熱學(xué)教學(xué)課件

熱學(xué)熱學(xué)基本概念與原理熱量傳遞方式與機(jī)制熱力學(xué)第二定律與熵增原理理想氣體狀態(tài)方程與性質(zhì)熱力學(xué)在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用熱學(xué)實(shí)驗(yàn)方法與技巧01熱學(xué)基本概念與原理溫度與熱量定義溫度表示物體冷熱程度的物理量，是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)志。熱量在熱傳遞過程中所傳遞內(nèi)能的多少，是過程量，與做功相對(duì)應(yīng)。由大量微觀粒子（如分子、原子等）組成的宏觀物體，是熱學(xué)研究的主要對(duì)象。根據(jù)系統(tǒng)與外界相互作用的不同，熱力學(xué)系統(tǒng)可分為孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)。熱力學(xué)系統(tǒng)及其分類分類熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)平衡態(tài)在沒有外界影響的條件下，系統(tǒng)各部分的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。熱力學(xué)過程系統(tǒng)由一個(gè)平衡態(tài)變化到另一個(gè)平衡態(tài)的經(jīng)過。根據(jù)過程中系統(tǒng)與外界交換的能量和物質(zhì)的不同，熱力學(xué)過程可分為等溫過程、等壓過程、等容過程、絕熱過程等。熱力學(xué)平衡態(tài)與過程熱量可以從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，也可以與機(jī)械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過程中，能量的總值保持不變。內(nèi)容ΔU=Q+W，其中ΔU表示系統(tǒng)內(nèi)能的增量，Q表示外界對(duì)系統(tǒng)傳遞的熱量，W表示外界對(duì)系統(tǒng)做的功。數(shù)學(xué)表達(dá)式熱力學(xué)第一定律02熱量傳遞方式與機(jī)制03傳導(dǎo)傳熱應(yīng)用金屬導(dǎo)熱、熱電偶測(cè)溫、熱傳導(dǎo)方程求解等。01傳導(dǎo)傳熱定義通過物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)，將熱量從高溫部分傳遞到低溫部分的過程。02傳導(dǎo)傳熱機(jī)制固體內(nèi)部自由電子、原子或分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)形式實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。傳導(dǎo)傳熱原理及應(yīng)用流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過程。對(duì)流傳熱定義流體內(nèi)部溫度梯度引起的熱量傳遞，伴隨有動(dòng)量、質(zhì)量的傳遞。對(duì)流傳熱機(jī)制空氣調(diào)節(jié)、換熱器設(shè)計(jì)、流體管道熱損失計(jì)算等。對(duì)流傳熱應(yīng)用對(duì)流傳熱過程分析物體通過電磁波的形式向外發(fā)射能量，被其他物體吸收后轉(zhuǎn)化為熱能的過程。輻射傳熱定義輻射傳熱特點(diǎn)輻射傳熱應(yīng)用無需介質(zhì)，真空中也能進(jìn)行；具有方向性和選擇性；與物體溫度四次方成正比。太陽能利用、紅外測(cè)溫、輻射加熱與干燥等。030201輻射傳熱特點(diǎn)及應(yīng)用復(fù)合傳熱定義同時(shí)存在兩種或兩種以上傳熱方式的熱量傳遞過程。復(fù)合傳熱分析需綜合考慮各種傳熱方式的影響，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型進(jìn)行描述和求解。復(fù)合傳熱應(yīng)用電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能評(píng)價(jià)、航空航天器熱控制等。