《02热力学第二章-2011资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《02热力学第二章-2011资料（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 热力学第一定律,第三章 热力学第一定律,第一节 热力学第一定律的实质 第二节 热力学能和总能 第三节 能量的传递和转化 第四节 热力学第一定律的基本能量方程式 第五节 开口系统能量方程式 第六节 稳定流动能量方程的应用,The Story of Heat,Heat was once thought to be a fluid called “caloric” James Joule proved that heat was a form of energy in the 18th century,Heat is Energy,Temperature of the water rises
2、 if either: heat is added work is done Since work is energy, heat must be energy as well,实质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用, 18世纪初，工业革命，热效率只有1%, 1842年，J.R. Mayer阐述热一律，但没有 引起重视, 1840-1849年，Joule用多种实验的一致性 证明热一律，于1850年发表并得到公认,2-1 热力学第一定律的实质,热力学第一定律的普遍表达式,进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统能量贮存的变化,适用于任何过程任何热力系,闭口系循环的热一律表达式,要想得到功，
3、必须花费热能或其它能量,热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”,内动能（分子平移，旋转，振动） 内位能（分子间力） 化学能（维持一定的分子结构） 原子能（原子核内部）,2-2 热力学能和总能,热力学能的组成：,如果无化学反应，无核反应，热力学能 内动能 内位能,物质内部拥有的能量称为热力学能,热力学能的导出（I）,闭口系循环,热力学能的导出（II）,对于循环1a2c1,对于循环1b2c1,状态参数,p,V,1,2,a,b,c,热力学能U 的物理意义,dU = Q - W, W, Q,dU 代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。,U 代表储
4、存于系统内部的能量 内储存能（内能、热力学能）,热力学能及闭口系热一律表达式,定义 dU = Q - W 内能U 状态函数,Q = dU + W Q = U + W,闭口系热一律表达式,！两种特例 绝功系 Q = dU 绝热系 W = - dU,热力学能的性质,分子动能（移动、转动、振动） 分子位能（相互作用） 核能 化学能,热力学能, 热力学能是状态量, U : 广延参数 kJ u : 比参数 kJ/kg, 热力学能总以相对量出现，热力学能零点人为定,说明：,系统总能,外部储存能,宏观动能 Ek= mc2/2 宏观位能 Ep= mgz,机械能,系统总能,E = U + Ek + Ep,e =
5、 u + ek + ep,2-3 能量的传递和转化,一、能量传递的两种方式, 作功,伴随着能量形态的变化,物体的宏观位移,热能变机械能的过程： 热力学的 单纯机械的,The area under the curve is the work,The work depends on the process path,作功的说明,“作功”是系统与外界间的一种相互作用，是越过系统边界的能量交换。 功是指作功过程中在传递着的能量的总称，过程一旦结束就再无所谓功。 机械能与机械功、电能与电功等同吗？ 系统可以拥有电能，机械能，但决不会拥有电功、机械功之类的功。功只不过是特定条件下在过程中传递着的能量。 系
6、统是否作功应以过程在外界所引起的效果来判断，而不应从系统的内部去寻找依据，对系统的内部来说无所谓“功”。 功是有序能量传递。,过程功和有用功的概念,过程功：按照系统在热力过程中的状态变化而应该作出的功。 系统的过程功中通常可以区分为有用功和无用功的两个部分。 对大气所作的任何功是无用的，克服摩擦所作的功都转变为热量，因而也是无用的。 像设备从转轴上传出的轴功，提升重物所作的 机械功，以及工质本身的宏观动能和重力位能的增加（可以利用相关机械设备进一步使之转变为轴功等机械功）都属于系统所作的有用功。 有用功：技术上有用的，可以输给功源的功。 功源：一种可以向热力系作功或从热力系统接受功的外界物体或
7、装置。 例题（习题113）,传热,系统与外界间的另一种相互作用，是系统与外界间依靠温差进行的一种能量传递现象，所传递的能量称为热量。 热能和热量不是同一个概念 温差虽然是传热过程的推动势差，但是系统温度的变化与传热并无必然的联系。 温度变化说明系统的状态有了变化但不能由此判断出系统是否曾经吸热或放热 热能是微观粒子无序紊乱运动的能量 热量的正负规定：系统从外界吸热为正；向外界放热为负,not,可逆过程的热量计算,利用熵参数进行热量计算,熵的定义式,J/K,或,J/(kg.K）,可逆过程的热量可如下计算,2-4 热一律的基本能量方程式,热一律: 能量守恒与转换定律,进入系统的能量 - 离开系统的
8、能量 = 系统内部储存能量的变化,热一律的文字表达式:,闭口系能量方程, W, Q,一般式,Q = dU + W ( 输入) （贮增） （输出） Q = U + W,q = du + w q = u + w,单位工质,适用条件：1）任何工质 2) 任何过程,闭口系能量方程中的功,功 （ w） 是广义功 闭口系与外界交换的功量,q = du + w,准静态容积变化功 pdv 拉伸功 w拉伸= - dl 表面张力功 w表面张力= - dA,w = pdv - dl - dA +.,简单可压缩物质控制质量可逆过程能量方程,简单可压缩系的可逆过程仅存在容积功,w = pdv,简单可压缩系可逆过程, q
