高等工程热力学1绪论.pptx

Advanced Engineering Thermodynamics（高等工程热力学）Lecturer:Dr.Hao-Chun Zhang（张昊春）Phone:[phone]Email: S0400001Q H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics2Chapter 1 绪论（Introduction）H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics3爱因斯坦对热力学的经典评价理论留给人的印象越深，它的根据就应该越简单，并且它能与许多不同类型的事情联系起来，也可拓宽它的应用范围。因此，热力学给我在这些方面留下了深刻的印象。它是唯一包含普遍内容的物理理论，我信服的是它基本概念的应用框架是永远不可推翻的。1879-1955H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics4热力学定律大体上，热力学中存在着3个定律：n热力学 第零定律 关于热平衡状态（温度）n热力学 第一定律 能量守恒定律n热力学 第二定律 熵增定律为什么是第零定律？n第零定律是在第一和第二定律出现后才发现的，并且，他解释了比第一和第二定律更要的事情，所以称之为第零定律如果能灵活运用上述三个定律，就可以完全掌握热力学H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics5热力学如何定义温度热力学如何定义温度？m热热平平衡衡态态：由由导导热热板板隔隔开开（或或直直接接接接触触）的两个系统，达到的共同平衡态。的两个系统，达到的共同平衡态。m热平衡定律热平衡定律（热力学第零定律热力学第零定律）分分别别与与第第三三个个系系统统处处于于同同一一热热平平衡衡态态的的两个系统必然也处于热平衡。两个系统必然也处于热平衡。AB绝热壁绝热壁导热板导热板绝热壁绝热壁H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics6m定义温度：定义温度：两个（或多个）热力学系统处于同一热平衡两个（或多个）热力学系统处于同一热平衡态时，它们必然具有某种共同的宏观性质。态时，它们必然具有某种共同的宏观性质。处于热平衡的多个系统有相同的温度。处于热平衡的多个系统有相同的温度。这一共同的这一共同的宏观性质宏观性质，称为系统的，称为系统的温度。温度。“冷热程度冷热程度”日常对温度的理解日常对温度的理解给出了测温（温标）的原理。给出了测温（温标）的原理。m热力学特点热力学特点：普遍、可靠。普遍、可靠。但微观本质揭示不够。但微观本质揭示不够。H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics7普利高津1977年获诺贝尔化学奖主要科学贡献：将热力学第二定律拓宽到远离平衡态的结构领域，并就系统的有序和无序的关系作出了划时代的经典的结论。提出“耗散结构”理论。这一理论的基本原理已被许多学科应用。例如：城市增长、交通堵塞、信息熵增、生物熵、环境熵增、经济熵增等。1917-2003H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics8Category Classical thermodynamics（经典热力学）is the branch of physics concerned with heat and related thermal phenomena.It was well established by the middle of the nineteenth century.Statistical mechanics（统计力学）is a theoretical branch of physics that provides an interpretation of thermodynamics in terms of a combination of microscopic physics and statistical concepts.It was first being developed in the middle of the nineteenth with the major advances early in the twentieth century.H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics9Applications for many domainsEnvironmental EntropyInformation EntropyNumerical EntropyEconomic EntropyBiological EntropySocial Entropy热力学与社会学的交叉，使的这门经典物理学的概念和定律有了宽广的应用，但如何将孤立系统的熵增原理和能量品位极限的概念移植到社会领域还存在一些问题。H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics10经典热力学是建立在连续介质和平衡态概念，及系统有确定的边界的基础上，如何对应的框定这些领域的应用范围。经典热力学理论不能向宇宙拓宽，因为宇宙本身目前所处的状态与热力学定义的有不同，也不能细化到物质的微观结构，为了明确地划分宏观与微观的区别，有一门学科是统计热力学。状态参数在经典热力学中是有明确的数学表达式的，并且过程的完善程度能以可逆性定量的表示出来，而目前上述这些应用领域似乎还没有类似状态参数的明确定义。在其他学科，如何界定过程的特征也成了一个问题。H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics11Limitation from The Properties of the ContinuumDensity?Velocity?Temperature?Pressure?Stress?And other Thermodynamics Properties?Volume v and Mass m H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics12 严严格格定定义义：对对于于一一个个孤孤立立系系统统，系系统统的的无无序序程度最大程度最大（最混乱最混乱）的状态，称为平衡态。