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1、1,第二章 热力学第一定律和热力学第二定律,2.1 热力学第一定律及其解析式,2.2 稳定流动能量方程式,2.3 热力学第二定律,2.4 熵方程和孤立系统熵增原理,2.5 能量的作功能力、火用,2,2.1 热力学第一定律及其解析式,热是能的一种,机械能变热能,或热能变机械能的时候,他们之间的比值是一定的。 或: 热可以变为功,功也可以变为热;一定量的热消失时必定产生相应量的功;消耗一定量的功时,必出现与之相应量的热。,热力学第一定律的本质是能量守恒与转换定律。,2.1.1 热力学第一定律的表述和一般关系式,热力学第一定律,3, 热力学第一定律的解析式,加入系统的能量总和热力系统输出的能量总和
2、= 热力系总储存能的增量,E,E+dE,流入:,流出:,内部贮能的增量:dE,4,或,E,E+dE,6,讨论:,1)对于可逆过程,2)对于循环,3)对于定量工质吸热与升温关系,还取决于W 的 “+”、“”、数值大小。,4302661,*4303771,7,注意:区分各截面间参数可不同。,1)各截面上参数不随时间变化。,2)ECV = 0, SCV = 0, mCV = 0,2.2.1 稳定流动特征,2.2 稳定流动能量方程式,8,流入系统的能量,流出系统的能量,系统内部储能增量 ECV,=,考虑到稳流特征: ECV=0 qm1= qm2= qm; 及h = u+ pv,2.2.2 稳定流动能量
3、方程式,9,讨论:,1)改写式(B)为式(C),热能转变 成功部分,输出轴功,流动功,机械能增量,(C),10,2)技术功,由式(C),技术上可资利用的功 wt,可逆过程,11,3) 热力学第一定律第二解析式,可逆,12,因绝热,据,1) 伯努利方程,流体在通道中一维稳定绝热流 动,截取的控制体积列能量方程,2.2.3 稳定流动能量方程式应用,13,如果液体静止,流体静力学方程,若流体不可压缩,进口截面流体总能量加上输入的轴功等于流出截面的总能量,0,理想流体伯努利方程,14,2) 绝热滞止,对于气体工质,忽略位能,绝热滞止,滞止(总)焓,15,3)蒸汽轮机、燃气轮机,流进系统:,流出系统:,
4、内部储能增量: 0,4) 压气机,水泵类,流入,流出,内部储能增量 0,16,流入:,流出:,内部储存能增量: 0,若忽略动能差、位能差,5)换热器(锅炉、加热器等),A4312661,A4332771,A4131333,17,2.3 热力学第二定律,2.3.1 自发过程的方向性,只要Q不大于Q,并不违反热力学第一定律,Q,Q,?,18,重物下落,水温升高; 水温下降,重物升高? 只要重物位能增加小于等于水降内能减少,不违反热力学第一定律。,电流通过电阻,产生热量,对电阻加热,电阻内产生反向 电流? 只要电能不大于加入热能,不 违反热力学第一定律。,19,归纳:1)自发过程有方向性; 2)自发
5、过程的反方向过程并非不可进行,而是 要有附加条件; 3)并非所有不违反热力学第一定律的过程均可进行。,能量转换方向性的 实质是能质有差异,无限可转换能机械能,电能,部分可转换能热能,不可转换能环境介质的热力学能,20,能质降低的过程可自发进行,反之需一定条件-补偿过程,其总效果是总体能质降低。,代价,代价,21,2.3.2 热力学第二定律的两种典型表述,1.克劳修斯叙述热量不可能自发地不花代价地从低温 物体传向高温物体。 2.开尔文-普朗克叙述不可能制造循环热机,只从一 个热源吸热,将之全部转化为功,而 不在外界留下任何影响。 3.热力学第二定律各种表述的等效性,T1 失去Q1 Q2 T2 无
