熱力學——基本概念

本文先對熱力學的一些基本概念做簡要總結，為之後的內容做鋪墊。

熱力學研究什麼？

研究熱能的有效利用及熱能和其他形式能量的轉換規律。

為什麼要研究熱力學？

節能，環保。因為能源動力必然伴隨環境問題，想要青山綠水就必須在節能和環保兩個方面做足工作。

熱力學要學哪些內容？

4. 化學熱力學

熱力學研究方法有哪些？

經典熱力學，是基於連續介質的宏觀研究方法。請注意，熱力學的宏觀規律基本都是實踐總結出來的，並不是數學理論嚴格推導出來的，因此只在可見範圍內成立。比如考察尺度極小的原子內或者尺度極大的天體間的熱力關係，現有的規律就不見得能成立。

統計熱力學，是從微觀粒子的運動及相互作用角度研究熱現象及規律。由於分子的運動是無序的，所以基於統計研究的模型幾乎都是近似的，模型本身就有誤差。

經典熱力學在大多數工程問題上都足夠用了，統計熱力學更多地是用來做科研。

相關學科

5. 熱物性學

設計一個熱力系統，首先要利用工程熱力學的知識判斷方案的可行性，方案可行後就進入傳熱學的問題，在解決如何更好地傳熱時就要用到流體力學的知識，如果問題還涉及燃燒，就要用到燃燒學或化學反應動力學方面的知識，最後，只要是熱力系統就一定會有工質，那工質的熱物性學也是必然會用到的知識。

典型熱力系統及其基本特徵

典型熱力系統：

4. 熱泵

基本特徵：

火力發電廠原理解析

圖1是家鄉的火力發電廠，所謂火力就是燒煤，誰讓咱煤多呢。一大堆的設備最終要實現的就是將煤內蘊含的化學能轉化成電能，升壓後輸送到國家電網為民族的偉大復興做貢獻。

發電過程大致可以分為三個階段。

階段一：燒鍋爐，將煤的化學能轉化成熱能

把煤點了燒鍋爐，使鍋爐中的水變成蒸汽的系統稱為燃燒系統。如圖2，燃燒系統由輸煤、磨煤、制粉、燃燒、風煙、灰渣等環節組成。

階段二：過熱蒸汽生推汽輪機，將熱能轉化為機械能

將熱能轉為機械能的系統稱為汽水系統。如圖3，汽水系統由鍋爐、燃氣輪機、凝汽器、除氧器、加熱器等設備及管路構成，包括凝給水系統、再熱系統、回熱系統、冷卻水系統和補水系統。請注意，推動燃氣輪機的工質是密閉的，而用來冷卻蒸汽的工質則不一定，靠近河流可能會直接使用河水，如果沒有河流，會用冷卻塔，而冷卻塔最終是靠風冷把熱散到環境中的。

階段三：汽輪機帶動發電機，將機械能轉為電能

這一部分稱為電氣系統，該系統不包含典型熱力過程，不再贅述。

以上是燒煤的火力電廠的基本原理解析，其它如燒氣的、燒油的、核裂變的電廠，只是階段一不同，即獲取熱能的方式不同，而階段二、三則基本相同，都是通過蒸汽推汽輪機，然後汽輪機再推發電機進行發電。顯然，整個發電系統就包含了典型的熱力轉化系統。

以上內容對熱力學究竟要幹什麼做了基本的介紹，下面就重點介紹熱力學的基本概念。基本概念的理解對於熱力學的學習非常重要，因為熱力學其實是一門哲學！！！

就像物理上的受力分析一定要先明確分析對象一樣，研究熱力學也必須先明確分析對象，而這個分析的對象就定義為系統。系統可以是一團物質，也可以是一塊區域，總之就是人為定的，怎麼能讓問題簡單就怎麼定。
有了系統的概念，就可以將問題分解為要研究的對象、外界、以及系統和外界過渡處的邊界，系統和外界的作用都要通過邊界。
邊界可以是固定的，也可以活動的，可以是真實存在的，也可以是自己直接框定後假設的。

其中，閉口系（控制質量）、開口系（控制容積）、絕熱系、孤立系是四個最典型的系統（圖4）。注意，任何非孤立系+相關外界就可以轉化為孤立系。

圖4  典型系統

簡單可壓縮系，是最重要的一種系統，該系統只交換熱量和一種準靜態的容積變化功。常見的壓縮和膨脹都屬於容積變化。

狀態和狀態參數

所謂狀態，即熱力系統在某一時刻所呈現的宏觀狀態。狀態參數，即用來描述熱力系統狀態的物理量。

1）狀態確定，狀態參數就確定。

2）積分特徵，狀態量與路徑無關，只與系統的初終態有關，對應數學上的點函數和態函數。比如爬山，狀態量就是海拔，和你從什麼路徑爬上去無關。

1）強度量，intensive properties
2）廣延量，extensive properties

與物質的量有關的參數，如質量m，容積V，內能U，焓H，熵S。廣延量除以質量或摩爾量可轉化單位量的比參數，比參數可以當做強度量使用，如比容v，比內能u，比焓h，比熵s。