的状态，称为平衡态。例例.平衡态和稳定态平衡态和稳定态平衡态平衡态T1 T1稳定态稳定态 T1 T2稳定态可以划分成一系列近似的平衡态。稳定态可以划分成一系列近似的平衡态。哪个是平衡态？哪个是平衡态？平衡态判据：平衡态判据：系统内部温度均匀、压强均匀。系统内部温度均匀、压强均匀。T1T2H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics13Analysis of Advanced Engineering Thermodynamics ProblemsMethodology-Problem Solving Technique 1.Known:State briefly&concisely what is known about problems2.Find:State briefly&concisely what must be found3.Schematic:Draw a schematic of the physical system4.Assumption:List all pertinent simplifying assumptions5.Properties:Compile property values6.Analysis:Apply appropriate conservation and fundamental laws,and related equations to solve problems7.Comments:Discuss your resultsH.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics14Advanced Engineering SoftwareFundamentals of ThermodynamicsThis tremendous computing power available to us at the touch of a button is both a blessing and a curse.It certainly enables us to solve problems easily and quickly,but it also opens the door for abuse and misinformation.In the hands of poorly educated people,these software packages are as dangerous as sophisticated powerful weapons in the hands of poorly trained soldier.H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics15我们目前应该遵循的几条基本物理定律1.质量守恒定律；2.牛顿第二定律;3.热力学第一定律；4.热力学第二定律；5.传热、传质定律；创新性在哪些方面体现？H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics1615条创新标准：1.第一次用书面文字的形式把新信息的主要部分记录下来；2.继续前人做出的独创性工作；3.进行导师设计的独创性工作；4.在即使并非独创性的研究工作中，提出一个独创性的方法，视角或结果；5.含有其他研究生提出的独创性观点、方法和解释；6.在证明他人的观点中表现出独创性；7.进行前人尚未做过的实证性研究工作；8.首次对某一问题进行综合性表述；引自：陈学飞等著，西方怎样培养博士H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics1715条创新标准：9.使用已有材料作出新的解释；10.在本国首次做出他人曾在其他国家得出的实验成果；11.将某一方法应用于新的研究领域；12.为一个老的研究问题提供新的证据；13.应用不同的方法论，进行交叉学科的研究；14.注重本学科中他人尚未涉及的新研究领域；15.以一种前人没有使用过的方式提供知识。引自：陈学飞等著，西方怎样培养博士H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics18热力学发展现状The need is greatValue of research and education is obviousValuable improvement are occurring every day.A scientific base is missingHeadline:chaos VS order,globalization,diminishing energy resource,environmental impact,sustainable development.Thermodynamics has reached an impasse similar to the development of the heat engine two centuries ago.H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics19Illustration-Exergy在热力学中用以评价能量品位的参数，又称可用能、有效能。当热力系统的状态与给定的环境状态不平衡时，系统所具有的在理论上能够转换为机械能的那部分能量称为（火用）。单位质量的（火用）称为比（火用），以符号ex表示，单位为焦千克（Jkg）。H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics20Illustration-Exergy由于孤立系统的（火用）值不会增加，一切自发过程只能使孤立系统的（火用）减少，而当（火用）达到最小值时，则孤立系统处于平衡状态。