【大學(xué)課件】工程熱力學(xué)Engineering Thermodynamics 緒論

工程熱力學(xué)：能量轉(zhuǎn)換的科學(xué)工程熱力學(xué)是研究能量轉(zhuǎn)換和傳遞的科學(xué)。它探討熱能與其他形式能量之間的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律。本課程將深入探討熱力學(xué)的基本原理及其在工程中的應(yīng)用。熱力學(xué)的基本概念系統(tǒng)研究對(duì)象的集合，與周?chē)h(huán)境有明確界限。狀態(tài)系統(tǒng)在特定時(shí)刻的熱力學(xué)性質(zhì)集合。過(guò)程系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)的途徑。循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)歷一系列過(guò)程后回到初始狀態(tài)。溫度：熱力學(xué)的基石定義溫度是物體熱狀態(tài)的度量，反映分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。測(cè)量單位常用攝氏度(°C)、華氏度(°F)和開(kāi)爾文(K)。熱量：能量的一種形式定義熱量是由于溫度差而傳遞的能量。單位熱量的國(guó)際單位是焦耳(J)。傳遞方式熱量通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射傳遞。功：能量轉(zhuǎn)換的橋梁定義功是力作用下位移的結(jié)果，是能量轉(zhuǎn)換的一種方式。計(jì)算功等于力與位移的乘積。W=F*d單位功的國(guó)際單位也是焦耳(J)。熱力學(xué)第一定律：能量守恒1能量守恒能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失。2數(shù)學(xué)表達(dá)ΔU=Q-W3應(yīng)用廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)和能源系統(tǒng)分析。內(nèi)能：系統(tǒng)的固有能量定義內(nèi)能是系統(tǒng)中所有分子運(yùn)動(dòng)和相互作用的能量總和。組成包括動(dòng)能、勢(shì)能和化學(xué)能等。特點(diǎn)內(nèi)能是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，與系統(tǒng)的歷史無(wú)關(guān)。熱機(jī)和制冷機(jī)：能量轉(zhuǎn)換設(shè)備熱機(jī)將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的裝置。例如：蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)。制冷機(jī)通過(guò)消耗功將熱量從低溫物體傳遞到高溫物體的裝置。例如：冰箱、空調(diào)。熱力學(xué)效率：能量轉(zhuǎn)換的衡量1定義2輸出與輸入之比3熱機(jī)效率4制冷系數(shù)5卡諾循環(huán)效率熱力學(xué)效率是衡量能量轉(zhuǎn)換過(guò)程有效性的重要指標(biāo)。它反映了有用輸出與總輸入之間的比值。熱力學(xué)第二定律：能量質(zhì)量1克勞修斯表述熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。2開(kāi)爾文-普朗克表述不可能制造出一種循環(huán)工作的熱機(jī)，它只從一個(gè)熱源吸熱而不產(chǎn)生其他影響。3熵增原理孤立系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)增加。熵：無(wú)序度的度量1定義熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的度量。2計(jì)算dS=δQ/T（可逆過(guò)程）3特性熵是狀態(tài)函數(shù)，與過(guò)程無(wú)關(guān)。4應(yīng)用用于分析能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的不可逆性。熵原理：自然界的指導(dǎo)方針?lè)较蛐宰匀贿^(guò)程總是朝著熵增加的方向進(jìn)行。平衡性孤立系統(tǒng)最終達(dá)到熵最大的平衡狀態(tài)。不可逆性實(shí)際過(guò)程都是不可逆的，伴隨著熵的產(chǎn)生?？赡孢^(guò)程和不可逆過(guò)程可逆過(guò)程理想化的過(guò)程，系統(tǒng)可以完全回到初始狀態(tài)，不產(chǎn)生熵。