(2024年)大學(xué)物理(下)知識(shí)梳理熱力學(xué)復(fù)習(xí)

大學(xué)物理(下)知識(shí)梳理熱力學(xué)復(fù)習(xí)12024/3/26目錄熱力學(xué)基本概念與定律理想氣體性質(zhì)與應(yīng)用熱傳導(dǎo)、對(duì)流與輻射傳熱方式相變與臨界點(diǎn)現(xiàn)象探討循環(huán)過(guò)程與熱力學(xué)效率計(jì)算熱力學(xué)在新能源領(lǐng)域應(yīng)用前景展望22024/3/26熱力學(xué)基本概念與定律0132024/3/26熱力學(xué)系統(tǒng)由大量微觀粒子組成的宏觀物體，根據(jù)粒子間相互作用可分為孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開(kāi)放系統(tǒng)。狀態(tài)參量描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，如體積V、壓強(qiáng)p、溫度T等。平衡態(tài)系統(tǒng)各部分宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)可用狀態(tài)參量完全確定。狀態(tài)方程描述系統(tǒng)狀態(tài)參量間關(guān)系的方程，如理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT。熱力學(xué)系統(tǒng)及其狀態(tài)描述42024/3/26熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律表述熱量可以從一個(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(guò)程中，能量的總值保持不變。內(nèi)能系統(tǒng)內(nèi)所有微觀粒子的動(dòng)能和勢(shì)能之和。功和熱量改變內(nèi)能的兩種方式，功是宏觀力作用下的能量轉(zhuǎn)換，熱量是微觀粒子間能量傳遞的結(jié)果。熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)表達(dá)式ΔU=Q+W，其中ΔU為內(nèi)能增量，Q為吸收熱量，W為外界對(duì)系統(tǒng)做功。52024/3/26熱力學(xué)第二定律表述01不可能從單一熱源取熱，使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響；或不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化。熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)02揭示了自然界中與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程具有方向性。卡諾定理03在相同的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆熱機(jī)，其效率都相等，且與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)；在相同的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作的一切不可逆熱機(jī)，其效率都小于可逆熱機(jī)的效率。熱力學(xué)第二定律62024/3/26描述系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量，符號(hào)為S。在可逆過(guò)程中，熵保持不變；在不可逆過(guò)程中，熵總是增加。熵?zé)崃W(xué)第三定律表述熱力學(xué)第三定律的實(shí)質(zhì)在熱力學(xué)零度（即T=0K）時(shí)，一切完美晶體的熵值等于零。或者表述為絕對(duì)零度（T=0K）不可達(dá)到。揭示了自然界中與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程具有方向性，并指出了達(dá)到絕對(duì)零度的理想極限不可能實(shí)現(xiàn)。熵與熱力學(xué)第三定律72024/3/26理想氣體性質(zhì)與應(yīng)用0282024/3/26理想氣體狀態(tài)方程的適用條件適用于稀薄氣體，即氣體分子間距離較大，相互作用力可忽略不計(jì)。理想氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用可用于計(jì)算氣體的壓強(qiáng)、體積、溫度等物理量，以及解決與氣體狀態(tài)變化相關(guān)的問(wèn)題。理想氣體狀態(tài)方程$pV=nRT$，其中$p$是壓強(qiáng)，$V$是體積，$n$是物質(zhì)的量，$R$是氣體常數(shù)，$T$是熱力學(xué)溫度。理想氣體狀態(tài)方程92024/3/26理想氣體的內(nèi)能僅與溫度有關(guān)，與體積和壓強(qiáng)無(wú)關(guān)。內(nèi)能表達(dá)式為$U=frac{3}{2}nRT$，其中$U$是內(nèi)能，$n$是物質(zhì)的量，$R$是氣體常數(shù)，$T$是熱力學(xué)溫度。理想氣體的熱容分為定壓熱容和定容熱容。定壓熱容$C_p=frac{5}{2}nR$，定容熱容$C_V=frac{3}{2}nR$。熱容反映了氣體在加熱或冷卻過(guò)程中吸收或放出的熱量與溫度變化的關(guān)系。理想氣體的內(nèi)能理想氣體的熱容理想氣體內(nèi)能及熱容102024/3/26等溫過(guò)程溫度保持不變的過(guò)程。在等溫過(guò)程中，理想氣體的內(nèi)能不變，吸收的熱量全部用于對(duì)外做功。等容過(guò)程體積保持不變的過(guò)程。在等容過(guò)程中，氣體不對(duì)外做功，吸收的熱量全部用于增加內(nèi)能。