工程熱力學第一篇:熱力學系統、準靜態過程、可逆過程與不可逆過程

2021-01-19 我來陪你過註冊

工程熱力學第一篇

一、熱力學系統

熱力學系統：用界面從周圍的環境中分割出來的研究對象，或空間內物體的總和。

外界：與系統相互作用的環境。

界面：可以是假想的、實際的、固定的、運動的、變形的。

1、分類：

以系統與外界關係劃分：


2、狀態

熱力系統在某一瞬間所呈現的宏觀物理狀況稱為系統的狀態。

熱力狀態反映著工質大量分子熱運動的平均特點。

系統與外界之間能夠進行能量交換的根本原因在於兩者之間的熱力狀態存在差異。

（1）平衡狀態

定義：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。

實現平衡的充要條件：系統內部與外界之間不存在各種不平衡勢差。

溫差 — 熱不平衡勢

壓差 — 力不平衡勢

化學反應 — 化學不平衡勢

平衡的本質：不存在不平衡勢

平衡的特點：具有確定的狀態參數

（2）平衡與穩定

穩定：參數不隨時間變化

穩定不一定平衡，但平衡一定穩定

銅棒穩定但存在不平衡勢差

（3）平衡與均勻

平衡：時間上

均勻：空間上

平衡不一定均勻，單相平衡態則一定是均勻的

（4）狀態參數

定義：描述熱力系狀態的物理量

狀態參數的數學特徵：

1）狀態參數的積分特徵：狀態參數的變化量與路徑無關，只與初終態有關

狀態參數的環積分為零。

2）狀態參數的微分特徵

設 z =z (x,y)，dz是全微分

則可作為判定是否為狀態參數充要條件。

（5）狀態公理

閉口系：不平衡勢差→狀態變化→能量傳遞

消除一種不平衡勢差→達到某一方面的平衡→消除一種能量傳遞方式

不平衡勢差彼此獨立

獨立參數數目N=不平衡勢差數=能量轉換方式的數目=各種功的方式+熱量= n+1

n--容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等

（6）狀態方程式

狀態方程--基本狀態參數（p,v,T)之間的關係

狀態方程的具體形式取決於工質的性質

（7）熱力參數及坐標圖

常用狀態參數有6個：

壓力p、溫度T、比體積v、內能U、焓H、熵S。

基本狀態參數：

可直接用儀表測量出來的狀態參數。如：溫度、壓力、比容體積。

1）基本參數

壓力 p：物理中壓強，單位: Pa ,  N/m2

1 bar = 105Pa

1 MPa = 106Pa

1 atm = 760 mmHg = 1.013x105 Pa

1 mmHg =133.3 Pa

一般是工質絕對壓力與環境壓力的相對值--相對壓力

注意：只有絕對壓力 p 才是狀態參數

當 P＞ Pb→表壓力Pe→P=Pb+Pe

當 P＜ Pb→真空度Pv→P=Pb-Pv


溫度T

傳統定義：冷熱程度的度量。

熱力學定義：溫度是確定一個系統是否與其他系統處於熱平衡的狀態參數。溫度是熱平衡的唯一判據。

溫標的建立：需要選定測溫物質及其某一物理性質，規定基準點及分度方法。

T[K]=t[℃]+273.15


比體積：

定義：單位質量的工質所佔有的體積，單位 m3/kg

3、強度參數與廣延參數

強度參數：與物質的量無關的參數，如壓力 p、溫度T

廣延參數：與物質的量有關的參數¾可加性，如質量m、容積 V、內能 U、焓 H、熵S

比參數：

單位：/kg， /kmol 其具有強度量的性質

 

4、坐標圖

簡單可壓縮系 N=2，平面坐標圖

說明：

1）系統任何平衡態可表示在坐標圖上

2）過程線中任意一點為平衡態

3）不平衡態無法在圖上用實線表示

 