總結一下：

d）比參數都是小寫，而且由於比參數具有強度量的性質，應用比廣延量更廣泛；

e）壓力p，溫度T，比容v是基本狀態參數，即工程上容易測量的參數。

4. 狀態參數的測量

1）壓力p

熱力學中的壓力對應的是物理中的壓強，單位為Pa，帕斯卡是一個很小的單位，工程上常用單位有：

所謂大氣壓，其實就是你頭頂上空氣的重力，是地心對大氣的引力作用產生的。大多數時候我們都是在大氣壓下測量，測壓表測到的是表壓力，也就是不包含大氣壓部分，但是我們必須要注意，絕對壓力才是熱力學中的狀態參數。另外，也要注意，環境壓力並不一定是大氣壓力，如果測壓表本身就是放在一個有壓力的容器內，那它測到的壓力加上該容器內的環境壓力才是絕對壓力。

通過圖7可以很直觀地分清楚大氣壓力、表壓力、絕對壓力、真空度的概念。

實際的大氣壓隨時間和地點是變化的，但是，工程中，當處理的問題高度變化不大時，密度就認為是常數，如果高度變化很大，就必須考慮密度隨高度的變化，此時的大氣壓就需要積分求。

工業上通常用壓力傳感器測量工質壓力，是通過膜片微電壓的不同來確定其壓力。精度最高的是活塞壓力計，其原理是轉化成測砝碼重量來確定壓力，通常用來做其它測壓儀器的標定。

2）溫度T

按高中物理的定義，溫度就是冷熱程度的一個度量，但是說實話溫度很難直觀的感受到，即使同樣是20℃，觸摸鋼鐵仍然會比觸摸木頭要冷。這是因為我們感受到的是熱流量，也就是熱量傳遞的快慢。

如果從分子動力學角度考慮，溫度反映的是分子平均動能的度量，與分子運動的平方成正比。那當物體達到絕對零度時，分子到底還動不動？答案是還在動，會有零點能。

熱力學第零定律證明了溫度的可測性，第零定律指出：如果兩個系統分別與第三個系統處於熱平衡，則兩個系統彼此必然處於熱平衡。如圖8，如果AB和BC分別達到熱平衡，那AC也一定達到熱平衡。如果將B看做是一個溫度計，就是用A標定好的溫度計B，可以拿來去測量C的溫度。

溫度的熱力學定義：處於同一熱平衡狀態的各個熱力系統，必定有一宏觀特徵彼此相同，用於描述此宏觀特徵的物理量，就定義為溫度。溫度是確定一個系統是否與其他系統處於熱平衡的物理量。

有了溫度的定義後，還需要人為規定一下具體的溫度點，也就是溫標的規定。圖9是絕對溫標、攝氏溫標、華氏溫標的對應關係。

b）酒精溫度計

c）熱電偶，銅和康銅

d）熱電阻

e）輻射溫度計

f）鉑電阻溫度計

g）雷射全息幹涉儀

3）比容v

比容表示的是工質聚集的疏密程度，其倒數就是我們熟悉的密度。

平衡狀態

在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統的狀態參數不隨時間變化，則該系統處於平衡狀態。平衡狀態貫穿於整個熱力學的學習過程，必須掌握。

這裡要注意區分一下平衡狀態和穩定狀態。不受外界影響的穩定是平衡態，而受外界影響的穩定並不是平衡態，也就是說平衡必穩定，穩定卻不一定平衡。

常見的平衡狀態有：熱平衡、壓力平衡、相平衡、化學平衡。只要系統內沒有不平衡的勢，就是達到了平衡。

另外還需要區分平衡和均勻的區別，平衡是從時間上衡量的，即狀態參數不隨時間變化，而均勻是從空間上衡量的，即系統內任何位置的狀態參數都一致。顯然，平衡不一定均勻，但單相平衡態則一定是均勻的。

從以上定義看，平衡其實是一個死態，我們實際更關注能量的交換，也就是要發生狀態變化，即破壞平衡。

狀態方程和坐標圖

1. 狀態公理，State postulate

要確定一個系統的狀態，是不是必須知道所有狀態參數才可以？並不是。我們只要知道需要幾個獨立參數即可。

狀態公理：對組元一定的閉口系，獨立狀態參數個數N=n+1。

=n+1

其中1表示熱量，n表示容積變化功，電功，拉伸功，表面張力功等。

綜上，對於常見的簡單可壓縮系，只需要2個獨立變量就可以確定。

2. 狀態方程

描述基本狀態參數之間的關係的式子就稱為狀態方程，比如我們最熟悉的理想氣體狀態方程。

狀態方程取決於工質的性質，不同的工質其狀態方程的複雜程度也不同。下面是R134a的維裡型狀態方程。

3. 坐標圖

對於簡單可壓縮系只需要2個參數就能確定系統的狀態，因此可以用平面圖來表示系統。常見的有p-v圖（示功圖），T-s圖（示熱圖），前者表示壓力和比容的關係，後者表示溫度和熵的關係。

