演講人：日期：工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)目錄CONTENTS工程熱力學(xué)概述熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律理想氣體與狀態(tài)方程熱力過(guò)程與循環(huán)熱力學(xué)應(yīng)用與節(jié)能技術(shù)01工程熱力學(xué)概述熱力學(xué)定義熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象中，物質(zhì)系統(tǒng)在平衡時(shí)的性質(zhì)和建立能量的平衡關(guān)系，以及狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)與外界相互作用的學(xué)科。工程熱力學(xué)定義工程熱力學(xué)是熱力學(xué)最先發(fā)展的一個(gè)分支，它主要研究熱能與機(jī)械能和其他能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用。熱力學(xué)與工程熱力學(xué)研究熱能與其他形式的能量（如機(jī)械能、電能、化學(xué)能等）的轉(zhuǎn)換和傳遞規(guī)律。熱能研究物質(zhì)系統(tǒng)在各種條件下的平衡狀態(tài)，包括熱平衡、力平衡、化學(xué)平衡等。系統(tǒng)平衡研究和設(shè)計(jì)各種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，如鍋爐、內(nèi)燃機(jī)、制冷機(jī)等。能量轉(zhuǎn)換設(shè)備工程熱力學(xué)的研究對(duì)象010203古代熱力學(xué)古代人類(lèi)早就學(xué)會(huì)了取火和用火，不過(guò)后來(lái)才注意探究熱、冷現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)。但直到17世紀(jì)末，人們還不能正確區(qū)分溫度和熱量這兩個(gè)基本概念的本質(zhì)。熱力學(xué)的發(fā)展工程熱力學(xué)的形成工程熱力學(xué)的發(fā)展歷程1709～1714年華氏溫標(biāo)和1742～1745年攝氏溫標(biāo)的建立，才使測(cè)溫有了公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。隨后又發(fā)展了量熱技術(shù)，為科學(xué)地觀測(cè)熱現(xiàn)象提供了測(cè)試手段。在熱力學(xué)的基礎(chǔ)上，工程熱力學(xué)逐漸形成并發(fā)展，成為機(jī)械工程的重要基礎(chǔ)學(xué)科之一。02熱力學(xué)第一定律能量守恒原理的表述能量不能被創(chuàng)造或消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)移過(guò)程中，能量的總量保持不變。能量守恒原理能量守恒原理的應(yīng)用能量守恒原理是物理學(xué)的基本原理之一，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如機(jī)械、電力、化學(xué)、熱學(xué)等，對(duì)于研究能量的轉(zhuǎn)換和利用具有重要意義。能量守恒原理的局限性雖然能量守恒原理在自然界中普遍適用，但在某些特定領(lǐng)域或條件下，如微觀粒子世界或高速運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，可能需要考慮相對(duì)論效應(yīng)或量子效應(yīng)等修正因素。內(nèi)能的概念內(nèi)能是指物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)所擁有的能量，包括分子動(dòng)能和分子勢(shì)能兩部分，是熱能的一種表現(xiàn)形式。熱量傳遞的方式熱量可以通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式傳遞。傳導(dǎo)是指熱量通過(guò)物體內(nèi)部微觀粒子的碰撞和傳遞來(lái)傳遞；對(duì)流是指熱量通過(guò)物體的宏觀運(yùn)動(dòng)來(lái)傳遞；輻射是指熱量以電磁波的形式向空間傳播。熱量傳遞的規(guī)律熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，直到兩者溫度相等或達(dá)到熱平衡狀態(tài)。這是熱力學(xué)第二定律的一種表述形式。內(nèi)能與熱量傳遞功與能量轉(zhuǎn)換功的定義功是能量轉(zhuǎn)換的量度，表示力在物體上產(chǎn)生的位移效應(yīng)。