吴子牛气体动力学讲义_lecture02-1.ppt

II: 气体动力学第二讲 预备知识一 2001年9月11日 星期二 上午9：50－中午12：15 明理楼422 内容提要 热力学内容一：热力学状态和过程 热力学内容二：热力学基本定律 热力学内容三：热力学基本关系式 热力学内容四：完全气体热力学特性 II-1:热力学状态和过程 目的：将经典热力学内容推广到运动气体的连续流场 热力学系统 热力学状态，状态原理 热力学过程，功与热量 热力学系统 热力学系统：如流体微团、控制体 环境：与系统相邻的物质或区域 边界：系统与环境的交接处，存在传质、传热和做功 热力学状态 热力学平衡态 孤立系统经足够长时间，热力学特性(温度、压力等强度量和容积、内能等广延量)不再变化 状态方程 热力学过程，功与热量 热力学过程 可逆过程与不可逆过程 等熵过程与不等熵过程 绝热过程与非绝热过程 准静态过程（系统连续、环境的作用力无限小）近似为可逆过程 功与热量 发生热力学过程时，环境对系统做功（W＝ ）并传递热量(Q＝ ), 功和热量不是状态量，属于过程量，因而不是时间和空间的函数 II-2：热力学定律 热力学第一定律 热力学第二定律 最大熵增率原理 热力学第一定律 热力学第一定律 （能量守恒定律） 若环境给封闭系统 传递热量δQ，那么 这部分热量一方面 使系统增加内能dE, 另一方面使系统（膨胀） 对外做功δ W=p δ v, 于是 定律可以写成 δQ＝ dE＋ δ W δq＝ de＋ δ w 热力学第二定律（熵增原理） 在热力学过程中，熵变为 其中 为系统以准静态过程吸收热量和质量熵的变化 其中 为系统内部不可逆(粘性耗散)过程引起的熵变。热力学第二定律可以表述为 热力学第二定律也可以表示为（对于封闭系统） 最大熵增率原理 设存在某种作用b, 使得熵为b的函数，即S=S(b)。 粘性、热传导或其它耗散机制使熵增加，则b的作用使耗散率最大，即熵增率最大。 数学表达式 文献： Ziegler H, An introduction to Thermomechanics (Chapter 15), North-Holland Pub Company,1983 II－3:热力学基本关系式 内能、焓、熵、比热等的基本定义 热力学基本方程 内能的定义（参阅热力学书籍） 内能＝分子热运动能＋分子间相互作用能＋分子内部能量 对于热完全气体，假定只有热运动能＝平动（3个自由度）＋转动能（多原子）＋振动能（多原子）＋电子激化能（忽略） 能量均分定理： 这里i为自由度，R为气体常数 焓与比热的定义 定义 比热（焦耳/千克/开）：在特定热力学过程（定压、定容）中，单位质量的物体每升高一度温度所需要吸入的热量 自由能与自由焓 海姆霍兹自由能 吉布斯自由焓 封闭均匀可逆系统热力学基本方程 热力学第一定律 基本热力学关系式 热力学关系式的作用 例如，给定 ， 则由 得 由 得 由焓的定义得 热力学关系式的作用(续) 由 得 即 于是 因此，只需知道任一个特性函数表达式，就可以导出全部热状态方程和量热状态方程，确定全部热力学特性 课堂练习 试证明 证明（第一式） 习题 证明（Pb1-6） （提示，利用比热定义和前页所证得的式子） * II II: 内容提要 II-1: 热力学1 封闭系统（开口系统）：无（有）质量交换，如拉格朗日（欧拉）法中的流体微团（控制体积） （非）绝热系统：无热交换 （非）孤立系统：无任何相互作用 （非）均匀系统：完全均匀的物质 单（多）元系统：含一种化学组分 II-1: 热力学1 II-1: 热力学1 状态方程(均匀系统) 热状态方程，由实验测定，一般写为 F(p,v,T)=0 如克拉伯龙状态方程 量热状态方程（由热力学定律及热状态方程导出)，如 e=e(p,T)＝CvT h=h(p,T)=CpT 局部状态原理 气体动力学考虑的是连 续系统（非均匀），属 于各强度量连续变化的 非均匀系统，状态方程 类似于均匀系统的状态 方程，与流场梯度无关 用于流场 （连续非均匀系统） II-1: 热力学1 II-1: 热力学1 II-2: 热