總結一下：

3）非平衡態無法在坐標圖中用實線表示。

準靜態過程

如何用平衡狀態來近似描述非平衡狀態？答案就是準靜態過程。

當破壞平衡所需時間遠遠大於恢復平衡所需時間，即弛豫時間(relaxation time)，就是說系統在變化的過程中有足夠的時間恢復新平衡，這種過程即為準靜態過程。

當一個系統的變化過程可以看做是準靜態過程時，此系統就是既變化，又平衡，還可以用狀態方程表示，是不是感覺一個不可解的問題突然變得可解了？

以內燃機為例，假設發動機轉速為2000轉/分，曲柄2衝程/轉，0.15米/衝程，可計算活塞運動速度=2000*2*0.15/60=10m/s，而氣缸內的壓力波是以聲速傳播的，約340m/s，顯然，恢復平衡的時間遠小於破壞平衡的時間，可以看做是一個準靜態過程。可是，溫度、燃燒反應、相也會很快平衡嗎？這裡是個疑惑~~~

一般工程問題都可以認為是準靜態過程。

準靜態過程的容積變化功怎麼計算呢？

當系統容積變化很小時，假設系統內壓力是前一時刻的壓力，那單位質量增加的容積變化功就是pdv。

可以看出，準靜態過程，系統對外做的功巧妙地轉化為了工質狀態參數的計算，也就是將系統和外界連接在了一起。但是，必須注意pdv只適用於準靜態過程。

總結一下：

1）準靜態過程的p-v圖曲線下方的面積就是系統對外做的功，因此p-v圖也叫示功圖；3）dv>0，膨脹，對外做功，為正；dv<0，壓縮，對內做功，為負；

6）系統有無摩擦，影響的只是系統輸出的有用功的大小。

系統經歷某一過程後，如果能使系統與外界同時恢復到初始狀態，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。可逆過程=準靜態過程（無不平衡勢差）+無耗散效應，不可逆的根源就是系統存在勢差和耗散。

1）不等溫傳熱，只能從高溫自發地傳遞到低溫

2）節流過程，閥門，旋渦就是耗散

3）自由膨脹，膨脹到真空

準靜態過程是實際過程的理想化過程，但並非最優過程，而可逆過程是最優過程。

可逆過程的功與熱完全可用系統內工質的狀態參數來表達，可不考慮系統與外界的複雜關係，易分析。實際過程都不是可逆過程，但處理問題時可以先按可逆過程處理，然後通過對系統參數加以分析，將不可逆因素以係數的形式進行修正。這也是工程上常見的處理方法。

可逆過程是指，如果系統回到初態，外界必須同時恢復到初態，並不是指系統必須回到初態的過程。是不是可逆過程，關鍵看有沒有引起外界的變化。

可逆和準靜態什麼關係？

可逆比準靜態更嚴格，其實提出準靜態的目的就是要引出可逆過程，在以後的問題中，基本都只提可逆過程。

可逆過程一定是準靜態過程，而準靜態過程則不一定是可逆過程。

判斷準靜態，主要看時間，看變化是不是很劇烈；判斷可逆，主要看有沒有耗散。

是否能將系統看做可逆過程，很考驗選擇系統的能力。

功量（work）

功是系統與外界相互作用的一種方式，在力的推動下，通過有序運動方式傳遞的能量。能量就是兩種，一種是熱，另一種就是功。氣缸中氣體膨脹對外做的功是容積變化功，即pdv，而對外做的功減去因摩擦耗散的和推外界大氣的功，剩下的才是對外輸出的有用功。求功量可以正著求，也可以反著求。比如吹氣球，內部的p-v關係很複雜，求功量比較難，但是氣球膨脹推外部大氣的功卻很好求，此時推外界大氣的功=內部吹氣球做的功。

熱量是熱力系統與外界相互作用的另一種方式，在溫差的推動下，以微觀無序運動方式傳遞的能量。

熱量用熵來表達，熵是熱力學第二定律的標誌量。

熵的定義：

總結一下：

1）熵是狀態參數；

2）系統吸熱為正，Q>0，dS>0；系統放熱為負，Q<0，dS<0；

4）T-s圖為溫熵圖，所圍面積即為熱量，因此也叫示熱圖。熱力系統經過一系列變化回到初態，這一系列變化過程稱為熱力循環。循環是由過程組成的，過程分可逆和不可逆，對應可逆循環和不可逆循環。

正循環，順時針方向，熱機，動力循環

T-s圖，圍的面積是淨吸熱量

逆循環，逆時針方向，製冷，熱泵

T-s圖，圍的面積是淨放熱量

如何評價系統性能？

評價指標：收益/代價

對於正循環，熱效率=淨功/吸熱；

對於逆循環，如果是製冷，則製冷係數=從冷源吸多少熱/耗功，一般大於1，家裡分體空調在3左右；如果是熱泵，則制熱係數=向房間放多少熱/耗功。

概念匯總

總結

對於熱力學問題，最重要的是先選一個合適的系統，最好是能看做可逆的系統。確定好系統後，再沿著邊界去尋找相互作用，即傳熱，傳功。最後再用狀態參數來計算系統輸出的功量，從而描述系統和外界的相互作用。