簡單可壓縮系統說明

最重要的系統：簡單可壓縮系統

只交換熱量和一種準靜態的容積變化功：壓縮功膨脹功

 

5、功和熱量

系統與外界在不平衡勢差作用下會發生能量轉換，能量轉換的方式有做功和熱傳遞。

功是系統與外界相互作用的一種方式，在力的推動下，通過宏觀有序運動方式傳遞的能量。

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

 

功的表達式

功的一般表達式：

熱力學最常見的功--容積變化功

其他準靜態功：拉伸功，表面張力功，電功等

功和熱量不是狀態參數。

只有當系統狀態發生改變時，才可能有功和熱量的傳遞。

功和熱量的大小不僅與過程的初終態有關，而且與過程的性質有關，它們是過程量。

系統吸熱時 Q＞0  、放熱時 Q＜0;

系統對外做功時W＞0 、外界對系統做功時W＜0 。

 

示功圖與示熱圖

6、熱力過程和熱力循環

熱力過程定義：

熱力系統從一個狀態向另一個狀態變化時所經歷的全部狀態的總和。

要實現連續作功，必須由熱力過程構成熱力循環。

熱力循環定義：

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。

熱力循環分類：

正循環：順時針方向

逆循環：逆時針方向

熱力循環的評價指標

正循環：淨效應（對外作功，吸熱）

動力循環：熱效率

逆循環：淨效應（對內作功，放熱）

製冷循環：製冷係數

制熱循環：制熱係數

二、準靜態過程、可逆過程與不可逆過程

1、準靜態過程

定義：由一系列連續的平衡態組成的過程稱為準靜態過程。

實現條件：推動系統狀態改變的不平衡勢差無限小，以致該系統在任意時刻均無限接近於平衡態。

特點：準靜態過程是一種理想化的過程，實際過程是實際過程進行得足夠緩慢的極限情況。

準靜態過程的工程條件：

破壞平衡所需時間（外部作用時間）遠大於 恢復平衡所需時間（馳豫時間）

工程上大多數過程，由於熱力學系統恢復平衡的速度很快，可以作為準靜態過程分析。

建立準靜態過程概念的好處有：

1)可以用確定的狀態參數變化描述過程。

2)可以在參數坐標圖上用一條連續曲線表示過程。

 

2、可逆過程與不可逆過程

定義：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。

注意：可逆過程只是指可能性，並不是指必須要回到初態的過程。

可逆過程的實現條件

準靜態過程 + 無耗散效應 = 可逆過程

不可逆根源;不平衡勢差，耗散效應（通過摩擦使功變熱的效應(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等））

 

3、可逆過程與準靜態過程

準靜態過程與可逆過程的差別就在於有無耗散損失。

可逆過程一定是準靜態過程，但準靜態過程不一定是可逆過程

準靜態過程是實際過程的理想化過程，但並非最優過程，可逆過程是最優過程。

 

