的理想循环
9
内燃机的工作原理
四冲程汽油机的工作过程是一个复杂的过程，它 由进气、压缩、膨胀、排气四个冲程组成。
表示定压加热时工质体积膨胀的程度。
20
混合加热循环热效率
单位质量工质的吸热量：
q1 cv T3 T2 cp T4 T3
单位质量工质的放热量：
q2 cv T5 T1 wnet q1 q2 q2 1 循环热效率：t q1 q1 q1 T5 T1 1 T3 T2 T4 T3
压燃式内燃机压燃式内燃机点燃式内燃机点燃式内燃机77554内燃机的理想循环内燃机的理想循环553内燃机的工作过程与原理内燃机的工作过程与原理551内燃机的特点及类型内燃机的特点及类型552内燃机的基本构造内燃机的基本构造热力循环与热工设备简介88内燃机的基本构造气缸体气缸体活塞活塞连杆连杆曲轴曲轴飞轮飞轮配气机构配气机构进排气阀进排气阀凸轮轴凸轮轴火花塞火花塞99554内燃机的理想循环内燃机的理想循环553内燃机的工作过程与原理内燃机的工作过程与原理551内燃机的特点及类型内燃机的特点及类型552内燃机的基本构造内燃机的基本构造热力循环与热工设备简介1010内燃机的工作原理四冲程汽油机的工作过程是一个复杂的过程它四冲程汽油机的工作过程是一个复杂的过程它进气压缩压缩膨膨胀胀排气排气四个冲程组成

热力学-5.热力学第一定律

热力学-5.热力学第一定律

§4 热容 焓
一、 热容
热容 比热容
摩尔热容
热容是过程量，式中的下标 x 表示具体的过程。
二、 焓
对于某封闭系统在非体积功为零的条件下热力学第一 定律可写成：
dU Q pedV
对于定容过程，体积功为零，上式可写成：
Q dU
或
QV U （W，=0,恒容）
式中QV为定容过程的热效应。
c
E 可
Zn 逆 电 池
CuSO4
ZnSO4
4、功的一般表达式
dWi Yidxi
• x是广义坐标，它是广延量，广延量的特征是：若系 统在相同情况下质量扩大一倍，则广延量也扩大一 倍。
• Y是广义力，它是强度量，强度量的特征是：当系统 在相同情况下质量扩大一倍时，强度量不变。
不同形式功的计算表达式小结：
V2 V1
系
V2 RT dV nRT ln V2
V V1
V1
6
24 V∕m3
W e,膨＝33.27 (atm ·m3) W e,压＝-33.27 (atm ·m3)
W e,总＝0 (atm ·m3)
完成次数 一次完成
W e,膨 (atm · m3)
18
W e,压
W e,总
(atm ·m3) (atm ·m3)
（3）按过程中经历的各个状态的性质分类:
准静态过程：初态、每个中间态、终态都可近 似地看成是平衡态的过程。
非静态过程：只要有一个状态不是平衡态，整 个过程就是非静态过程。
理想气体自由膨胀过程是一个非静态过程。
气体自由膨胀过程
初态
真空
末 态
膨胀
实际过程是非准静态过程，但只要过程进行的 时间远大于系统的弛豫时间，均可看作准静态过程。 如：实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程。

热力学 第5章 2011

2 Chung H. Jeon
•
에너지변환시스템연구실(ECOS) Energy Conversion System Lab.
CONSERVATION OF MASS
Conservation of mass: Mass, like energy, is a conserved property, and it cannot be created or destroyed during a process. Closed systems: The mass of the system remain constant during a process. Control volumes: Mass can cross the boundaries, and so we must keep track of the amount of mass entering and leaving the control) Energy Conversion System Lab.
7 Chung H. Jeon
Special Case: Incompressible Flow
The conservation of mass relations can be simplified even further when the fluid is incompressible, which is usually the case for liquids. Steady, incompressible Steady, incompressible flow (single stream) There is no such thing as a “conservation of volume” principle. For steady flow of liquids, the volume flow rates, as well as the mass flow rates, remain constant since liquids are essentially incompressible substances.