6、得失 热机净输出功Wnet= Q1 Q2,A344155,22,2.3.3 卡诺循环,1) 卡诺循环,是两个热源的可逆循环,可逆绝热压缩,可逆等温吸热,可逆绝热膨胀,可逆等温放热,1 2,2 3,3 4,4 5,2) 卡诺循环热效率,23,讨论:,2),3),第二类永动机不可能制成。,4)实际循环不可能实现卡诺循环,原因: a.一切过程不可逆; b.气体实施等温吸热,等温放热困难; c.气体卡诺循环wnet太小,若考虑摩擦, 输出净功极微。,5)卡诺循环指明了一切热机提高热 效率的方向。,1),即,循环净功小于吸热量,必有放热q2。,24,3) 逆向卡诺循环,制冷系数:,Tc,T-Tc ,供暖
7、系数:,TR,TR-T0 ,25,*4) 多热源可逆循环 1. 平均吸(放)热温度,注意:1)Tm 仅在可逆过程中有意义,2. 多热源可逆循环,2),26,定理1:在相同温度的高温热源和相同的低温热源 之间工作的一切可逆循环,其热效率都相 等,与可逆循环的种类无关,与采用哪种 工质也无关。 定理2:在同为温度T1的热源和同为温度T2的冷源 间工作的一切不可逆循环,其热效率必小 于可逆循环热效率。 理论意义: 1)提高热机效率的途径:可逆、提高T1,降低T2; 2)提高热机效率的极限。,A440155,2.3.4 卡诺定理,27,循环热效率归纳:,适用于一切工质,任意循环,适用于多热源可逆循环,
8、任意工质,适用于卡诺循环,任意工质,讨论: 热效率,28,2.4 熵方程和孤立系统熵增原理,2.4.1 熵的导出,可以证明,任意可逆过程可用一组 初、终态相同的由可逆 绝热及等温过程组成的过程替代。如图,1-2可用1-a,a-b-c及c-2代替。,用一组等熵线分割任意可逆循环, 由可逆 绝热及等温过程组成的过程替 代小循环中的任意过程,考察其热效率,1)熵是状态参数的证明,29,讨论: (1)因证明中仅利用卡诺循环,故与工质性质无关; (2)因s是状态参数,故s12=s2-s1与过程无关;,克劳修斯积分等式, (Tr热源温度),s是状态参数,令,(3),令分割循环的可逆绝热线无穷大, 且任意两
9、线间距离0,可逆,30,4. 克劳修斯积分不等式,用一组等熵线 分割任意循环,可逆小循环 不可逆小循环,可逆小循环:,可导得不可逆循环:,可逆部分+不可逆部分,可逆 “=” 不可逆“”,注意:a.Tr是热源温度; b.工质循环,故 q 的符号以工质考虑。,结合克氏等式,有,A443233,克劳修斯不等式,31,2.4.2 熵流和熵产,1.热力学第二定律的数学表达式,32,所以,可逆“=” 不可逆,不等号,热力学第二定律数学表达式,讨论 (1) 违反上述任一表达式就可导出违反第二定律;,(2)热力学第二定律数学表达式给出了热过程的 方向判据;,(3),并不意味,因,33,其中,吸热 “+” 放热
10、 “”,系统与外界 换热造成系 统熵的变化。,(热)熵流,sg熵产,不可逆 “+” 可逆 “0”,系统进行不可逆过程 造成系统熵的增加,非负。,2.熵流和熵产,34,以传热为例,若TA = TB,可逆,取A为系统,取B为系统,35,若TATB,不可逆,取A为系统,所以,单纯传热,若可逆,系统熵变等于熵流;若不可逆系统熵变大于熵流,差额部分由不可逆熵产提供。,A4221441,36,考虑系统与外界发生质量交换,系统熵变除(热)熵流、熵产外,还应有质量迁移引起的质熵流,所以熵方程应为: 流入系统熵流出系统熵熵产=系统熵增,其中,流入 流出,热迁移 质迁移,造成的,热 质,熵流,2.4.3 熵方程和
11、孤立系统熵增原理,1.熵方程及其核心,37,流入,流出,熵产,熵增,熵方程核心: 熵可随热量和质量迁移而转移;可在不可逆过程中自发产生。由于一切实际过程不可逆,所以熵在能量转移过程中自发产生(熵产),因此熵不守恒,熵产是熵方程的核心。,38,2.闭口系熵方程,闭口绝热系:,可逆“=” 不可逆“”,闭口系:,绝热稳流开系:,3.稳定流动开口系熵方程(仅考虑一股流出,一股流进),稳流开系:,A140155,39,4.孤立系统熵增原理 由熵方程,因为是孤立系,可逆取 “=” 不可逆取“”,孤立系统熵增原理: 孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加,其极限一切过程均可逆时系统熵保持不变。,讨论: (1)
