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1、1,第 二 章 热力学基本定律 和 能量的可用性,2,2-1 热力学第一定律,一、热力学第一定律一般表达式,运动是物质存在的形式，是物质固有属性。物质的运动形态是多样化的，能量也有不同的形式，在一定条件下可以从一种形式转换到另一种形式。物质不能创造也不能消灭，所以能量也是不能创造和消灭的，在能量形式的转换中能量的总量是守恒的。,能量转换及守恒定律是人类长期生活和生产实践的经验总结，是自然现象的基本规律之一。,能量转换及守恒定律： 自然界中的一切物质都具有能量； 能量有不同形式，能从一种形式转化为另一种形式； 在转换中，能量的数量保持不变。,3,对于孤立系：,能量转换及守恒定律的普遍叙述,系统的
2、总能量E为,物系储存 的总能量,热力学能（内部储存能）,外部储存能,宏观动能,重力势能,由于,系统的能量变化,外界的能量变化,4,省略下标sys，移项 得,热力学第一定律的一般表达式。,或,系统和外界交换的能量：,作功,传热,5,二、 闭口系统热力学第一定律表达式,传入系统的热量等于系统储存能的变化及系统 与外界交换功量之和。,静止闭口系统中,所以静止闭口系统的热力学第一定律表达式为,简单可压缩系统，与外界只有体积功交换。,可逆,6,第一定律第一解析式,功的基本表达式,热,讨论：,1）对于循环,2）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W 的 “+”，“”，大小。,例2-1,含容器热容能量方程,
3、7,2-2 开口系统热力学第一定律表达式,一、变质量系统基本方程,对于变质量系统，状态方程,如质量为m 的理想气体，状态方程为,变质量系统的理想气体状态方程的微分形式,同样，在变质量系统中，气体的热力学能及焓不仅与温 度、压力等参数有关，而且还随质量m变化而变化。因此，,8,以质量流率的形式来表示,或,如控制体的出、入口有多个,进入系统的微元质量,离开系统的微元质量,控制体积质量守衡：,进入控制体的质量流率,离开控制体的质量流率,控制体中的质量变化率,9,在变质量系统中,变质量系统基本方程,10,单位质量的吉布斯函数也称为化学势,热力学能变化,换热,膨胀功,系统的质量改变,变质量系统基本方程,
4、11,二、开口系统热力学第一定律表达式,流入系统的能量,流出系统的能量,系统内部储能增量ECV,=,12,通除,不计控制体宏观位能及动能的变化,热流率,轴功率,进入控制体的质量流量,离开控制体的质量流量,控制体中储存能的变化率,13,开口系统热力学第一定律表达式,单股流体进出的稳态稳流系统,1kg气体的能量方程为,稳态稳流能量方程,写成如下形式,推广到多股气流的情况，则,稳流能量方程-心脏,14,三、绝热节流,1. 定义由于局部阻力，使流体 压力降低的现象。,节流现象特点： 1) p2 s1, I = T0 sg 3) h1 = h2， 但节流过程并非等焓过程； 4) T2可能大于等于或小于T
5、1 理想气体T2 = T1 。,2. 节流后的温度变化, 焦耳-汤姆逊系数,节流 ，,取决于,15,节流时状态在致冷区 则T 下降， 节流时状态在致温区 则T上升或下降取决于p 的大小 当气体温度T Ti,max或 T Ti,min，节流后T上升 如：,常温节流后T上升，T2T1,.,.,.,实验转回曲线,Timax,Timin,p0,致温区,致冷区,h1,h3,h2, 转回温度 节流后温度不变的状态的温度,16,17,只要Q不大于Q，并不违反第一定律,?,2-4 过程的方向性与热力学第二定律,热力学第一定律指出，能量不能产生也不会消灭，但可以从一种形式转变为另一种形式，其能量平衡关系式就是热
