工程熱力學概念(已修改)
2025-07-08 20:23 本頁面
【正文】 緒論工程熱力學與傳熱學分兩部分，熱力學與傳熱學，這兩部分都是與熱有關(guān)的學科。我們先講熱力學，第二部分再講傳熱學。熱力學中熱指的是熱能，力在我們工程熱力學中主要指的是用它來做功，也就是機械能，簡單地理解工程熱力學主要研究的是熱能和機械能之間的相互轉(zhuǎn)化。也就是說由熱產(chǎn)生力，進而對物體做功的過程，所以熱力學主要研究的是熱能和機械能之間的相互轉(zhuǎn)化。舉個例子：比如汽車的發(fā)動機（內(nèi)燃機），它是利用燃料（汽油）在汽缸中燃燒，燃燒后得到高溫高壓的煙氣，煙氣此時溫度高，壓力高，具有熱能，那么高壓的燃氣會推動氣缸的活塞做水平往復運動，活塞又通過曲柄連桿機構(gòu)把水平往復運動轉(zhuǎn)化成圓周運動，進而帶動汽車運動，這就是一個熱力學的例子。工程熱力學的研究重點是熱能與機械能之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律，那么下面我們來詳細的看一下工程熱力學的研究內(nèi)容：①研究熱力學中的一些基本概念和基本定律?；靖拍钕駸崃W系統(tǒng)、熱力學狀態(tài)、平衡過程、可逆過程等?；径捎袩崃W第一定律和熱力學第二定律，第一定律和第二定律是工程熱力學的理論基礎(chǔ)，其中熱力學第一定律主要研究熱能與機械能之間轉(zhuǎn)化時的數(shù)量關(guān)系，熱力學第二定律主要研究熱能和機械能轉(zhuǎn)換時的方向、條件、限度問題。②研究工質(zhì)的性質(zhì)。我們熱能和機械能之間的轉(zhuǎn)化需要依靠一定的工作物質(zhì)才能實現(xiàn)，因此，我們要研究熱能和機械能之間的相互轉(zhuǎn)化，我們首先要研實現(xiàn)這一工作的工質(zhì)的性質(zhì)。③研究工質(zhì)參與下，遵循熱力學第一定律和第二定律在熱力設(shè)備中進行的實際熱力過程。第一章 基本概念在我們研究工程熱力學的過程中會用到許多術(shù)語，如工質(zhì)、熱力學系統(tǒng)、熱力學狀態(tài)、平衡狀態(tài)、狀態(tài)參數(shù)等。因此，要學好工程熱力學我們首先要知道這些術(shù)語指的是什么。我們先來看第一個概念：工質(zhì)一、工質(zhì)我們前面講了，工程熱力學是研究熱能和機械能之間的相互轉(zhuǎn)化，那么工質(zhì)就是用來實現(xiàn)熱能和機械能之間相互轉(zhuǎn)化的工作物質(zhì)。工質(zhì)大多數(shù)情況下只是在能量轉(zhuǎn)化的過程中起媒介的作用，而不會直接參與能量的轉(zhuǎn)化。像我們化學中學到的催化劑一樣，工質(zhì)這一物質(zhì)本身并不發(fā)生化學性質(zhì)的變化，發(fā)生變化的是工質(zhì)的熱力學狀態(tài)（物理性質(zhì)），像工質(zhì)的溫度、壓力、體積等。也就是說工質(zhì)在能量轉(zhuǎn)化過程中起媒介的作用。舉個例子：① 就是前面我們舉的汽車發(fā)動機。這里面的工質(zhì)是汽油燃燒后所產(chǎn)生的煙氣，最初，煙氣的溫度很高，壓力很高，它所具有的是熱能，煙氣在高溫高壓下會膨脹，對外做功，把它所具有的熱能轉(zhuǎn)化為機械能，并傳遞給汽車，煙氣膨脹后，溫度和壓力都會降低，在這個能量轉(zhuǎn)化過程中，工質(zhì)煙氣的化學性質(zhì)并沒有發(fā)生變化，工質(zhì)還是工質(zhì)，發(fā)生變化的僅僅是工質(zhì)所呈現(xiàn)出來的狀態(tài)，最初是高溫高壓，膨脹之后變?yōu)榈蜏氐蛪?。?鍋爐中的蒸汽動力循環(huán)裝置在這個裝置中，工質(zhì)是水蒸氣，水進入鍋爐中，通過鍋爐加熱后，變成水蒸氣，水蒸氣推動汽輪機的葉輪旋轉(zhuǎn)做功，做功后變成液體水，水再送回鍋爐中加熱循環(huán)使用。這個裝置中就是通過工質(zhì)——水的狀態(tài)的不斷變化將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的，工質(zhì)水本身并沒有發(fā)生變化，水還是水，不管是以液體狀態(tài)存在還是以蒸汽狀態(tài)存在，發(fā)生變化的是水的物理狀態(tài)，像水的溫度、壓力等。綜上：工質(zhì)是實現(xiàn)熱能和機械能之間相互轉(zhuǎn)化的工作物質(zhì)，是媒介物質(zhì)。二、熱力學系統(tǒng)簡單的說，熱力學系統(tǒng)是認為地劃分出來作為熱力學研究對象的系統(tǒng)，也就是我們的研究對象，簡稱熱力系。熱力系可以是一種真實的物質(zhì)，如泵中被壓縮的水，也可以是一個真實的設(shè)備，如鍋爐，也可以是一種抽象出來的或假象的熱力學模型。熱力學系統(tǒng)是人們在進行熱力分析時，為方便起見，把研究對象從周圍物體中分離出來的。那么系統(tǒng)周圍的物體稱為外界，熱力系統(tǒng)與外界的分界面叫做邊界。外界可以是自然環(huán)境，也可以是另一個熱力系統(tǒng)。自然環(huán)境是一類特殊的外界，它所經(jīng)歷的過程是可逆的，而且本身的性質(zhì)不變。邊界可以是真實的，也可以是假想的，可以是固定不變的，也可以是運動可變的。比如：若取前面我們講的汽輪機中的工質(zhì)——水蒸氣作為熱力學系統(tǒng)時，汽輪機的汽缸外壁是一個實際的邊界，而水蒸氣的進口和出口則是一個假想的虛擬的邊界。再舉一個例子：活塞式壓縮機的汽缸活塞系統(tǒng)，當我們?nèi)∑字械墓べ|(zhì)為熱力系時，則邊界的一部分——汽缸壁面是固定的，邊界的另一部分——活塞頂就是運動的。（a）汽輪機 （b）活塞
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