5-热力学第一定律汇总


V1
dV V2 V
p−V 图上过程曲线以下的面积。
p−V 图也称为示功图
9
说明： 1、热力学系统作功的本质：
无规则的分子热运动与有规则的机械运动之间的能量转化
2、功的表达式只适用于准静态过程
(1)要进行积分求总功W，必须知道压强p与体积V的关系，只 有平衡态，P、V、T才具有确定的关系 ，而对非平衡态， P、V、T的函数关系不确定，无法完成积分。
注意：不同的物理量趋于平衡所需要的时间也不 一样，如压强比温度的平衡速度快。
4
如果外界作用引起系统状态改变所需要的时间
为t，凡是满足t >>t 这样条件的过程就可以认为
是准静态过程。 因为当恢复平衡的时间比破坏平衡的时间短得
多时，系统在每次遭受破坏以后能很快地恢复到平 衡态，所以在系统状态的变化过程中，每一时刻去 看系统时，它都处于平衡态。于是呈现一种准静态 过程。t 越大，每一状态就越接近平衡态。
热力学第一定律的表述：系统由初态经过任意过程到
达终态，内能的增量U 等于在此过程中外界对系统 所传递的热量Q和系统对外界所做的功W之差。 或者：系统由初态经过任意过程到达终态，在此过程
中外界对系统所传递的热量Q等于系统内能的增量U 和系统对外界所做的功W之和。
27
说明： 1、热力学第一定律的适用范围
U Uk U p U0
其中U 0 表征物体在绝对零度时的零点能。
13
1、分子的动能
分子的动能Ek包括所有分子的平动动能Ekt、转动 动能Ekr和振动动能Eks。由能量按自由度均分定理， 分子的每个自由度都具有相同的平均动能kT/2。
Ek Ekt Ekr Eks
i Ek Ekt Ekr Eks 2 kT

热力学第五章6162474页PPT文档


四冲程高速柴油机的理想化
1. 工质
p3 4
定比热理想气体
工质数量不变
2
P-V图p-v图
2’
2. 0—1和1’ —0抵消 开口闭口循环
3. 燃烧外界加热
p0 0
5 1’
1
4. 排气向外界放热
V
5. 多变绝热
6. 不可逆可逆
理想混合加热循环（萨巴德循环）
分析循环吸热量，放热量，热效率和功量
p
3
4
T
4 3
1
2’ 喷柴油
V
2 开始燃烧
2—3 迅速燃烧，近似 V
p↑5~9MPa
四冲程高速柴油机工作过程
3—4 边喷油，边膨胀
p3 4
近似 p 膨胀
t4可达1700~1800℃
2 2’
4 停止喷柴油
5
4—5 多变膨胀
p0
1’
p5=0.3~0.5MPa
0
1
t5500℃
V
5—1’ 开阀排气， V 降压
1’—0 活塞推排气,完成循环
p 3
T
3
2
2
4
4
1
1
v
s
定容加热循环的计算Βιβλιοθήκη 吸热量T3
q1cvT3T2
放热量(取绝对值）
2
4
q2cvT4T1
1
热效率
s
t
wq1q21q21T 4T 1
q1 q1
q1 T 3T 2
定容加热循环的计算
热效率
T
t
1 T4 T3
T1 T2
1
T1
T4 T1
T2
T3 T2

5第五章 热力学基础

第五章
热力学基础
第五章 热力学基础
5-1 热力学第一定律及应用
5-2 循环过程 卡诺循环
5-3 热力学第二定律
教学基本要求
一、理解准静态过程及其图线表示法. 二、理解热力学中功和热量的概念及功、热量和内能的微观意 义，会计算体积功及图示. 会计算理想气体的定压和定体摩 尔热容. 三、掌握热力学第一定律，能分析计算理想气体等体、等压、 等温和绝热过程中的功、热量和内能的改变量.
m i dQV dE RdT M 2
摩尔定容热容: 在体积不变的条件下, 1mol 的理想气体 温度升高（或降低）1K时吸收(或放出) 的热量. 1mol 理想气体 CV ,m
dQV dT
单位
J mol K
1
1
i 由 dQV CV ,mdT RdT 2 i 可得 CV ,m R 2 m 物质的量 为 的理想气体 M
以S表示活塞的面积，p表示气体的压强，dl Fdl pSdl
dW pdV
W
V2
1
p
dV
S
dl
V
pdV
p
1
功的大小等于在p-V图 中曲线下的面积.
3. 准静态微元过程能量关系
p
2
dQ dE pdV
O V dV 1
V2
V
功的图示
p
p1
I
m Q p C p ,m (T2 T1 ) M
( E2 E1 ) p(V2 V1 )
m m CV ,m (T2 T1 ) R(T2 T1 ) M M m (CV ,m R )( T2 T1 ) M
可得 C p,m CV ,m R
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等温过程时:
S S 0 0可逆
s
克劳修斯熵变的计算
dQ (dA)T T
M dQ CV dT V M mol
dQ T
等容过程时:
等压过程时:
M dQP C p dT M mol
对一般(非理想气体)热力学系统 根据克劳修斯熵变公式计算
S S 0 0可逆
s
dQ T
（两个平衡态下的熵变）
如：水温升高 dQ McdTS 0可逆 如：冰融化为水，融解热为 (J/kg)
s
dQ T
T末 Mc ln T初
dQ冰化水 dm
dQ Q T T
Q dQ M
S
s
0可 逆
大系统的熵变等于各子系统熵变之和
S S1 S2
例:由绝热壁构成的容器中间用导热隔板分成两部分，
V
O
T2 i 卡诺定理： ci 1 T 1i
p
Q1i T1i
i
(1)