12、孤立系统熵增原理Siso=Sg 0,可作为热力学第二定律 的又一数学表达式,而且是更基本的一种表达式;,(2)孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系;,40,(3) 一切实际过程都不可逆,所以可根据熵增原理判别过程进行的方向;,(4) 孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能,即任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均可造成机械能损失,而任何不可逆过程均是Siso0,所以熵可反映某种物质的共同属性。例,a.,传热过程,R “=” IR “”,若不可逆,TATB,,以A为热 源,B为冷源,利用热机可使一 部分热能转变成机械能,所以 孤立系熵增大意味机械能损失,41,R “=”,IR “”,不可逆使孤立
13、系熵增大造成后果是机械能(功)减少,b.热能,机械能,热源:失q1,冷源:得q2,热机:输出wnet,孤立系熵增意味机械能损失,A340133,A440233,42,2.5 能量的作功能力、火用,系统处于与环境不平衡状态时,可利用与环境势差作功。 当系统完全处于与环境平衡状态时,就失去了作功的能力。 系统仅与环境介质发生热交换、可逆地过渡到与环境平衡 状态时作出的最大有用功称为物质系统的作功能力,又称火用。,机械能、电能全部是火用,环境介质中的热能全为火无。不同形态能量或物质,处于不同状态时,包含的火用和火无比例各不相同。,任何能量E都由火用和火无两部分组成,即,2.5.1 热量的可用能热量火
14、用,利用可逆机吸收物体自A变化到B放热量,经等熵膨胀,向环境 等温放热,再等熵压缩返回初态,所得循环净功即为热量火用。,热源传出的热量中理论上可转化为最大有用功的热量。,43,因T0基本恒定,故quns12,讨论: 1)qa是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最 高分额,称为热量火用;,2)qun是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分, 是热能的一种属性,环境条件和热源确定后不 能消除减少,称为热量火无;,44,3)与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力,但循环中排向低温热源的热量未必是废热,而环境介质中的内热能全部是废热(火无)。 4)冷量(低于环境温度的物体转递的热量)的作功能力称为冷
15、量火无。 5)qa 与热源放热过程特征有关,因此qa 从严格意义上讲不是状态参数。,*2.5.2 闭口系作功能力热力学能火用,设计系统过渡到环境态的过程:,1,a,a,可逆绝热膨胀,0,可逆等温过程,45,过程1-a,过程 a-0,过程1-a-0中系统排斥大气作功,过程1-a-0中系统作出的最大有用功,即作功能力,46,1)相对于p0,T0, wu,max是状态参数, 称之为热力学能火用,用Ex,U(ex,U)表示。,3)pp0,TT0时物系的作功能力,4)是否可设计不同的途径求最大 有用功?不同途径求得的最大有用 功是否相同? 可以,但求得的最大有用功必 相同。?,如:真空系统作功能力= p0V,2)从状态1状态2,闭口系的最大有用功。,讨论:,相当于图形面积,47,*2.5.3 稳流工质的作功能力,焓火用,忽略工质宏观动能及位能的变化, 1 kg