當(dāng)力作用于物體并使其發(fā)生位移時(shí)，就說(shuō)做了功。功與能的關(guān)系功是能量轉(zhuǎn)換的一種形式，它可以使物體的內(nèi)能、動(dòng)能或勢(shì)能發(fā)生變化。在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，做了多少功就等于有多少能量發(fā)生了轉(zhuǎn)換。常見(jiàn)的功與能轉(zhuǎn)換現(xiàn)象在自然界和工程實(shí)踐中，存在著許多功與能轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，如電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能、內(nèi)燃機(jī)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能等。這些轉(zhuǎn)換都遵循能量守恒原理，即輸入的能量等于輸出的能量加上損失的能量。03熱力學(xué)第二定律熵的概念及物理意義熵是一個(gè)描述系統(tǒng)熱力學(xué)狀態(tài)的函數(shù)，用來(lái)表示系統(tǒng)的混亂程度或無(wú)序程度。熵的定義熵是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，具有加和性，系統(tǒng)熵的變化只與初、終狀態(tài)有關(guān)，與變化途徑無(wú)關(guān)。熵是熱力學(xué)第二定律的核心概念，是描述自然界中涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程的方向性規(guī)律。熵的特性熵是系統(tǒng)內(nèi)部分子無(wú)序程度的量度，分子熱運(yùn)動(dòng)越混亂，系統(tǒng)熵值越大。熵的微觀解釋01020403熵與熱力學(xué)第二定律的關(guān)系熵增原理的表述孤立熱力學(xué)系統(tǒng)的熵不減少，總是增大或者不變。熵增原理的應(yīng)用領(lǐng)域在能源利用、熱機(jī)設(shè)計(jì)、材料科學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，為這些領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程實(shí)踐提供了理論指導(dǎo)。熵增原理的實(shí)例例如，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳導(dǎo)到高溫物體，這就是熵增原理的一個(gè)具體體現(xiàn)。熵增原理的實(shí)質(zhì)揭示了自然界中涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程的方向性，即不可逆性。熵增原理及其應(yīng)用01020304卡諾循環(huán)的定義卡諾循環(huán)的效率卡諾循環(huán)的組成熱效率的定義與計(jì)算卡諾循環(huán)是只有兩個(gè)熱源（一個(gè)高溫?zé)嵩礈囟萒1和一個(gè)低溫?zé)嵩礈囟萒2）的簡(jiǎn)單循環(huán)。在相同溫度熱源之間工作的所有熱機(jī)中，卡諾循環(huán)的效率最高，其效率僅與兩個(gè)熱源的溫度有關(guān)。由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成，工作物質(zhì)只能與兩個(gè)熱源交換熱量。熱效率是有效輸出的能量與輸入的能量之比，無(wú)量綱，一般用百分比表示。對(duì)于卡諾循環(huán)，熱效率可以通過(guò)公式η=1-T2/T1計(jì)算得出?？ㄖZ循環(huán)與熱效率04理想氣體與狀態(tài)方程理想氣體的應(yīng)用理想氣體模型是研究氣體性質(zhì)的重要物理模型，廣泛應(yīng)用于工程熱力學(xué)、流體力學(xué)等領(lǐng)域。理想氣體的微觀特征理想氣體分子有質(zhì)量，無(wú)體積，是質(zhì)點(diǎn)；分子間無(wú)相互作用力，分子運(yùn)動(dòng)獨(dú)立。理想氣體的宏觀特征理想氣體是一種無(wú)限稀薄的氣體，具有無(wú)限可壓縮性和膨脹性；在溫度不太低、壓強(qiáng)不太大的情況下，可近似視為理想氣體。理想氣體的定義及性質(zhì)理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程是描述理想氣體壓強(qiáng)、密度、溫度之間關(guān)系的方程，其表達(dá)式為p=ρRT，其中p為氣體壓強(qiáng)，ρ為氣體密度，R為氣體常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。