1、第二章 热力学基本定律,第 一 定 律 能 量 方 程 第 二 定 律 卡 诺 循 环,热力学第一定律的实质,热力学第一定律的实质是能量转换与守恒定律在热现象上的应用。,热是一种能量,热功当量实验,分子运动学说,热是物质分子及原子等微粒杂乱运动的能量,热力学第一定律的几种表述, 当热能与其他形式的能进行转换时，能的总量保持不变； 在孤立系统中，能的形式可以转换，但能量总值不变； 第一类永动机是不可能制成的。, 不供给能量而能永远对外做功的机器。,热力学第一定律应用于任一热力系统：,进入系统的能量离开系统的能量 系统储存能量的增量,热力学第一定律的表达式,能量的传递形式,传 热,做 功,与过程有
2、关,与进入状态相关,与离开状态相关,与过程有关,系 统,物质进入带入能量,物质离开带出能量,功,系统与外界相互作用而传递的能量，若其全部效果可表现为使外界或物体改变宏观运动状态，则这种传递的能量称为功；单位：焦耳（J）。,-,+,系 统,外界对系统做功,系统对外界做功,思考题,1,拔掉销钉后，系统向真空膨胀，系统是否做功？,2,刚性容器，加热后系统内压力升高，系统是否向外做功？,气体对外膨胀所做的功称为膨胀功，气体受到压缩时外界对气体所做的功称为压缩功，两者统称为体积功或容积功。,体积功,气缸内有 m kg气体，活塞面积为A,由1到2完成的容积功为：,单位质量气体做的功:,体积功,当活塞移动微
3、小距离dx，气体所做容积功：, 以上体积功计算适用于任意可逆过程，条件是已知初、终态和过程函数表达式。, pv图也称为示功图。, 功是一个过程量。,体积功,如图所示，气缸初始状态下：,Q,现对气缸加热，使气体膨胀至：,已知：初始状态下，弹簧与气缸接触但不受力，弹簧刚度,大气压力：,活塞面积：,求：1) 气缸内终了压力和气体做的功？2) 若活塞与气缸间有摩擦力 存在，气体做的功是多少？,例题,解：,设：准静态过程,终了状态为平衡状态，活塞两侧的受力相等,取气缸内的气体为系统，气缸内壁为边界,利用示功图求解,若活塞与气缸间存在摩擦，不可逆因素出现在系统外，为外部不可逆过程，这时气体需要抵抗外力 做
4、功。,在工程实际中，将活塞和气缸作为整体考虑，注重整套装置的有效输出功，这时，摩擦成为内部不可逆因素，系统对外做功：,但是由于内部摩擦的存在，使得气体必须克服摩擦做功，因此气体必须做功：,-,+,系 统,系统吸热,系统放热,热 量,系统与外界之间仅仅由于温度不同而传递的能量称为热量，单位：J。, 热量不是系统的状态参数，而是一个与过程特征有关的过程量。,热 量,T-s图也称为示热图,储存能,物质本身具有的能量称为储存能。,外部储存能,动 能,位 能,与系统整体宏观运动有关的能量,储存能, 内部储存能,与物质的分子结构及微观运动形式有关,物理内能 化学内能 核能,储存能是广度参数,如图所示，若工
5、质完成1a2b1这个循环，即工质回复了原来状态，系统储存能的变化为零。,1,2,v,物理内能,物理内能包括内动能和内位能。内动能包括分子移动动能、转动动能和粒子振动动能；内位能是分子间的引力位能。,内能是广度参数，状态参数。,工质不流动的热力过程，按封闭系统处理较为方便。,封闭系统示意图,封闭系统的能量方程,设气体从状态1变化到状态2，变化过程中吸热Q，对外做功W。,忽略动能和位能变化，由热力学第一定律有：,对微元过程有：,对单位质量工质：,以上各式适用于任何工质及过程。,封闭系统的能量方程,对于可逆过程，在pv图上用连续曲线表示，则：,敞开系统示意图,如图所示,选截面1-截面2内工质为热力学