復(fù)合傳熱過程簡(jiǎn)介03熱力學(xué)第二定律與熵增原理熱力學(xué)第二定律的兩種表述熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體；不可能從單一熱源吸收熱量并全部用來做功，而不引起其他變化。熱力學(xué)第二定律的意義揭示了自然界中宏觀過程的方向性，即不可逆性。它指出，與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的，從而闡明了熱機(jī)效率、制冷系數(shù)等熱力學(xué)量的極限值。熱力學(xué)第二定律表述及意義熵增原理在一個(gè)孤立系統(tǒng)中，熵總是趨向于增加，即系統(tǒng)的無序程度總是趨向于增大。熵增原理在自然界中的表現(xiàn)自然界中的各種現(xiàn)象，如熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)等，都符合熵增原理。這些現(xiàn)象都是不可逆的，即它們都是向著熵增加的方向進(jìn)行的。熵增原理及其在自然界中表現(xiàn)可逆過程系統(tǒng)經(jīng)過某一過程從狀態(tài)1變?yōu)闋顟B(tài)2后，如果能使系統(tǒng)和環(huán)境都完全復(fù)原（即系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)1，同時(shí)消除了原來過程對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的一切影響，環(huán)境也復(fù)原），則這樣的過程稱為可逆過程。不能用可逆的手段使系統(tǒng)由某一狀態(tài)恢復(fù)到初態(tài)，而不引起其他變化的過程叫做不可逆過程?？赡孢^程是理想化的抽象，嚴(yán)格來講現(xiàn)實(shí)中并不存在（但它在理論、計(jì)算中有著重要意義）；大量事實(shí)證明與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆過程。不可逆過程二者比較可逆過程與不可逆過程比較熱機(jī)效率及卡諾定理熱機(jī)所做有用功與燃料完全燃燒釋放的熱量之比稱為熱機(jī)效率。熱機(jī)工作時(shí)總是有能量的損失與消耗，所以熱機(jī)效率始終小于1。熱機(jī)效率在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆熱機(jī)的效率都相等，與工作物質(zhì)無關(guān)，其中T1、T2分別是高溫和低溫?zé)嵩吹慕^對(duì)溫度。卡諾定理04理想氣體狀態(tài)方程與性質(zhì)理想氣體狀態(tài)方程介紹理想氣體狀態(tài)方程是描述理想氣體狀態(tài)變量之間關(guān)系的方程，即pV=nRT，其中p為壓強(qiáng)，V為體積，n為物質(zhì)的量，R為氣體常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。理想氣體是一種假想的氣體，其分子間無相互作用力，分子本身不占體積，且滿足玻意耳定律、蓋-呂薩克定律和查理定律。03在絕熱過程中，理想氣體與外界沒有熱量交換，其內(nèi)能的變化等于外界對(duì)其做功或其對(duì)外界做功。01理想氣體的內(nèi)能僅與溫度有關(guān)，與體積和壓力無關(guān)。因此，在等溫過程中，理想氣體的內(nèi)能不變。02理想氣體在等壓過程中吸收的熱量等于其內(nèi)能的增加和對(duì)外所做功之和。理想氣體內(nèi)能、功和熱量計(jì)算絕熱過程是指系統(tǒng)與外界沒有熱量交換的過程。在絕熱過程中，理想氣體的內(nèi)能變化完全由做功引起。多方過程是指系統(tǒng)狀態(tài)變化時(shí)，其壓強(qiáng)、體積和溫度之間的關(guān)系不滿足簡(jiǎn)單的比例關(guān)系。在多方過程中，需要引入多方指數(shù)來描述系統(tǒng)的狀態(tài)變化。理想氣體絕熱過程和多方過程分析實(shí)際氣體與理想氣體不同，其分子間存在相互作用力，且分子本身占據(jù)一定的體積。因此，實(shí)際氣體的行為比理想氣體更為復(fù)雜。在高溫低壓下，實(shí)際氣體的行為接近于理想氣體；而在低溫高壓下，實(shí)際氣體的行為與理想氣體相差較大。此時(shí)需要引入范德華方程等更為精確的狀態(tài)方程來描述實(shí)際氣體的行為。實(shí)際氣體行為描述05熱力學(xué)在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用空調(diào)、冰箱等制冷設(shè)備工作原理利用制冷劑在低溫下蒸發(fā)吸收熱量，然后在高溫下冷凝釋放熱量的循環(huán)過程。