典型的不可逆過程


相關焦點

  • 環保工程師知識點:可逆過程和不可逆過程
    熱力學系統由某一狀態出發，經過某一過程到達另一狀態後，如果存在另一過程，它能使系統和外界完全復原，即使系統回到原來狀態，同時又完全消除原來過程對外界所產生的一切影響，則原來的過程稱為可逆過程。反之，如果無論採用何種辦法都不能使系統和外界完全復原，則原來的過程稱為不可逆過程。
  • 環保工程師基礎知識輔導:可逆過程和不可逆過程
    熱力學系統由某一狀態出發，經過某一過程到達另一狀態後，如果存在另一過程，它能使系統和外界完全復原，即使系統回到原來狀態，同時又完全消除原來過程對外界所產生的一切影響，則原來的過程稱為可逆過程。反之，如果無論採用何種辦法都不能使系統和外界完全復原，則原來的過程稱為不可逆過程。
  • 可逆過程
    可逆過程在熱力學學習中經常提到，也是熱力學學習的基礎。一個過程是否可逆，直接回影響該過程下的熱力學函數的計算方法。
  • 熱力學過程在量子尺度不可逆被首次證實
    對於物理系學家們來說，包括薛丁格方程在內的微觀法則都是可逆的。從理論上說，正向和反向微觀過程毫無二致。
  • 絕熱不可逆過程和絕熱可逆過程的比較
    有一個經典的問題：理想氣體從同一始態出發，分別經過絕熱可逆過程(r)和絕熱不可逆過程(ir)達到相同的末態壓力（或相同的末態體積），則Tr_____Tir。有一種解題思路似乎比較「流行」：因為絕熱可逆過程的功小於絕熱不可逆過程，即Wr< Wir。而兩過程均絕熱，因此有ΔUr < ΔUir，即Tr < Tir。
  • 熱力學第二定律(熵增加原理)
    在介紹之前，我們先來了解一下熱力學過程中的不可逆過程。如果一個過程的每一步都可以在相反方向進行而不引起其它變化，稱為可逆過程，反之，引起其它變化的過程稱不可逆過程。從上面的描述我們能夠看出，除了準靜態過程是可逆過程，因為它的每一步都處在熱力學平衡態，其它一切實際過程都是不可逆過程，即任何一個實際過程都是可以向相反方向進行，但是一定會引起外界的變化。
  • ＂Adiabatic＂的含義: 從參數＂浸漸＂的量子演化到熱力學的絕熱過程
    為了說明量子力學中的量子絕熱(浸漸)過程如何對應熱力學中的「絕熱」過程[2,3], 我們先介紹量子絕熱定理: 給定一個量子系統, 其哈密頓量H =H [R(t)]依賴於一組緩慢變化的參數R(t). 它的一個典型例子是自旋為1/2的粒子在緩變的磁場中進動. 如果體系參數變化足夠緩慢, 不足以激發不同的瞬時本徵態間的躍遷.
  • 時間是可逆的，只是量子力學不允許我們感知並記住這個過程
    相反，嚴格的物理定律都是「時間可逆」的，也就是說，原因和結果實際上是可以互換的。從理論上講，在一個封閉的系統中，杯子是有可能跳起來重新組裝自己的。實際上這是不可能的。如果所有的物理過程都是時間可逆的，那麼它應該允許一些過程在一個方向上熵增加，而另一些過程在相反的時間方向上熵增加。然而，我們並沒有看到這種情況真的發生。所有物理過程的熵只在一個方向上增加。最重要的問題是：為什麼？
  • 2011年上海理工大學《工程熱力學B》考研大綱
    上海理工大學2011年839工程熱力學B考研大綱公布。 　　上海理工大學 　　2010年碩士研究生 入學考試專業課考試大綱 　　《工程熱力學》B考試複習提綱 　　參考文獻： 　　1 廉樂明，李力能，吳家正，譚羽飛 編. 工程熱力學.第4版.
  • 物理化熱力學第一定律考試試題
    在封閉系統中發生的過程中, 如果內能不變, 則功和熱對系統的影響必互相抵消 答案：B3．關於焓的性質, 下列說法中正確的是（ ）(A) 焓是系統內含的熱能, 所以常稱它為熱焓 (B) 焓是能量, 它遵守熱力學第一定律
  • [趣味數學]可逆過程