9、 = Tds,q = du + pdv,q = u + pdv,热一律解析式之一,Tds = du + pdv, Tds = u + pdv,热力学恒等式,【例2-1】,如图所示，闭口系内的一定量气体由状态1经1a2变化至状态2，吸热70kJ，同时对外做功25kJ，试问：（1）工质若由1经1b2变化到2时，吸热为90kJ，则对外做功是多少？（2）若外界对气体做功30kJ，迫使它从状态2经2c1返回到状态1，则此返回过程是吸热过程还是放热过程？其值为多少？,【例2-1】,解 （1）热力系经历1a2过程后，吸热Q=70kJ，对外做功W=25kJ，,因热力学能是状态参数，其变化量只与工质的初、终态有
10、关。所以,已知热力系经历1b2过程后，吸热Q=90kJ，,【例2-1】,（2）热力系由2变化到1，其热力学能的变化量,外界对气体做功,热量为负值，表示该过程为放热过程。, 2-5 开口系能量方程,问题的简化： 假定控制容积形状、大小、空间位置均不随时间改变。 因而统计系统的总能时，不考虑系统整体的外观能量，但要计及流体的流动动能，重力位能以及热力学能。 系统除与外界有物质流交换，在没有质量流穿越的边界上还可以有传热和作功的相互作用。 虽然假定系统边界不能移动，但是系统可以通过转轮转轴与外界交换轴功。 系统进出口界面上没有热量和功的交换。 假定进、出口截面上存在局部平衡。 可以用流体在进入或离开
11、系统的状态参数作为流体在进、出口界面的参数。 假定流动为 一元流动 仅在沿流动的方向上才有参数的变化。,开口系能量方程,推导,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,能量守恒原则 进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统储存能量的变化,推进功的引入,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,这个结果与实验不符,少了推进功,Flow Work,It takes work to push a fluid i
12、nto a system It takes work to push a fluid out of a system,F = PA,Wflow = FL,= PAL,= PV,推进功的表达式,推进功、推出功,A,dl,W推进= Pin Ain dl = PinVin w推进= pinvin,注意： 不是 pdv v 没有变化,pin,同理,W推出= Pout Vout w推出= poutvout,流动功的定义,流动功定义为开口系统的推出功与推进功之差 是系统为维持工质流动所需的功,P1, v1,P2, v2,1,1,2,2,对推进功的说明,1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在,2、作用过
13、程中，工质仅发生位置变化，无状态变化,3、w推pv与所处状态有关，是状态量,4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，流动工质所携带的能量,可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统时所携带和所传递的一种能量,开口系能量方程,Wnet,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,min,pvout,开口系能量方程微分式,Q + min(u + pv+c2/2 + gz)in - Wnet
14、- mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv,工程上常用流率,开口系能量方程微分式(Cont.),当有多条进出口：,流动时，总一起存在,焓的引入,定义：焓 h = u + pv,h,h,开口系能量方程,焓（Enthalpy) 的说明,定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ ,1、焓是状态量（以相对值给定）,2、H为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh h为比参数,3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功) 对静止工质，焓不代表能量,4、物理意义：开口系中随工质流动而迁移的、取决 于热力状态的能量。,例2-6 （习题2-12） 一刚
15、性绝热容器，容积V = 0.028 m3，原先装有压力为0.1 MPa、温度为21的空气。现将连接此容器与输气管道的阀门打开，向容器内充气。设输气管道内气体的状态参数保持不变：P = 0.7 MPa，t = 21。当容器中压力达到0.2 MPa时阀门关闭，求容器内气体可能达到的最高温度。设空气可视为理想气体，其热力学能与温度的关系为u = 0.72T (TK，ukJ/kg)；焓与温度的关系为h = 1.005T (TK，ukJ/kg)。,解：,取容器内空间为系统(CV)。此系统无出流，,不作轴功。,忽略不计空气流的动能和重力位能。,容器内气体时刻处于平衡,按题给及假定有：,Q = 0；,mgz= 0,mc2 = 0；, Wshaft= 0；,由系统不作宏观运动,dECV=dU=d(mu),由,有,即,d(mu)=(h) min,系统无出流,流入质量 min,=系统质量增量dm,因此 d(mu) = hindm,积分，有 m2u2-m1u1=hin(m2-m1),0,0,0,0,0,dU,代入已知关系，有,