6、力学第一定律表达式。,热力学第一定律只说明能量形式的变化及变化时数量关系，并未指明能量转变的方向；也没有提供能量转变及传递的条件。,18,？,电流通过电阻，产生热量,对电阻加热，电阻内产生反向电流 电能不大于加入热能，不违反第一定律。,不计摩擦，抽去隔板 和放下隔板不违反第 一定律。,?,？,重物下落，水温升高; 水温下降，重物升高到原位 只要重物位能增加小于等于水降内能减少，不违反第一定律。,19,热力学第二定律概括了人类对热力过程方向性的经验， 是基本的自然定律，它不能从任何其它定律推导出来。,热力学第二定律存在着各种不同的表达形式，每一种说 法都是根据观察客观事物的经验总结。热力学第二定
7、律的 各种表达形式都是等效的。,开尔文-普朗克说法：从一个热源吸取热量，而使之全部 变成机械能的循环发动机是制造不出来的。,克劳修斯说法：热量不可能自发地从低温物体传向高温 物体。,喀喇氏说法：“从系统的一个给定状态出发，在其邻近 的区域内必然有这样的状态，它们是不能从给定的状态经 绝热过程而达到的。”,喀喇氏说法虽抽象，但更具有普遍意义。,20,等效性证明,取 i-j 为可逆绝热过程;i-h 为绝热过程， h-j为定容过程，构成循环i-h-j-i。,循环净热量,但,违反开尔文-普朗克说法,热力学第二定律的实质: 表达了自然界中自发过程的方向性与不可逆性。 自发过程可行； 自发过程的逆过程必须
8、有补偿过程同时存在； 故自发过程不可逆。,21,自发过程方向性：各种过程总是朝着一个方向孤立系 统总是从不平衡态朝平衡态方向进行，不能自发地反向 进行，孤立系统达到平衡后，一切宏观变化停止。 自发过程不可逆性当系统达到平衡态后，在无外界影 响的条件下，决不会自发地变为非平衡态。,从微观角度看，在某一瞬间，也许会发生如能量倒转 传递这样的事件。 从宏观角度看，自然界一切热过程具有方向性与不可 逆性是完全正确的客观真理。从有限时间（宏观很短，但 微观上足够长的时间间隔）和具有大量粒子，占有一定的 体积体系来看，由宏观观察所得到的热力学第二定律的结 论在指导工程实际中是完全正确的。,22,2-5 熵
9、方程和孤立系熵增原理,等号适用于可逆循环， 不等号适用于不可逆循环。,克劳修斯不等式：,热量的符号以工质为基准。,一、克劳修斯积分与熵,热源温度,由克劳修斯不等式可导得状态参数熵的定义式,23,据定义,系统与外界交换热量；,据理想气体的熵变计算式,考察自由膨胀,无热、质交换不可逆使系统熵增加。,二、系统熵变化的原因,熵是广延性质的参数系统与外界交换质量；,p2, v2,24,三、闭口系熵方程,或,等号适用于可逆过程,不等号适用于不可逆过程,（热）熵流 吸热为正，放热为负,熵产不可逆时永远为正，可逆时为零,熵流和熵产,25,闭口系（定质量系统）的熵方程,讨论：,1、系统的熵增（或熵变）只取决于系
10、统的初、终态；但熵流和熵产不只取决于系统的初、终态，与过程有关，而且熵产永远不小于零；,2、对于任何可逆过程,3、对于任何绝热过程， ，,或,4、系统与外界传递任何形式可逆功时，都不会引起系统熵的变化，也不会引起外界熵的变化。,26,三、开口系熵方程,流入控制体的熵 - 流出控制体的熵+控制体熵产 =控制体熵的变化。,27,稳态稳流：,绝热稳定流动：,例2-6.ppt,例2-5.ppt,28,对于孤立系统,或,孤立系统熵增原理表达式，也是热力学第二定律的数学表 达式。,孤立系统内进行的一切实际过程虽然使孤立系统的总能量保持 不变，但使熵增加熵增原理。,讨论：,1、熵增原理可作为过程方向性的表述