提高制冷劑的壓力和溫度，使其能夠在冷凝器中放出熱量。將制冷劑冷卻并凝結(jié)成液體，同時(shí)釋放出吸收的熱量。制冷劑在低壓低溫下蒸發(fā)，吸收周圍環(huán)境的熱量，達(dá)到制冷效果。制冷循環(huán)壓縮機(jī)冷凝器蒸發(fā)器水冷系統(tǒng)散熱器水泵節(jié)溫器汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)01020304通過循環(huán)冷卻液將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量帶走，保持發(fā)動(dòng)機(jī)在適宜的工作溫度。冷卻液在散熱器中與外界空氣進(jìn)行熱交換，將熱量散發(fā)到大氣中。驅(qū)動(dòng)冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器之間循環(huán)流動(dòng)?？刂评鋮s液的循環(huán)路徑，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻效果。冷卻塔循環(huán)水泵凝汽器水處理系統(tǒng)火力發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過噴淋水將循環(huán)冷卻水的熱量帶到大氣中，降低水溫。汽輪機(jī)排汽與循環(huán)冷卻水進(jìn)行熱交換，將蒸汽凝結(jié)成水，同時(shí)釋放出熱量。驅(qū)動(dòng)循環(huán)冷卻水在凝汽器和冷卻塔之間流動(dòng)。對(duì)循環(huán)冷卻水進(jìn)行凈化處理，防止水質(zhì)惡化對(duì)設(shè)備造成損害。利用塞貝克效應(yīng)等熱電轉(zhuǎn)換原理，將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，提高能源利用效率。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)通過消耗少量電能，將環(huán)境中的低品位熱能提升為高品位熱能，用于供暖、制冷等領(lǐng)域。熱泵技術(shù)利用熱管內(nèi)部工質(zhì)的相變傳熱原理，實(shí)現(xiàn)高效、快速的熱傳遞，應(yīng)用于電子設(shè)備散熱、航空航天等領(lǐng)域。熱管技術(shù)將多余的熱能儲(chǔ)存起來，在需要時(shí)進(jìn)行釋放，提高能源利用的時(shí)空靈活性。熱存儲(chǔ)技術(shù)新能源領(lǐng)域熱力學(xué)應(yīng)用前景06熱學(xué)實(shí)驗(yàn)方法與技巧接觸式測(cè)溫（如熱電偶、熱電阻等）和非接觸式測(cè)溫（如紅外測(cè)溫、輻射測(cè)溫等）。溫度測(cè)量方法傳感器誤差、環(huán)境誤差、測(cè)量系統(tǒng)誤差等。誤差來源校準(zhǔn)傳感器、控制環(huán)境條件、采用高精度測(cè)量系統(tǒng)等。減小誤差的方法溫度測(cè)量方法及誤差分析123研究熱量傳遞的規(guī)律和特性，如傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等。實(shí)驗(yàn)?zāi)康臉?gòu)建熱量傳遞模型，選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料和裝置，控制和測(cè)量相關(guān)參數(shù)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)思路確保實(shí)驗(yàn)安全，避免熱量損失和漏熱現(xiàn)象，減小測(cè)量誤差。注意事項(xiàng)熱量傳遞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路比熱容測(cè)量通過測(cè)量物質(zhì)吸收或放出熱量時(shí)溫度的變化來計(jì)算比熱容。熱導(dǎo)率測(cè)量采用穩(wěn)態(tài)法或瞬態(tài)法，測(cè)量材料內(nèi)部的溫度梯度和熱流密度來計(jì)算熱導(dǎo)率。熱擴(kuò)散率測(cè)量利用激光閃射法或熱線法等，測(cè)量材料內(nèi)部溫度響應(yīng)時(shí)間來計(jì)算熱擴(kuò)散率。