不可逆過(guò)程實(shí)際過(guò)程，系統(tǒng)無(wú)法完全回到初始狀態(tài)，伴隨熵的產(chǎn)生。理想氣體狀態(tài)方程方程式PV=nRT變量P為壓力，V為體積，n為物質(zhì)的量，R為氣體常數(shù)，T為溫度。應(yīng)用廣泛用于氣體行為的近似計(jì)算。理想氣體的內(nèi)能和焓內(nèi)能U=3/2nRT（單原子氣體）焓H=U+PV關(guān)系H=5/2nRT（單原子氣體）理想氣體的焓變化1定義焓變化反映了系統(tǒng)吸收或釋放的熱量。2計(jì)算ΔH=Cp*ΔT（等壓過(guò)程）3應(yīng)用用于分析化學(xué)反應(yīng)和熱力學(xué)過(guò)程。定壓過(guò)程：壓力恒定特點(diǎn)壓力保持不變，體積可以改變。熱量Q=ΔH（等于焓變）功W=P*ΔV應(yīng)用常見(jiàn)于大氣壓下的過(guò)程。定容過(guò)程：體積恒定特點(diǎn)體積保持不變，壓力可以改變。熱量Q=ΔU（等于內(nèi)能變化）功W=0（無(wú)體積功）等溫過(guò)程：溫度恒定特點(diǎn)溫度保持不變，壓力和體積可以改變。關(guān)系式PV=常數(shù)（波義耳定律）內(nèi)能變化ΔU=0（理想氣體）絕熱過(guò)程：無(wú)熱交換1定義2系統(tǒng)與環(huán)境無(wú)熱交換3PVγ=常數(shù)4Q=05ΔU=-W絕熱過(guò)程中，系統(tǒng)與環(huán)境之間沒(méi)有熱量交換。這種過(guò)程在實(shí)際工程中很難實(shí)現(xiàn)，但在理論分析中很重要。等熵過(guò)程：熵不變1定義系統(tǒng)熵保持不變的過(guò)程。2特點(diǎn)可逆絕熱過(guò)程是等熵過(guò)程。3關(guān)系式TVγ-1=常數(shù)4應(yīng)用用于分析理想化的熱力循環(huán)?；旌蠚怏w組成摩爾分?jǐn)?shù)各組分的摩爾數(shù)與總摩爾數(shù)之比。質(zhì)量分?jǐn)?shù)各組分的質(zhì)量與總質(zhì)量之比。體積分?jǐn)?shù)各組分的體積與總體積之比。分壓混合氣體中某組分單獨(dú)占據(jù)總體積時(shí)的壓力?；旌蠚怏w的熱力學(xué)性質(zhì)道爾頓分壓定律混合氣體的總壓力等于各組分分壓之和。阿馬加定律混合氣體的體積等于各組分在同溫同壓下的體積之和。吉布斯-道爾頓定律混合氣體的熵等于各組分在同溫同壓下的熵之和。相圖和相變相圖描述物質(zhì)在不同溫度和壓力下的相態(tài)。包括固相、液相和氣相區(qū)域。相變物質(zhì)從一種相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相態(tài)的過(guò)程。如：蒸發(fā)、凝結(jié)、融化、凝固等。純物質(zhì)的狀態(tài)變化1固態(tài)分子振動(dòng)，位置固定。2液態(tài)分子可自由移動(dòng)，但仍有相互作用。3氣態(tài)分子運(yùn)動(dòng)劇烈，相互作用微弱。狀態(tài)方程：描述物質(zhì)行為范德瓦爾斯方程(P+a/V2)(V-b)=RT維里方程PV=RT(1+B/V+C/V2+...)重要性用于描述實(shí)際氣體的行為，修正理想氣體方程的偏差。焓-溫度圖和熵-溫度圖焓-溫度圖(H-T圖)用于分析熱力過(guò)程中的能量變化。橫軸為溫度，縱軸為焓。熵-溫度圖(S-T圖)用于分析熱力過(guò)程中的不可逆性。橫軸為溫度，縱軸為熵。制冷循環(huán)：逆卡諾循環(huán)壓縮制冷劑被壓縮，溫度和壓力升高。冷凝高溫制冷劑在冷凝器中釋放熱量。膨脹制冷劑通過(guò)節(jié)流閥降壓膨脹。蒸發(fā)低溫制冷劑在蒸發(fā)器中吸收熱量。功率循環(huán)：能量轉(zhuǎn)換過(guò)程1朗肯循環(huán)蒸汽動(dòng)力循環(huán)，廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電。2布雷頓循環(huán)氣體渦輪循環(huán)，用于燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。3奧托循環(huán)火花點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)循環(huán)，用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。4狄塞爾循環(huán)壓燃內(nèi)燃機(jī)循環(huán)，用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)反應(yīng)熱化學(xué)反應(yīng)中吸收或釋放的熱量?；瘜W(xué)平衡正反應(yīng)