等壓過(guò)程壓強(qiáng)保持不變的過(guò)程。在等壓過(guò)程中，氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比，吸收的熱量部分用于增加內(nèi)能，部分用于對(duì)外做功。絕熱過(guò)程系統(tǒng)與外界沒(méi)有熱量交換的過(guò)程。在絕熱過(guò)程中，理想氣體的內(nèi)能變化完全由對(duì)外做功引起。理想氣體過(guò)程分析112024/3/26理想氣體模型在熱力學(xué)中的應(yīng)用理想氣體模型是研究熱力學(xué)的基礎(chǔ)模型之一，可用于分析熱力學(xué)系統(tǒng)的基本性質(zhì)和過(guò)程。理想氣體在實(shí)際氣體中的近似應(yīng)用在一定條件下，實(shí)際氣體的性質(zhì)可以近似為理想氣體。例如，在溫度不太低、壓強(qiáng)不太大的情況下，許多氣體可以近似為理想氣體進(jìn)行處理。理想氣體在工程領(lǐng)域的應(yīng)用在工程領(lǐng)域中，理想氣體模型常用于分析氣體壓縮、膨脹、流動(dòng)等過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換和效率問(wèn)題。例如，在內(nèi)燃機(jī)、制冷機(jī)等設(shè)備中，理想氣體模型可用于分析工作過(guò)程中的能量損失和效率優(yōu)化問(wèn)題。理想氣體在實(shí)際問(wèn)題中應(yīng)用122024/3/26熱傳導(dǎo)、對(duì)流與輻射傳熱方式03132024/3/26熱傳導(dǎo)現(xiàn)象01物體內(nèi)部或物體之間由于溫度差異引起的熱量傳遞現(xiàn)象。02熱傳導(dǎo)規(guī)律熱量總是從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞，傳遞速率與溫度差、物體熱導(dǎo)率和傳熱面積有關(guān)。03熱傳導(dǎo)方程描述熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的偏微分方程，用于求解物體內(nèi)部溫度分布和熱量傳遞速率。熱傳導(dǎo)現(xiàn)象及規(guī)律142024/3/26對(duì)流傳熱原理流體（氣體或液體）中由于溫度差異引起的熱量傳遞現(xiàn)象。影響因素流體流動(dòng)狀態(tài)（層流或湍流）、流體物性（密度、粘度、熱導(dǎo)率等）、傳熱表面形狀和大小等。對(duì)流傳熱系數(shù)表示對(duì)流傳熱強(qiáng)弱的物理量，與流體流動(dòng)狀態(tài)、物性和傳熱表面條件有關(guān)。對(duì)流傳熱原理及影響因素152024/3/26輻射傳熱機(jī)制物體通過(guò)電磁波（主要是紅外線）傳遞熱量的現(xiàn)象。特點(diǎn)不需要介質(zhì)，可在真空中傳播；傳熱速率與物體溫度的四次方成正比；具有方向性和選擇性。黑體輻射理想化的輻射體，能完全吸收所有波長(zhǎng)的輻射能量，其輻射特性符合普朗克輻射定律。輻射傳熱機(jī)制及特點(diǎn)162024/3/26分析方法根據(jù)具體傳熱條件和要求，建立復(fù)合傳熱模型，綜合考慮各種傳熱方式的影響，進(jìn)行定量計(jì)算和分析。傳熱強(qiáng)化與削弱通過(guò)改變傳熱表面形狀、增加傳熱面積、提高流體流動(dòng)速度等措施強(qiáng)化傳熱；通過(guò)保溫隔熱等措施削弱傳熱。復(fù)合傳熱實(shí)際傳熱過(guò)程中往往同時(shí)存在熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種傳熱方式。復(fù)合傳熱過(guò)程分析172024/3/26相變與臨界點(diǎn)現(xiàn)象探討04182024/3/26相平衡條件及相圖解讀相平衡條件在相變過(guò)程中，物質(zhì)不同相之間達(dá)到平衡狀態(tài)所必須滿足的條件。主要包括溫度、壓力和組成等方面的平衡。相圖解讀相圖是表示物質(zhì)相態(tài)與溫度、壓力等參數(shù)之間關(guān)系的圖形。通過(guò)相圖，可以了解物質(zhì)的相變規(guī)律、相平衡條件以及不同相之間的轉(zhuǎn)變過(guò)程。192024/3/26臨界點(diǎn)性質(zhì)臨界點(diǎn)是指物質(zhì)在特定條件下，如溫度、壓力等，從一個(gè)相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相態(tài)的界限點(diǎn)。在臨界點(diǎn)附近，物質(zhì)的物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化，如密度、粘度、熱容等。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方法觀測(cè)臨界點(diǎn)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)方法主要包括測(cè)量物質(zhì)的P-V-T關(guān)系、熱容變化、粘度變化等。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)手段，可以了解物質(zhì)在臨界點(diǎn)附近的特殊性質(zhì)和行為。臨界點(diǎn)性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方法202024/3/26超臨界流體技術(shù)應(yīng)用前景超臨界流體是指溫度和壓力超過(guò)臨界點(diǎn)的流體。超臨界流體具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高擴(kuò)散性、低粘度、高溶解能力等。這些特性使得超臨界流體技術(shù)在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。