热力学原理 Laws of Thermodynamics
(精品)工程热力学课件：热力学第一定律
恒定流量
流过系统任何断面的质量相等
m1 m2 m
恒定参数
进入的能量与离开的能量相等
dEcv 0
开口系统稳态稳流能量方程
dEcv
Q
(h1
1 2
c12
gz1) m1
(h2
1 2
c22
gz2 ) m2
Ws
稳态稳流 m1 m2 m
dEcv 0
Q
(h2
1 2
c22
gz2
)
m
(h1
( Q W ) ( Q W ) 0
1b 2
2 c1
( Q W ) ( Q W )
1a 2
1b 2
p1
b
a c
2
V
与路径无关
用dU表示
是某状态函数的全微分
热力学能的物理意义
dU = Q - W
Q
W
dU 代表某微元过程中系统通过边界交换 的微热量与微功量两者之差值，也即系统内 部能量的变化。
气轮机 1.5MPa 320℃
0.6m3
例题
大储气罐蒸汽状态稳定，管道
气轮机
内的蒸汽量可忽略。 绝热，忽略动、位能，没有质
1.5MPa 320℃
0.6m3
量流出。
dEcv
Q
(h1
1 2
c12
gz1) m1
(h2
1 2
c22
gz2 ) m2
Ws
2
2
2
1 dEcv 1 h1 m1 1 Ws
Q
2
可逆过程的技术功
w ( pv) wt
w d ( pv) wt
可逆过程 pdv d ( pv) wt
Fundamentals of thermodynamics：热力学基本原理
5. The relationship between work and heat stirring
3.The work done by system during equilibrium process
dW Fdl pSdl pdV
Work is process quantity
W V2 pdV p V1
FFFSSS
1
p dl
The value of the work equals the total area under the process curve of p~V diagram.
Heating
Work and heat have same effect for the system. Joule proved that 1 cal of heat causes the same temperature increment as that of 4.18 joule of work does. i.e. 1cal= 4.186 J
第一类永动机： E2 - E1= 0 （循环） Q = 0 （外界不供给能量） W > 0 (对外界作功)
“Heat” and “Work” can not be transformed without thermodynamic system.
Heat
system
Work
§7-3 Application of the First Law to isochoric, isobaric & isothermal Processes
The first law of thermodynamics 热力学第一定律
The first law of thermodynamics 热力学第一定律（20）Thermodynamics is a macroscopic science, and at its most fundamental level, is the study of two physical quantities, energy and entropy. Energy may be regarded as the capacity to do work, whilst entropy maybe regarded as a measure of the disorder of a system. Thermodynamics is particularly concerned with the interconversion of energy as heat and work.热力学是一门宏观的科学，它在最基本的水平上对能量和熵两个物理量进行了研究。
能量可以认为是做功的能力，而熵是一个体系混乱度的测量。
能量以热和功的形式所进行的相互转变是热力学特别关心的。
In the chemical context, the relationships between these properties may be regarded as the driving forces behind chemical reactions. Since energy is either released or taken in by all chemical and biochemical processes, thermodynamics enables the prediction of whether a reaction may occur or not without need to consider the nature of matter itself.在化学范围中，这些性质之间相互关系可以认为是化学反应的驱动力。
热力学 The Laws Thermodynamics
4.熱力學第三定律(The Third Law of Thermodynamics) • 不可能有比絕對零度更低的溫度，而且 絕對零度是無法到達的。把一個物體冷 卻到極接近絕對零度是有可能的，目前 能到達的溫度是2*10-8K。
7.太空梭梭體表面黏貼的特殊隔熱磚，熱 傳導能力非常低，是一種極佳的熱絕緣 材料。當太空梭進出大氣層時，因與空 氣摩擦產生高溫，隔熱磚的絕熱作用可 保護太空梭不致因高溫而受損。
對流(convention)
1.液體或氣體受熱後，溫度升高，體積膨脹使密 度變小而上升，其他溫度較低的液體或氣體， 則因密度較大而下沉，形成所謂的對流。 2.當液體發生對流時，熱量便隨著流動而傳播。 • 煮開水的時候，雖然只在壺底加熱，但是很 快地整壺水都會變熱。 • 冷氣機通常都裝在室內較高的地方，而壁爐 則都裝設在較低的地方，都是考慮到室內空氣 的對流作用。
• 法國工程師卡諾於1824年提出的基本熱力學循環,用 以解釋蒸汽機的工作原理. • 卡諾循環包括四個階段: • (1)等溫膨脹:負荷活塞在住滿理想氣體的汽缸內運動, 連續量測氣體的壓力,溫度和體積.在恆定溫度下加熱, 使氣體膨脹,氣壓降低,活塞抬升. • (2)絕熱膨脹:停止加熱,但繼續膨脹,抬升活塞的同時,溫 度和壓力都下降. • (3)等溫壓縮:在恆定溫度下,利用適當散熱方式將熱釋 放,體積減小,活塞向下運動,氣體壓力增加. • (4)絕熱壓縮:停止釋放熱量,壓力和溫度增加,體積減小, 活塞繼續向下運動,直到開始下一循環.