ci
i
Q2 i Q2i 绝 又 1 1 i Q1i 热 Q1i 线 等 (2) 由(2)-(1) 得：
温 线
O
T2i Q2i
V
Q1i Q2 i 0 T1i T2 i
dQj Tj
(TA TB )2 0 CV ln 4TATB
热传导是不可逆过程的典型例子 孤立系统自发过程熵增加!
化为水的融解热为 =334 kJ/kg. 试求 1.00kg冰融化为水 时的熵变。 解 : 若有热源供热，则发生冰向水的等温相变. 利用温度为T+dT的热源供热,使冰转变为水 的过程成为可逆过程. 1.00kg冰融化为水时的熵变为
T27 mcdT dQ T27 mc ln T0 T T0 T
练习: 1kg 20 º C的水与100 º C的热源接触使水温达到100 º C
求 (1)水的熵变; (2)热源的熵变; (3)水与热源作为一孤立系统,系统的熵变. (水的比热 c =4.18103 J· -1K-1) kg 解:(1) 为便于计算设计一系列温差无限小的热源,与 水逐一接触…...水温升高近似为可逆过程. T2 McdT dQ T2 S水 Mc ln 水的熵变: T1 T T1 T1 3 1.01X 10 J K > 0！ (2) 热源的热量损失 Q热放 Q水吸 Mc(T2 T1 ) 3.34 105 J
S
Q TdS
pdV
工程上常用温熵图（T- S曲线）反映一 些过程中的状态参量关系，它示热方便。
Q T d S
T T1 Q1
对卡诺循环：
Q1 T1 ( S2 S1 )
| Q2 | T2 ( S2 S1 )
T2
O S1
Q2 S2 S
卡诺循环的温熵图
| Q2 | T2 c 1 1 Q1 T1
例: 已知在 p=1.013105 Pa 和 T=273.15 K下1.00kg冰融
dQ 1 2 Q S I S 2 S1 dQ 1 T dT T 1 T m 1.22 kJ / K > 0！ T 问: 1.00kg水变成冰时的熵变? 2 dQ ' m S I ' S ' 2 S '1 1.22 kJ / K < 0！ 1 T T

0
（1）选定系统 对于理想气体的熵变 （2）确定始、末态及其参量 V p 方法1:熵变为状态函数 S S 0 v(C P ln CV ln ) V0 p0 T V S S0 CV ln R ln T0 V0 T P S S 0 C P ln R ln T0 P0 方法2:熵变定义式 拟定一可逆过程连接始、末态
上次课内容总结：
热力学第二定律
开尔文表述 克劳修斯表述 一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可 逆的，而且各种不可逆过程是相互关联的.
热力学第二定律的微观统计解释
自发的方向 无序度 微观状态数 热力学概率
热力学第二定律的微观统计解释
自发的方向
微观粒子热运动无序度小 包含微观状态数少的态 热力学概率小的态
V p S S0 vCP ln CV ln V0 p0
3 注意
S S 2 S1
2
1可 逆
dQ T
1） 该公式仅适用于可逆过程下的熵变. 2） 热力学熵是状态函数
熵的变化 只决定于始、末态， 与过程无关。 因此当给定了系统的始、末状态而求熵变时， 可以任选（或说拟定）一个可逆过程来计算。
对封闭系 统,熵可能 初态（TA，V） 终态（T，V） 增加，也 可能减少! S C ln T <0 V 左 TA
左半部气体（封闭）
右半部气体（封闭） 初态（TB，V） 终态（T，V） T S右 CV ln > 0 TB
整个系统（孤立）
S2 S1 S左 S右
T T CV ln CV ln TA TB 2 T 1 CV ln T (TA TB ). 2 TATB
克劳修斯熵变 S S2 S1
dQ可逆 dS T
S S 2 S1
2 1可逆
dQ可逆 T
克劳修斯熵变公式
特点 与过程（路径）无关,只与状态变化有关
熵变：理想气体的状态函数 熵是态函数，则熵应与状态参量P，V，T 有关. 已知: 初态（P0,T0，V0）; 终态（P,T，V）
说明在卡诺循环中物理量
总合等于零
当n ：
lim
n n i 1
Q1i Q2 i T T 2i 1i
dQ 0 T
可逆循环取等号，不可逆过程取小于号
d Q ─ 热温比 T
克劳修斯等式 对任意可逆循环 可逆