超臨界流體技術(shù)超臨界流體技術(shù)可應(yīng)用于萃取、分離、反應(yīng)工程、材料制備等領(lǐng)域。例如，利用超臨界流體的溶解能力，可以實(shí)現(xiàn)從固體或液體中高效提取目標(biāo)成分；利用超臨界流體的擴(kuò)散性，可以加速化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行；利用超臨界流體的低粘度，可以改善材料的加工性能等。隨著超臨界流體技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其應(yīng)用前景將更加廣闊。應(yīng)用前景212024/3/26循環(huán)過(guò)程與熱力學(xué)效率計(jì)算05222024/3/26循環(huán)過(guò)程是指系統(tǒng)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化后，最終回到初始狀態(tài)的過(guò)程。在熱力學(xué)中，循環(huán)過(guò)程通常涉及熱量的吸收和釋放，以及功的輸入和輸出。循環(huán)過(guò)程描述根據(jù)循環(huán)過(guò)程中工質(zhì)的狀態(tài)變化，循環(huán)過(guò)程可分為等溫循環(huán)、絕熱循環(huán)和多變循環(huán)等類(lèi)型。其中，等溫循環(huán)過(guò)程中工質(zhì)的溫度保持不變，絕熱循環(huán)過(guò)程中工質(zhì)與外界沒(méi)有熱量交換，多變循環(huán)過(guò)程中工質(zhì)的狀態(tài)變化則介于等溫循環(huán)和絕熱循環(huán)之間。分類(lèi)方法循環(huán)過(guò)程描述及分類(lèi)方法232024/3/26卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)是一種理想的可逆循環(huán)過(guò)程，由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成。卡諾循環(huán)的效率只取決于熱源和冷源的溫度，而與工質(zhì)的具體性質(zhì)無(wú)關(guān)。效率計(jì)算卡諾循環(huán)的效率η可表示為η=1-T2/T1，其中T1和T2分別為熱源和冷源的溫度（以開(kāi)爾文為單位）。該公式表明，卡諾循環(huán)的效率隨著熱源和冷源溫度差的增大而提高?？ㄖZ循環(huán)及其效率計(jì)算242024/3/26實(shí)際循環(huán)與理想循環(huán)的差異實(shí)際循環(huán)過(guò)程中存在各種不可逆因素，如摩擦、傳熱損失等，導(dǎo)致實(shí)際循環(huán)效率低于理想循環(huán)效率。效率評(píng)估方法評(píng)估實(shí)際循環(huán)效率的方法包括測(cè)量和計(jì)算。測(cè)量方法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段直接測(cè)定循環(huán)過(guò)程中的熱量、功等參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算效率。計(jì)算方法則是基于熱力學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)際循環(huán)過(guò)程進(jìn)行模擬和分析，從而得到效率的估計(jì)值。提高實(shí)際循環(huán)效率的途徑提高實(shí)際循環(huán)效率的途徑包括優(yōu)化循環(huán)設(shè)計(jì)、采用高效工質(zhì)、減少不可逆損失等。例如，在熱力發(fā)電中，采用超臨界參數(shù)、回?zé)嵫h(huán)等技術(shù)手段可以顯著提高發(fā)電效率。實(shí)際循環(huán)效率評(píng)估方法252024/3/26熱力學(xué)在新能源領(lǐng)域應(yīng)用前景展望06262024/3/26123研究高效集熱器設(shè)計(jì)，提高太陽(yáng)能吸收率和轉(zhuǎn)換效率。太陽(yáng)能集熱器熱力學(xué)優(yōu)化探討太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損失和熱力學(xué)效率問(wèn)題。光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程中的熱力學(xué)分析分析太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的熱力學(xué)循環(huán)、工質(zhì)選擇和能量轉(zhuǎn)換效率等問(wèn)題。太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)研究太陽(yáng)能利用中熱力學(xué)問(wèn)題探討272024/3/2603地?zé)峁┡c制冷熱力學(xué)分析探討地?zé)峁┡c制冷系統(tǒng)中的熱力學(xué)過(guò)程、能量利用效率和環(huán)境影響等問(wèn)題。01地?zé)豳Y源評(píng)估與熱力學(xué)建模建立地?zé)豳Y源評(píng)估模型，分析地?zé)豳Y源的熱力學(xué)特性和開(kāi)發(fā)潛力。02地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)優(yōu)化研究地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)中的熱力學(xué)循環(huán)、工質(zhì)選擇和能量轉(zhuǎn)換效率等問(wèn)題，提高地?zé)岚l(fā)電效率。地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用中熱力學(xué)分析282024/3/26核能