理想氣體狀態(tài)方程及其推導(dǎo)理想氣體狀態(tài)方程的推導(dǎo)理想氣體狀態(tài)方程可通過(guò)統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法推導(dǎo)得出，其基本思路是基于理想氣體分子的微觀特性，通過(guò)統(tǒng)計(jì)平均的方法得到氣體的宏觀性質(zhì)。理想氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程在工程熱力學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用，可用于計(jì)算氣體的狀態(tài)參數(shù)、分析氣體在熱力過(guò)程中的性質(zhì)等。實(shí)際氣體與理想氣體的差異分子體積不可忽略實(shí)際氣體分子具有一定的體積，且分子間存在相互作用力，這使得實(shí)際氣體的行為與理想氣體有一定的差異。分子間相互作用力壓縮性和膨脹性實(shí)際氣體分子間存在相互作用力，這使得實(shí)際氣體的壓強(qiáng)不僅與密度和溫度有關(guān)，還與氣體的種類(lèi)和分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。實(shí)際氣體的壓縮性和膨脹性不如理想氣體，特別是在高壓、低溫下，實(shí)際氣體的行為與理想氣體相差較大。05熱力過(guò)程與循環(huán)指熱力學(xué)系統(tǒng)在恒定溫度下發(fā)生的各種物理或化學(xué)過(guò)程，熱量傳遞使系統(tǒng)與外界處于熱平衡。等溫過(guò)程熱力學(xué)過(guò)程中壓力保持不變的過(guò)程，工程上很多熱設(shè)備在接近定壓的情況下工作。等壓過(guò)程系統(tǒng)的體積始終保持不變的過(guò)程，對(duì)理想氣體而言，等容的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系可由理想氣體狀態(tài)方程得出。等容過(guò)程等溫過(guò)程、等壓過(guò)程、等容過(guò)程指熱力學(xué)系統(tǒng)與環(huán)境之間無(wú)熱量交換的過(guò)程，可用理想氣體狀態(tài)方程求解。絕熱過(guò)程熱力工程中常遇到的理想氣體定容變化、定壓變化、定溫變化、絕熱變化（定熵）四個(gè)變化過(guò)程，某一個(gè)狀態(tài)參數(shù)保持不變或在某一過(guò)程中發(fā)生變化。多變過(guò)程絕熱過(guò)程與多變過(guò)程蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)制冷循環(huán)由壓縮過(guò)程、冷凝過(guò)程、膨脹過(guò)程、蒸發(fā)過(guò)程組成，利用有限的制冷劑在封閉的制冷系統(tǒng)中反復(fù)循環(huán)，不斷地在蒸發(fā)器處吸熱汽化，進(jìn)行制冷降溫。蒸汽動(dòng)力循環(huán)以蒸汽為工質(zhì)的熱機(jī)的工作循環(huán)，卡諾循環(huán)的效率由熱源和熱阱的溫度唯一決定，要提高循環(huán)效率就必須提高熱源溫度并降低熱阱的溫度。06熱力學(xué)應(yīng)用與節(jié)能技術(shù)制冷與空調(diào)利用熱力學(xué)原理制造制冷劑和空調(diào)設(shè)備，通過(guò)控制溫度、濕度和空氣流速等參數(shù)，為人們提供舒適的生活和工作環(huán)境。火力發(fā)電利用熱力學(xué)原理將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)提高燃燒效率和優(yōu)化蒸汽循環(huán)等方式提高能源利用效率。石油煉制通過(guò)熱力學(xué)方法優(yōu)化石油煉制過(guò)程，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，同時(shí)降低能耗和污染。熱力學(xué)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用高效燃燒技術(shù)通過(guò)改進(jìn)燃燒設(shè)備和燃燒方式，提高燃料的燃燒效率，減少能量損失和污染物排放。能源管理系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制能源的使用情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決能源浪費(fèi)問(wèn)題，提高能源利用效率。建筑節(jié)能通過(guò)合理的建筑設(shè)計(jì)和節(jié)能措施，如保溫隔熱、自然采光、通風(fēng)等，減少