d Q可逆 0 T
0
p 1 (S1) O a
本次课内容：
理解克劳修斯熵公式的意义;
掌握克劳修斯熵变的计算. 重点 了解 温熵图
克劳修斯熵
熵的概念应用于热力学过程的研究 引入一个状态函数 它的变化可以说明过程的方向。 克劳修斯熵 热力学系统为孤立系统 或封闭系统 1 克劳修斯等式
p
绝 热 线等 温 线
对任意可逆循环 可分成 n 个小卡 诺循环分析。
3） 下列过程情况下系统的熵不变（等熵）; (a) 孤立系统（与外围环境没有物质、能量交 流的系统）中的可逆过程，系统的熵不变; 孤立系统进行的自发过程熵增加； (b) 封闭系统中的可逆绝热过程，系统的熵不变;
dQ 0
S

1
2
dQ可 逆 0 T
绝热的封闭体系和环境或者外界没有热的交换，可以允许 有机械能和内能的转换（如绝热膨胀），不是孤立的系统!
2
又问: 1.00kg冰融化为270的水时的熵变?
(水的比热 c =4.18103 J· -1K-1) kg
S S I S II
S I S 2 S1 S II S ' 2 S '1
2 2
1
dQ Q 冰 化 水 m T0 T T0
1
等体
dQ CV dT
Td S CV dT
dT T dS V CV
dT T dS p C p
练习
#1a0901021a
一绝热容器用隔热板分成等体积的两半，一半盛有理 想气体，另一半为真空，抽掉隔板，气体便进行自由 膨胀，达到平衡后，则气体的
A. 温度不变，熵不变； B.温度不变，熵增加； C.温度不变，熵增加； D.温度降低，熵增加。
4）封闭系统中任何过程,熵可能增加，也可能减少。 例如: 热传导. 两个物体(T1>T2), 传热dQ 后可认为各自温度不变.
dQ dS1 T1
封闭系统: 物体1
0
0
dQ
2
封闭系统: 物体2
dQ dS2 T2
孤立系统: 物体1和物体2
dS dS1 dS2
dQ
T T1 自发过程熵增加！
体积均为V，各盛1mol同种理想气体。开始时左半部 温度为TA，右半部温度为TB(<TA)。经足够长时间 1 两部分气体达到共同的热平衡温度 T (TA TB ). 2 试计算此热传导过程初终两态的熵变。 设：两侧分别进行了可逆的 解: 等容过程达到最终的平衡态 TA TB T V 根据 S S0 CV ln R ln T0 V0
T V S S 0 CV ln R ln T0 V0
1) 以( T,V )为独立变量:
pV RT
T V S S 0 CV ln R ln T0 V0
2) 以( T,p) 为独立变量:
T p S S 0 C P ln R ln T0 p0
3)以( p,V )为独立变量:
Q热 放 1 S热 源 895 J K < 0！ T2
(3) 系统的总熵变化
115 J K 1 > 0！ S S水 S热源
孤立系统自发过程熵增加!
§13-5 热力学第三定律
热力学负温度
不要求！
温熵图
dQ可逆 dS T
T
T
S dS
dQ TdS
系统一次循环吸收的 净热
C 过程；
D 过程；
0 V1
D.以上都不对。
V2
V
作业：
练习册P178：9
下次带习题课指导书
如图所示，在温熵图上画出的卡诺循环过程曲线，曲线 包围的面积的物理意义
A. 系统的内能变化；
B.系统的净功； C.系统的熵变化； D.以上都不对。
T a T1 T2 d
0 S1
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