攝氏溫標、華氏溫標、凱 氏溫標之關係
三個的關係式為: • TF = (9/5F° /C° )TC + 32° F • TC = (5/9C° / F° )( TF - 32° F) • K = TC + 273.15
热力学(thermodynamics)可以被定义成与能量有关的科学...
熱力學熱力學(thermodynamics)可以被定義成與能量有關的科學。
在工程中常常需要應用到熱力學知識，例如在工程師設計及製造蒸汽廠，以做為動力來源或輪機引擎，使它成為現代飛機的推進器，為了要設計這些設備，他們必須對熱力學有一整體的認識並能夠去應用它。
熱力學可被認為是一門工程科學，由於能量的使用及轉換在現代社會中是必須的，所以在工程師的教育中，熱力學的知識是不可或缺的。
熱力學絕大部分是在考慮將熱轉換成功，所謂熱（heat），事實上就是熱能，經由燃料的燃燒或核子反應爐，熱能可以被釋放出來。
某些熱能可以被傳遞成熱以被轉換成為功，功則可能以旋轉軸所形成的動力，或飛機引擎所產生的推力型式出現。
可以對熱力學作ㄧ更適切的定義：熱力學是一門與熱能轉變成機械功有關的工程科學。
為了要分析熱功轉換，狀況下流體的行為，而且熱傳遞主要是由於溫度差異，所以也必須了解熱傳遞。
熱力學的發展在本世紀初期，熱的觀念引起極大的爭論，較受歡迎的是，將熱當成一種無色無味的流體，並稱之為“Caloric”，當一物體充滿“Caloric”時，他變成飽和。
後來，卡諾從熱的觀念提出只要是引擎必有熱的損耗，在1824年，卡諾（Carnot）並明確地陳述所謂的熱力學第二定律的觀念；就是熱機的熱效率必低於100％。
在西元1840年，焦耳（Joule）作了精確的實驗發現：熱並不是流體，而是一種型式能量，因此熱也能轉換成其他型式的能量。
這項結果導致熱力學第一定律（能量守恆）能夠被發現。
更特別的是，由熱力學第一定律，我們知道在一引擎中，熱可轉換為功或功可因摩擦轉為熱，因此在工程熱力分析中，第一及第二定律可視為熱力學的基礎。
西元1848年，克耳文（Kelvin）利用卡諾有關熱機熱效率的結論提出絕對溫標的觀念，絕對溫標是以攝氏溫標作基礎並命名為克氏溫標以紀念其貢獻。
克耳文也是第一個將這門科學定義為熱力學的人。
對英國工程師而言，威廉冉肯（Rankine）是第一個將工程熱力學寫成教科書的人，名為「蒸汽機和其他主要動力機手冊」（Manual of Steam Engine and other Prime Movers），首先於西元1859年出版，直到20世紀初仍在出版。
化工热力学导论英文课件5热力学第二定律the second law of thermodynamics
Difficulties Entropy, mathematical statement of the second law
பைடு நூலகம்
Thermodynamics is concerned with transformations of energy, and the laws of thermodynamics describe the bounds within which these transformations are observed to occur. The first law reflects the observation that energy is conserved, but it imposes no restriction on the process direction. Yet, all experience indicates the existence of such a restriction, the concise statement of which
5.1statements of the second law
The observations just described suggest a general restriction on processes beyond that imposed by the first law. The second law is equally well expressed in two statements that described this restriction:
5.7 entropy balance for open systems 5.8 calculation of ideal work 5.9 lost work 5.10 the third law of thermodynamics 5.11 entropy from the microscopic viewpoint
Laws of Thermodynamics
Laws of Thermodynamics热力学定律热力学定律是研究能量转化和热量传递的基本原理。
它们是热力学的基石，对于我们理解自然界中的能量转化过程至关重要。
本文将介绍热力学定律的基本概念和应用。
第一定律：能量守恒定律热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，指出能量在系统中的转化是守恒的。
换句话说，能量既不能被创造也不能被销毁，只能从一种形式转化为另一种形式。
这个定律可以通过一个简单的例子来说明。
假设我们有一个封闭的容器，容器内有一定量的气体，我们对其施加压力，使气体发生压缩。
根据能量守恒定律，我们知道气体的内能会增加，而外界对气体所做的功将等于内能的增加。
这个例子展示了能量从一种形式（机械能）转化为另一种形式（内能）的过程。
第二定律：热力学箭头热力学第二定律是热力学中最重要的定律之一。
它提供了一个方向，指示能量转化的过程是否可逆。
根据第二定律，自然界中的能量转化过程总是趋向于无序化，即熵的增加。
熵是一个描述系统无序程度的物理量。
根据第二定律，熵在一个孤立系统中永远不会减少，只会增加或保持不变。
这意味着自然界中的能量转化过程总是朝着更高的熵方向进行。
一个常见的例子是热量的传递。
热量从高温物体传递到低温物体，这是一个不可逆的过程。
根据第二定律，热量不会自动从低温物体传递到高温物体，因为这将导致熵的减少，与第二定律相矛盾。
热力学第二定律也可以用来解释为什么一些过程是不可逆的。
例如，将热量转化为有用的机械功是不可逆的，因为这将导致熵的减少。
这也解释了为什么热机的效率有限，无法达到100%。
第三定律：绝对零度不可达热力学第三定律，也被称为绝对零度不可达定律，指出在有限次过程中无法将物体冷却到绝对零度。
绝对零度是热力学温标的零点，对应于-273.15摄氏度。
根据第三定律，当温度趋近于绝对零度时，熵趋于一个最小值，但不会达到零值。
因此，无论经过多少次过程，无法将物体冷却到绝对零度。
这个定律的重要性在于它限制了能量转化的极限。
热力学第一定律物理化学
解：根据
T2
T2
H Qp dH CpdT mC dT
T1
T1
mC(T2 T1)
T2 = 351.7K 设每天蒸发出x克水恰能维持体温不变，则
x △VHm = Qp 2406x = 10460×103
x = 4327g
31
四、理想气体的热力学能和焓
32
结果：V p ΔT水=0 Q =0 W=0 ΔU=0 结论：U = f ( T ) H = f ( T )
33
用数学式表示为：
(UV )T 0 (HV )T 0
( U p
)T
0
( H p