6、系统，在d时间内，流进dm1工质，流出dm2工质。,敞开系统的特点, 能量交换。除做功和传热外，借助工质的流动传递工质本身具有的能量； 要考虑质量平衡； 功=容积功+推动工质出入系统的推动功；,敞开系统推动功,kg :,推动质量进出系统的推动功，即保证质量流动耗费的功。,敞开系统的能量方程, 系统吸热:Q, 流入工质带入能量,进入系统的能量：, 上游工质所做的推动功,敞开系统的能量方程, 系统所做轴功：Ws, 流出工质带出能量,离开系统的能量：, 系统推动工质流出的推动功,敞开系统的能量方程,应用热力学第一定律,敞开系统的能量方程,式中：,敞开系统的能量方程,令：,能量方程式变为：,物理意义：
7、工质流动时与外界传递的与热力状态有关的总能量。焓是状态参数，具有状态参数的一切性质。 当工质不流动时， pV不再是流动功，而焓作为状态参数仍存在。可理解为三个状态参数的组合。,焓,在流动过程中，系统内任一点处，工质的热力参数和运动参数都不随时间而变化。三个条件：系统进出口状态不随时间而变化；进出口质量流量相等。系统内储存的能量不变。,稳定流动过程,当热力设备在不变的工况下工作时，工质的流动过程可视为稳定流动，只是在开车和停车阶段为不稳定流动。对连续周期性动作的热力设备（如活塞式机械），如果单位时间工质的平均流量保持不变，传热量和轴功的平均值也保持不变，也可用稳定流动能量方程分析其能量转换关系。
8、,稳定流动过程的工程应用,将稳定流动的条件代入能量方程，有,稳定流动能量方程,单位质量工质,对微元过程,与封闭系统能量方程比较,稳定流动的能量方程,若令,则能量方程与封闭系统相同。把 理解为由热量转变来的机械能，等于工质膨胀功。,技术功wt,对微元过程：,技术功是流动过程中可资利用的机械能，等于膨胀功与流动功之差。,若忽略动能和位能的变化，技术功和轴功相等。,稳定流动系统能量方程又可写成,适用于任何工质的任何稳定流动过程,对于可逆过程，技术功为,技术功wt,dp 0, wt0 dp = 0, wt=0,技术功过程曲线与纵轴围成的平面的面积。,技术功wt,机械能守恒式,对于可逆过程，有,对有摩擦
9、的准静态过程，考虑摩擦功wF，,=0,Bonulli方程，反映了压力、流速、位能及摩擦阻力之间的关系,应用能量方程分析实际问题时，应具体问题具体分析，采取合理的假设和简化，简便、合理地计算能量的转换。,能量方程的应用,汽轮机,汽轮机叶片,wS=h1h2=wt,工质流经汽轮机、燃气轮机等动力机时，压力降低，对机器做功；工质进出口的速度相差不多，动能差很小，可以不计；对外界略有散热损失，q 是负的，但数量通常不大，也可忽略；位能差极微，可以不计。,（1）动力机,工质流经压缩机时，机器对工质作功，使工质升压；工质对外界略有散热，wS和q 都是负的；动能差和位能差可忽略不计。从稳定流动能量方程式可得机
10、器对每kg工质作功wS为：,wS q-( h2-h1),（2）压缩机,工质流经锅炉、换热器等热交换器时，和外界有热量交换而无功的作用，动能差和位能差也可忽略不计。,（3）换热器,qh2h1,若工质流动是稳定的，1kg工质吸热量:,工质流经诸如喷管、扩压管等管道时，不对设备作功。位能差很小，可不计；因喷管长度短，工质流速大，来不及和外界交换热量，故热量交换也可不计。,（4）变截面管道,若工质流动是稳定的，1kg工质动能的增加为：,（5）节流,工质流经阀门时流动截面突然收缩，流速加快，这种流动称为节流。由于存在摩擦和涡流，流动过程不可逆。在离阀门不远的两个截面处，工质的状态趋于平衡。设流动是绝热的
11、，前后两截面间动能差和位能差忽略不计，又不对外做功，则对两截面间工质应用稳定流动能量方程式，可得节流前后焓值相等，即：,例 题,例1,换热器吸热:,空气流量,求:1)压缩机功率；2)喷管出口流速；3)气轮机功率；4)整套装置功率,过程中忽略位能变化,压缩机绝热压缩:,气轮机绝热膨胀:,1) 压缩机功率（取压缩机内的工质为系统）,2) 喷管出口流速（取换热器和喷管内的工质为系统）,工质在整套装置内的流动为稳定流动，应用稳定流动能量方程求解。,解：,4) 整套装置功率,* 将整套装置取为系统,3) 气轮机功率（取气轮机内的工质为系统）,例2 图示气缸中充有空气，气缸截面积A=100cm2，活塞距底