    日常生活中，存在著許多可逆現象。早晨上學，從家裡到學校，中午放學了，又從學校回到家裡。家→校，校→家，走的是同一條路，但方向不同，目的也不同，這就是可逆的過程。溫度下降到攝氏零度，水就開始結冰；把冰加熱，就慢慢地變成水。水→冰，冰→水，這也是可逆的過程。
  • 量子物理定律在時間上是可逆的!可以違反熱力學第二定律?
    ，是熱力學第二定律在宏觀世界的必然趨勢。這使得經典物理學所描述過程是不可逆的，並由此引申出時間流的方向。然而，這種趨勢並不一定適用於由量子力學控制的微觀世界。量子物理定律在時間上是可逆的，所以在微觀世界中，現象的流動沒有優先的方向。當代科學研究最重要的目標之一就是準確地知道從量子世界到經典世界的轉變發生在哪裡，以及為什麼會發生——換句話說，就是找出是什麼使得熵的產生佔主導地位。
  • 熱學要點(三):熱力學第二定律
    就是不可逆過程雖然微觀粒子所經歷的物理過程是可逆的，但是大量的粒子組成的熱力學系統（也就是宏觀體系）所經歷的任何過程都是不可逆的，不同的宏觀過程的不可逆性是相互等價的。既然一切宏觀過程都是不可逆的，那說明任何宏觀過程都有一個自發進行的方向，相反的方向不能自動進行，熱力學第二定律就是用來保證這一點的，有了它，人們不再陷入那種迷茫，例如：有沒可能熱自動的從低溫物體傳到高溫物體呢？
  • 2007年上海交通大學考研《工程熱力學》考綱
    第五部分    熱力學第二定律 　　5·1  熱力學第二定律的兩種表述 　　5·2  卡諾循環和卡諾定理 　　卡諾循環的組成、卡諾循環的熱效率、卡諾製冷循環的製冷係數和卡諾熱泵循環的供暖係數；卡諾定理及其推論。
  • 物理化學--第一熱力學定律基本公式
    大多數同學的複習序幕由此展開，不早不晚，無所畏懼，目標堅定，計劃先行，如此方可做到坦然面對，即行之欲至，心之瞭然。一、熱力學第一定律七、絕熱過程的功和過程方程式理想氣體，封閉系統，不做非體積功：絕熱可逆過程方程式：
  • 熱力學三大基本定律是什麼?一文帶你搞懂
    由此克勞修斯最後得出熱力學第一定律的解析式：dQ=dU-dW從1854年起，克勞修斯作了大量工作，努力尋找一種為人們容易接受的證明方法來解釋這條原理。經過重重努力，1860年，能量守恆原理也就是熱力學第一定律開始被人們普遍承認。能量守恆原理表述為一個系統的總能量的改變只能等於傳入或者傳出該系統的能量的多少。
  • 【物理定律】熱力學三大定律,你全都知道嗎?
    基本內容：熱可以轉變為功，功也可以轉變為熱；消耗一定的功必產生一定的熱，一定的熱消失時，也必產生一定的功。　　普遍的能量轉化和守恆定律在一切涉及熱現象的宏觀過程中的具體表現。熱力學的基本定律之一。　　熱力學第一定律是對能量守恆和轉換定律的一種表述方式。
  • 絕熱可逆和等溫可逆過程能否達到相同末態呢?
    有同學發信問了一個題：在相同的初始狀態出發，分別經過絕熱可逆膨脹和等溫可逆膨脹過程，能夠達到相同的末態？
  • 熱學:熱力學定律
    ，就是要明確發生內能變化的是哪一個物體或哪一個熱力學系統。2.定性分析研究對象的內能變化是由外界哪些物體或系統通過哪些過程引起的。3.根據符號法則，確定ΔU、Q、W的正負號，代入公式ΔU＝W＋Q進行計算。二、熱力學第二定律在物理學中，反映宏觀自然過程的方向性的定律是熱力學第二定律。
  • 江蘇自學考試熱力學與統計物理教材大綱
    ：系統及分類、熱力學狀態及狀態參量，熱力學平衡態。　　2.理解作宏觀功、熱交換、物質交換三種改變系統內能的形式的物理實質。　　3.理解並掌握溫度的概念，內能及熱量的概念。　　4.掌握系統的物態方程的基本含義及常用的氣體模型所對應的物態方程。　　5.理解並掌握準靜態過程。　　6.熟練掌握準靜態過程中功、內能及熱量的計算。　　7.理解可逆與不可逆過程的概念。