)T
0
U U (T ) H H (T )
还可以推广为理想气体的Cv,Cp也仅为温度的函数。
34
五、热容与热的计算
无相变、无化学变化、不做其他功
C Q
dT
实验表明： 1. 物质的热容与状态有关（例：液态水和气态水） 2. 物质的热容与所进行的变温过程有关
W2 = △U2- Q2
=1.247×103J – 2.078×103J
= - 0.831×103J
43
第四节 功与过程
一、理想气体的恒温体积功 功的定义式
体积功
功 = 力 位移
p外
δW = – f dl
dl A
= – p外 A dl
gas d
δW = – p外dV
V
积分式 W
1.247 103 J
40
根据热力学第一定律，有 W1 = △U1- Q1 = 0
由式（1-25）可得
T2
H1 nC p,mdT nC p,m (T2 T1 )
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1.2 Heat Capacity
• The amount of heat required to raise a certain mass of a material by a certain temperature is called heat capacity Q = mcxΔT • The constant cx is called the specific heat of substance x, (SI units of J/kg· K)
1.0 You can’t win (1st law)
• The first law of thermodynamics is an extension of the law of conservation of energy • The change in internal energy of a system is equal to the heat added to the system minus the work done by the system ΔU = Q - W
Slide courtesy of NASA
1.1 Process Terminology
• • • • Adiabatic – no heat transferred Isothermal – constant temperature Isobaric – constant pressure Isochoric – constant volume
1.1.2 Isothermal Process
• An isothermal process is a constant temperature process. Any heat flow into or out of the system must be slow enough to maintain thermal equilibrium • For ideal gases, if ΔT is zero, ΔU = 0 • Therefore, Q = W
Classical vs Statistical
• Classical thermodynamics concerns the relationships between bulk properties of matter. Nothing is examined at the atomic or molecular level. • Statistical thermodynamics seeks to explain those bulk properties in terms of constituent atoms. The statistical part treats the aggregation of atoms, not the behavior of any individual atom
Introduction
According to British scientist C. P. Snow, the three laws of thermodynamics can be (humorously) summarized as 1. You can’t win 2. You can’t even break even 3. You can’t get out of the game
– Any energy entering the system (Q) must leave as work (W)
1.1.3 Isobaric Process
• An isobaric process is a constant pressure process. ΔU, W, and Q are generally nonzero, but calculating the work done by an ideal gas is straightforward W = P· ΔV • Water boiling in a saucepan is an example of an isobar process
Laws of Thermodynamics
Thermodynamics
• Thermodynamics is the study of the effects of work, heat, and energy on a system • Thermodynamics is only concerned with macroscopic (large-scale) changes and observations
1.1.1 Adiabatic Process
• An adiabatic process transfers no heat
– therefore Q = 0
• ΔU = Q – W • When a system expands adiabatically, W is positive (the system does work) so ΔU is negative. • When a system compresses adiabatically, W is negative (work is done on the system) so ΔU is positive.
1.1.4 Isochoric Process
• An isochoric process is a constant volume process. When the volume of a system doesn’t change, it will do no work on its surroundings. W = 0 ΔU = Q • Heating gas in a closed container is an isochoric process
Getting Started
• All of thermodynamics can be expressed in terms f four quantities
– Temperature (T) – Internal Energy (U) – Entropy (S) – Heat (Q)
• These quantities will be defined as we progress through the lesson