12、面高度L=10cm，活塞及其上负载的总质量是195kg，当地大气压p0=0.1MPa，环境温度T0=27，气体与外界处于平衡状态。现把重物取走100kg,活塞将突然上升，最后重新达到平衡。设活塞和气缸之间无摩擦，气体与外界充分换热，求活塞的上升距离和气体与外界的换热量。,例 题,取空气为系统。,解：,由热力学第一定律：,依题意有：T2=T1，内能不变。,作业,第二章思考题：第2、3、4、5、6题 第二章习题：第1，4，6题。,热力学第二定律的引入,满足热力学第一定律的过程并不是都能实现的，即自然过程是有方向性的。,热力学 第二定律,研究,热力过程,方向 条件 限度,自发过程,传热,其它过程：气
13、体自由膨胀：高压气体向低压处膨胀混合：气气，液液燃烧反应过程,自发过程,一切实际的热力过程都具有方向性，只能单独自动地朝一个方向进行，这类过程称为自发过程；而其逆方向的过程不能单独自动进行，这类过程称为非自发过程。若要非自发过程得以实现，必须附加某些补充条件，付出一定的代价。,热力学第二定律的分析,高温,低温,热量传递,非自发过程,自发过程,消耗功,热力学第二定律的分析,热,转变,非自发过程,自发过程,功,向低温热源放热,热力学第二定律的分析,热,100%转变,自发过程,功,气体压力降低,理想气体定温膨胀Q=U+W,热力学第二定律的表述,Clausius： 热量不可能自动地、无偿地从低温物体传
14、至高温物体； KlvinPlank：不可能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之完全转变为有用功，而其它物体不发生任何变化；第二类永动机*是不可能制成的.,第二类永动机：只从单一热源吸热就能连续工作而使热完全转变为功。,热力学第二定律的实质,自发过程是不可逆的；若要非自发过程得以实现，必须伴随一个适当的自发过程作为补充条件。,T1,T2,A,Q1,Q2,W0,热力学的各种表述是等效的,卡诺热机（正向卡诺循环）,卡诺循环是在两个恒温热源T1和T2之间，由两个定温可逆过程和两个绝热可逆过程交替组成的循环。, 定温膨胀, 可逆绝热压缩, 定温压缩, 可逆绝热膨胀,卡诺循环,卡诺热机（正向
15、卡诺循环）,卡诺热机的热效率：,热力学第二定律表明，任何循环的热效率都小于一。,卡诺热机（正向卡诺循环）,卡诺热机的热效率：,卡诺制冷机（逆向卡诺循环）,卡诺制冷机的制冷系数：,卡诺热泵（逆向卡诺循环）,卡诺热泵的供暖系数：,卡诺定理,定理一 在相同温度的高温热源和相同温 度的低温热源间工作的一切可逆循环，其热效 率相等，且与循环工质的性质无关。定理二 在相同温度的高温热源和相同温 度的低温热源间工作的一切不可逆循环，其热 效率必小于相应可逆循环的热效率。,由卡诺定理得到的重要结论,卡诺循环热效率只取决于高温热源和低温热源的温度，即工质吸热和放热的温度。提高T1或降低T2均可提高热效率。 任何
16、循环的热效率均小于1。 T1=T2时，循环热效率为零，说明只从单一热源吸热是不可能把热转变成功的。 要提高实际装置的热效率，必须尽可能减少摩擦等不可逆功损失。,多热源的可逆循环,例题,冬季室外温度-10，为保持室内温度20，需要向室内供热7200kJ/h。试计算：(1)若采用电暖气供暖，需要电功率为多少？,解：,（1）取室内空气为系统,(2)若采用逆向卡诺循环机供暖，则供暖机功率为多少？,例题,解：,(3)若该供暖机由另一正向卡诺热机带动，其高温热源温度500K，低温热源为大气，则正向卡诺热机的供热率为多少？,解：,例题,例: 有人声称设计了一套热力设备，可将65的热水的20%变成100的水，