因此，（火用）还可作为孤立系统自发过程方向性和稳定平衡的判据，这称为孤立系统（火用）减原理。H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics21学习高等工程热力学的目的进一步拓展在热力学方面的认知范围；热力学研究对象的特殊性；能量转换的内外条件；能量损失分析的方法；实际系统和过程的简化方法；从科研角度出发，提高自己解决实际问题（课题）的能力重新认识热力学定律（主要是热力学第二定律）H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics22热力学的分支经典热力学：建立在连续性和平衡态两个假设前提下，研究热运动规律，经历200多年的实际和科学实验，理论上已相当成熟，在工程上得到广泛应用。不可逆热力学：用宏观方法研究偏离平衡态不远的非平衡态体系，研究的目标是充分并且定量地描述交互传输过程。（热传导过程、扩散过程、粘滞过程、导电过程）统计热力学：在等概率原理的基础上，研究系统的微观（分子和原子）的运动特征，导出大量微观粒子组成的物体的热运动规律H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics23回顾热力学的发展历史，中国古代火药的发明为形成热力学作出了巨大的贡献。在12世纪，火药技术从中国传到欧洲，标志着火器技术发展的开始，同时也是经典热力学的诞生之日，事实上，在火炮中的燃烧形式就是最古老的热机形式。中国古代发明对热力学发展发展的贡献热力学发展简史2424n十七、十八世纪“热质说”占统绐地位n1698年，英 T.Savery发明蒸汽排水装置n温标的出现：促进了量热技术的发展 n 17141714年年 华氏温标华氏温标：定义定义 水的冰点：水的冰点：32F32F，汽点，汽点212 F212 Fn 1742 1742年年 摄氏温标摄氏温标：定义定义 水的冰点：水的冰点：0C0C，汽点，汽点100 C100 CMilestones in the Classic Thermodynamics2525n蒸汽机发明 1766 俄罗斯 波尔宗诺夫 1784 英国 瓦特n19世纪上半叶，基于改进蒸汽机的实践 要求-“热力学”出现n 1840185118401851：迈耶、焦耳等人建立迈耶、焦耳等人建立热力学热力学 第一定律第一定律n 1850185118501851：克劳修斯、汤姆逊等提出：克劳修斯、汤姆逊等提出热力热力 学第二定律学第二定律n20世纪上半叶：热力学发展了物理热力学、化学热力学、生物热力学和统计热力学等2626萨迪卡诺，法国科学家，其主要贡献是创立理想热机理论。1824年6月12日发表关于火的动力一书，在这部著作中提出了卡诺热机和卡诺循环的概念及卡诺原理（现在称为卡诺定理）N.L.Sadi CarnotFrance1796 183227271842年发表了论无机性质的力的论文，他从“无不生有，有不变无”和“原因等于结果”的观念出发，表述了物理、化学过程中各种力(能)的转化和守恒的思想。迈耶是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。1845年迈耶出版了论有机体的运动与物质代谢关系的论文，进一步地发展了他的学说。1848年迈耶出版了通俗天体力学一书，将他的热功理论运用到宇宙。1851年迈耶出版了论热的机械当量一书，详细地总结了他的工作。迈耶于偏重于从一般哲学方面即自然力的相互联系方面提出能量守恒的概念，焦耳焦耳从实验方面1843年测定了热功当量值，而亥姆霍兹则是从物理理论方面论证了能量转换的规律性。所以，提出能量守恒定律的荣誉通常归之于亥姆霍兹、迈尔和焦耳三人。J.R.Mayer（迈耶）Germany1814 18782828 亥姆霍兹 德国物理学家、生理学家。通过对动物体的大量实验，总结出“一种自然力如果由另一种自然力产生时，其中当量不变。”这最终导致他明确地提出能量守恒定律。1847年他在新成立的德国物理学会发表了著名的“关于力的守恒”讲演，第一次用数学方式详细地提出今天大家所理解的能量守恒定律。后将讲演内容后来写成专著力之守恒，于1853年发表。1882年发表论文化学过程的热力学，把化学反应中的“束缚能”和“自由能”区别开来。2929开尔文，英国物理学家、发明家。开尔文是热力学的主要奠基人之一，他根据盖-吕萨克、卡诺和克拉珀龙的理论于1848年创立了热力学温标。1851年他提出热力学第二定律：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响。“1852年他与焦耳合作发现了焦耳汤姆孙效应为了纪念他在科学上的功绩，国际计量大会把热力学温标(即绝对温标)称为开尔文(开氏)温标，热力学温度以开尔文为单位，是现在国际单位制中七个基本单位之一。3030克劳修斯 德国物理学家。他是气体动理论和热力学的主要奠基人之一，是历史上第一个精确表示热力学定律的科学家。1850年发表论热的动力以及由此推出的关于热学本身的诸定律的论文。论文首先从焦耳确立的热功当量出发，将热力学过程遵守的能量守恒定律归结为热力学第一定律，并第一次引人热力学的一个新函数U；论文的第二部分在卡诺定理的基础上提出了热力学第二定律的最著名的表述形式：热不能自发地从较冷的物体传到较热的物体1865年发表力学的热理论的主要方程之便于应用的形式的论文，引入了一个新的热力学函数并定名为熵，同时提出克劳修斯不等式和熵增原理1857年发表论热运动形式的论文，第一次推导出著名的理想气体压强公式。1858年发表关于气体分子的平均自由程论文，开辟了研究气体的输运过程的道路1851年从热力学理论论证了克拉珀龙方程R.J.E.ClausiusGermany182218883131朗肯(W.J.M.Rankine，18201872年)，英国科学家。1858年出版应用力学手册一书，是工程师和建筑师必备的指南1859年出版蒸汽机和其它动力机手册，是第一本系统阐述蒸汽机理论的经典著作。