11、：对于绝热的闭口系统或者具有相互热作用的复合系统组成的孤立系统，熵是绝对不会减少的。因此使孤立系统和闭口绝热系熵减少的过程是不可能发生的。,四、孤立系熵增原理,2、熵增原理是个不守恒定律，只有在可逆过程中，孤立系统的熵才守恒。,29,3、正是由于发生了不可逆过程，才使孤立系统的熵增大，不可逆的程度愈大，熵的增加也愈大。因此，可以用孤立系统的熵增来度量过程不可逆的能量耗散效应。,4、当孤立系统的熵达到最大值时，系统达到平衡。孤立系统总是由不平衡状态向平衡状态过渡，其熵值不断增大，达到平衡时，一切变化停止，熵也达到最大值。,例2-4.ppt,管内流动方向,30,用一组等熵线分割循环,可逆小循环 不
12、可逆小循环,可逆小循环部分：,不可逆小循环部分：,o,p,v,B,.,.,.,.,.,.,.,.,1,2,.,.,A,克劳修斯积分不等式和热力学第二定律数学表达式,回顾, 克劳修斯积分不等式,31,可逆部分+不可逆部分,可逆 “=” 不可逆“”,注意：1）Tr是热源温度； 2）工质循环，故 q 的符号以工质考虑。,结合克氏等式，有,克劳修斯不等式,令分割循环的可逆绝热线无穷大，且任意两线间距离0，则,32,？, 第二定律的数学表达式,33,所以,可逆“=” 不可逆，不等号,第二定律数学表达式,讨论： 违反上述任一表达式就可导出违反第二定律,热力学第二定律数学表达式给出了热过程的 方向判据,34
13、,a),b) 若热源相同，则说明,或热源相同，热量,相同，但终态不同，经不可逆达终态s2 s2（可逆达终态），如：,q = 0,并不意味,因为,35,2-6 能量转换的特性,各种不同形式的能量对人类的有用程度不同 能量的转换过程具有方向性与不可逆性,工程应用中，热力学第二定律具有特殊意义。,一、能量转换的限度,热量转变为功的限度,或,循环过程中从热源吸取的热量q不能全部 转换为功，其最大值为 。,36,热力学能转换为有用功的限度,闭口系统绝热过程，系统由初态1变化到终态2，热力学能转化为功:,初态一定时，其终态2不能随意给出:,绝热系统热力学转换为有用功最大值为,相反，任意数量有用功可以通过耗
14、散 全部转换为热力学能。,能量转换的非对称性机械能和电能 可以不受限制地转换为热力学能；但即使是 可逆过程热力学能和热量不能全部转换为功。,37,二、能量转换的规律, 能量转换程度作为准则,1、无限转换能,2、有限转换能,3、非转换能, 一切形式的能量由和火无组成，是能量的属性。,能量,可转换为任何其他形式能量的部分,能量中无法转变为的部分火无,在给定的环境介质下,能量=+火无，其中每一组成部分可分别为零。, 根据和火无，热力学第二定律也可表述为：,（1）一切不可逆过程中，必有转化为火无。,（2）由火无转化为的过程是不可能的。,（3）孤立系统的减不增。,38,一切过程都是不可逆的，转变火无是无
15、法改变的， 无限转换能（）的储存会不断地减少，所以人类 活动不能建立在无节制向自然界的索取上。,环境参数对能量转换的影响, 环境介质作为一个无限蓄热系统，认为它永远处于平衡状态，而参与一切热力过程，即它能吸收热量或放出热量而不改变其强度参数T0及p0。, 环境中积聚的能量是无法利用的，全球海水质量约为 m=1.421021kg，如海水温度降低3.36 106K ，其热力学能减小量相当于20世纪80年代中期全球一年用电量。, 系统与环境平衡的状态称为“死态”，在死态系统的热 力学能完全丧失转变为机械能的能力。因此，各种形式能量中可转变为功的部分的计算都以环境状态为基点。,39,三、系统能量分析方法, 目的：确定系统各部位的能量损失的性质、大小， 提高系统或装置对能量利用的效率。, 方法：第一定律分析法和第二定律分析法, 依据能量在数量上守恒； 方法计算各部位能量转换、传递、利用 和损失的数量，确定该系统的能量利用或 转换效率； 特征能量数量上的平衡，考虑了能量数量 利用程度，反映能量数量的“外部损失”。 如蒸汽动力装置热平衡揭示