17、而其余80%将热量传给15的大气，最终水温为15，试判断该设备是否可能。水的比热为=4.186kJ/(kgK),例题,熵的导出,卡诺循环,对任一可逆微循环PQNM,以代数值代入,熵的导出,单位质量工质：,(J/K) or (kJ/K),系统可逆吸热, 系统熵增加,熵的导出,系统可逆放热, 系统熵减小,与外界没有热交换, 系统熵不变,克劳修斯不等式,如果一个循环的全部或一部分是不可逆过程,克劳修斯不等式,Q,Q：微循环中系统从外界吸收的热量 T：吸热时热源的温度 =：适用于可逆循环 ：适用于不可逆循环,例: 某循环装置，工作在800K和300K的热源之间。若与高温热源换热3000kJ，与外界交换
18、功2400kJ，试判断该装置能否成为热机？能否成为制冷机？ 解：(1)若要成为热机，则,所以，该循环装置不可能成为热机。要使其成为热机，必须再少做功，多放热。,(2) 若要成为制冷机，即为逆循环，从低温热源吸热，向高温热源放热，同时外界对系统做功。,所以，循环可行。,不可逆过程的熵变,1A2 可逆过程 1B2 不可逆过程,绝热 +可逆,定熵过程,绝热 + 不可逆,不可逆因素,绝热过程的熵变,绝热过程,不可逆过程,熵流,熵产,熵流和熵产,摩擦引起的熵产,熵产,温差传热引起的熵产,外界温度为T，工质温度为T。 工质的熵变按可逆过程计算，即认为工质与温度为T的热源可逆传热。,熵产,孤立系统=系统+环
19、境,孤立系统内所进行的一切实际过程（不可逆过程）都朝着使系统熵增加的方向进行；在极限情况（可逆过程）下，系统的熵维持不变；任何使系统熵减小的过程都是不可能的。,孤立系统熵增原理,孤立系统的熵变化只取决于系统内各过程的不可逆程度,1.熵增原理是对孤立系统而言的，系统内的某个物体可与系统内的其它物体相互作用，其熵可增、可减、也可以维持不变。是指系统内各部分熵变的代数和。既可以按照组成物体计算熵增，也可按照不可逆因素计算熵产。 要想使 的过程得以实现，必须寻找一个使熵增加的过程与原孤立系统伴随进行。而且必须使两者组成的新孤立系统的熵变大于零。 4.当熵不断增加直至达到某个最大值时，系统处于平衡状态，
20、过程即告停止。,孤立系统熵增原理,有人声称设计了一套热力设备，可将65的热水的20%变成100的水，而其余80%将热量传给15的大气，最终水温为15，试判断该设备是否可能。水的比热为c=4.186kJ/(kgK),例题,20%的水由65到100,80%的水由65到15,解：,所以该设备可以实现。,例题,例2.某热机工作于1000K和400K的两恒温热源之间，每kg工质从高温热源吸热200kJ。 求：(1)试计算其最大循环功；(2)若工质吸热时与高温热源温差为150K，放 热时与低温热源温差20K，则最大输出功是多少？(3)如果上述过程中不仅存在温差传热，由于摩擦又使循环功减少40J，则热机效率
21、又是多少？(4)上述三种循环中的熵产各为多少？,(1)计算其最大循环功,解：,(2)若工质吸热时与高温热源温差为150K，放热时与低温热源温差20K，则最大输出功是多少？,(3)如果上述过程中不仅存在温差传热，由于摩擦又使循环功减少40J，则热机效率又是多少？,(4)上述三种循环中的熵产各为多少？,2.温差传热产生不可逆性,3.温差传热和摩擦产生不可逆性 解法一：将高温热源、低温热源和热机取为孤立系统,按照不可逆因素计算孤立系统熵产。,高温热源,低温热源,工质,解法二：将高温热源、低温热源（环境）和工质(系统)取为孤立系统,按照组成物体计算孤立系统熵增。,作 业,第二章思考题：第7、8、9、10题 第二章习题：第8、10、11、13题。,