朗肯计算出一个热力学循环（后称为朗肯循环）的热效率，被作为是蒸汽动力发电厂性能的对比标准奥托（N.A.Otto，1832-1891年），德国技术家，早年是个商人，1861年在报纸上读到E.雷诺煤气发动机的报导后，自己也开始试制1864年与E.兰根共同创立了奥托公司1877年研制成功四冲程发动机，这个称作“奥托”发动机的煤气机是最早获得成功的内燃机在长期的研究过程中，奥托提出了内燃机的四冲程理论，为内燃机的发明奠定了理论基础。1862年B.A.德罗沙研究成功称作奥托循环的四冲程发动机3232 布雷顿(G.B.Brayton，1830 1892年)，美国科学家1872年，申请获得新型气体动力汽车专利1876年制造了使用Brayton 循环的内燃机 吉布斯（J.W.Gibbs，18391903年），美国物理化学家。吉布斯在1873-1878年发表的三篇论文中，以严密的数学形式和严谨的逻辑推理，导出了数百个公式，特别是引进热力学势处理热力学问题，在此基础上建立了关于物相变化的相律，为化学热力学的发展做出了卓越的贡献。1902年，他把玻尔兹曼和麦克斯韦所创立的统计理论推广和发展成为系统理论，从而创立了近代物理学的统计理论及其研究方法。3333狄塞尔（R.C.K.Diesel，18581913年），德国技术家。1893年出版取代蒸汽机及以往内燃机的热机理论和结构。1894年，新发动机运转成功。1896年作为商用发动机开始在个工厂使用。由于柴油机的广泛应用，1900年狄塞尔已经名扬世界。范得瓦尔斯(JDvan der Waals，18371923年)，荷兰科学家其主要贡献是提出了一个能够反映气液连续性的实际气体状态。1873年，他获得莱顿大学的博士学位，在论文中他证明了分子体积以及分子间作用力的存在，用van der Waals方程描述了气体和液体的连续性。1893年，他发表了关于两元混合物和毛细管现象热力学理论的论文。伦敦大学另一位科学家卡莫林昂纳斯在获得诺贝尔物理学奖发表演说时说：我很高兴把液体氦送给我最尊敬的朋友范得瓦尔斯，是他的理论一直指导了这个气体的液化3434卡莫林昂尼斯（Kamerlingh Onnes，18531926年），荷兰物理学家于18921894年建成了大型的液化氧、氮和空气的工厂，并于1906年大量生产液氢。在次基础上，在1908年7月10日成功地液化了氦。为在液氦温度下研究物质的性质创造了条件1911年，昂尼斯在连续三篇论文中详细地报道了他的超导实验结果H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics35不可逆热力学FOURIER定律：热流密度与温度梯度成正比FICK定律：质量流密度与浓度梯度成正比NEWTON定律：压力与速度梯度成正比OHM定律：电流密度与电势梯度成正比H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics36热力学的应用领域热效应力效应化学效应电效应磁效应其它效应（经济学、社会学等）总结成一句话：只要研究问题中存在不平衡势，热力学就可以得到应用。H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics37Combination between Theory and Experiment从工程热力学发展的历史特征看，理论与实验研究相互紧密接触是必不可少的环节，尤其是实验工作对理论工作的验证是极为重要的，因此，理论研究的成果来源于实验，另一方面，实验研究既能证实、填补理论工作中不可预见的内容，又可以发现一些理论上还没有定论或者是未触及的未知领域。实验是理论研究工作的基石。H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics38Main Distinctionsbetween Modern Thermodynamics and Classical ThermodynamicsH.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics39基本内容框架热力学发展史基本概念热力学第一定律拓展非平衡过程热力学流动与传热过程熵产熵产最小化原理目前的研究状况热力学第二定律实际气体热力性质质点数目改变体系的热力学 化学反应的热力学（热力学第三定律）相平衡重点放在基本理论和方法上在完成这些基本内容后，将有所拓展H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics40热力学发展的几个重要阶段热力学发展的几个重要阶段第一阶段：17世纪末到19世纪中叶此时期累积了大量的实验与观测的结果，并制造出蒸汽机，对于“热（Heat）”的本质展开了研究与争论，为热力学理论的建立进行了很好的铺垫。在19世纪前半叶，首先出现了卡诺理论，热机理论（第二定律的前身）和功热互换的原理（第一定律的基础）。这一阶段的热力学还停留在描述热力学现象上，并未引进任何的数学算式。H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics41热力学发展的几个重要阶段热力学发展的几个重要阶段第一定律与第二定律已完全理论化，但与气体动力的关联还不清楚。第二阶段：19世纪中到19世纪70年代末H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics42热力学发展的几个重要阶段热力学发展的几个重要阶段玻尔兹曼将热力学与分子动力学的理论结合，统计热力学的诞生，同时他也提出了非平衡态的理论基础，至20世纪初吉布斯(Gibbs)提出系统综合理论建立统计热力学的基础。第三阶段：19世纪70年代到20世纪初H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics43热力学发展的几个重要阶段热力学发展的几个重要阶段主要是量子力学的引进而建立了量子统计热力学，同时非平衡态理论更进一步的发展，形成了近代理论与实验物理学中最重要的一环。第四阶段：20世纪30年代至现在H.-C.Zhang(张昊春）Advanced Engineering Thermodynamics44谢谢