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1、第二章:热力学基本定律,热力学第一定律的本质,热力学第一定律说明了功热变换的数量关系. 热力学第一定律表达了能量在传递和转化过程中的守恒性,是自然界必须遵循的普遍规律之一。,热力学第二定律的意义,第二定律说明了能量不但有数量关系还有品质关系. 第二定律表达了能量在传递和转化过程中的不可逆性,能量可以相互转化,但不同能量的转换能力是不同的。,能量与能量守恒的发现,18世纪,意大利外科医生高瓦尼(Luigi Galvani, 1737-1798)发现,带电金属块可使死青蛙的腿抽动电创造了生命? 物理学家伏达(Alessandro Volta, 1745-1827)认识到这不过是由于电流的通过引起的
2、,1800年发明了“伏达电极”,世界上第一个“化学电池”:电流从化学反应中产生;,热力学第一定律,能量与能量守恒的发现,19世纪30年代,法拉第(Michael Faraday, 1791-1867)发现了其逆效应,即电流可以驱动化学反应,电流也可以产生光和热;,能量与能量守恒的发现,1819年丹麦物理学家奥斯特(Hans Christian rsted, 1777-1851)发现电流还可以产生磁场 ; 1822年,德国科学家塞贝克(Thomas Seebeck, 1770-1831)发现了“热电效应”,由热效应可产生电流 ;,热力学第一定律,能量与能量守恒的发现,1831年,法拉第发现变化的
3、磁场可以产生电流 ; 所有这些发现将热、电、磁、化学反应交织在一起,也使人们认识到在这些变化中有一种不可消灭的“能量”在传递。,能量与能量守恒的发现,1787年,拉瓦锡(A.L. Lavoisier)提出热质(Caloric)一词,后来进一步发展为热质说 焦耳(James Prescott Joule, 1818-1889),生于曼彻斯特市郊酿酒厂老板家庭,没有受过正规教育; 他20岁研制磁电机,试图代替父母酿酒厂中的蒸气机但没有成功,但发现了电流可以作机械功,也产生热。,热力学第一定律,能量与能量守恒的发现,1840年,焦耳开始研究电流热效应,1844年要求在英国皇家学会宣读论文但遭拒,18
4、47年在牛津的科学技术促进协会上介绍了实验结果,1849年6月21日作了一个热功当量的总结报告。1850年,实验结果已使科学界公认能量守恒。,做功使系统温度升高,散热使系统平衡,发现在热力过程中,热功总量是不变的,热可以变成功,功可以变为热。,焦耳汤母逊实验,1.1. 第一定律的实质,热力学第一定律的实质是能量守恒定律。 是能量守恒定律在热力学领域的具体应用。它表明,热过程中热能可以转变为功,功也可转变为热,但在转变过程中热功数量的总和是不变的。,1.2.热力学第一定律的一般表达式,能量守恒一般可写成: 进入系统的能量 流出系统的能量 系统内部能量的增量 对于一个封闭系统闭循环过程 称为系统的
5、内能,也称系统的热力学能。,内能工质微观粒子所具有的能量,包括:内动能,内位能,内动能与温度有关 内位能与分子间距有关(d) 因此:U=U(T,v) 单位: kJ, J 内能是状态参数;单位质量工质的内能称比内能(强度量) (kJ/kg) 闭系的能量守恒定律表达式: (第一定律的表达式),一个气缸活塞系统是一个典型的闭口系统,如果给气缸供热:dQ 活塞移动对外做功:dW 活塞内气体增加的内能为:dU 由能量守恒定律得:,对于可逆过程dw=p dV dQ = dU + p dV,1.3 系统总能量,在参考坐标系中,热力系作为一个整体,由于宏观运动速度不同,或在重力场中高度变化,而储有外部能量。
6、外部能量包括 宏观动能: 重力位能: 系统总能量是内部能量与外部能量之和,对单位工质:,一般情况下,只有内能,但在高速(如喷管)和高位情况下要考虑内外能。 考虑了外能及内能作为总能之后,第一定律表达式为:,上式对任意系统都成立,是能量守恒定律的具体运用。,1.4 稳定流动系统的能量方程,稳定流动系统是指热力系内各点参数不随时间变化的系统。 特征:进出口工质状态不变; 进出口工质流量相等; 与外界交换能量不变。 ()推动功、流动功 考察如下图的一个稳定流动系统,(外界对系统作功为负),把V1m1的流体压入系统,外界要做功(推动功),同理,系统要将V2m2这段气体推出系统,要做功,进出口推动功(推
7、功流体流动外界所需要的做的功)之和为流动功,是维持流动所需的。,()稳定流动系统的能量方程,设在时间内,系统吸热,外界对系统作功sh。 m1流进,m2流出,显然m1=m2=m 由工质进入带入的能量: 由工质流出带出的能量: 系统除维持工质流动之外,还通过机器的轴向外输出轴功,如蒸汽机的叶轮。,因此系统与外界交换的总功为:,对稳定流动情况,进出系统能量之和为零*:,为方便计算,引进一状态参数 pV(称为焓) 它是一个状态参数,由状态参数构成;焓是开口系中流入或流出工质所带的基本能量。,状态参数焓,于是:,对于一个微小过程:,对单位工质而言:,()技术功,令 技术功是技术上可以利用的能量 所以:
8、进行变换:,比较闭系的能方程: t(p) 技术功与流动功均是膨胀功转化而来 t(p) 等于膨胀功减去流动功,对于可逆过程:,1.5 能量方程式的应用,第一定律的能量方程式,是能量守恒定律应用于热力过程的数学描述,是一切过程必须遵守的,但对不同的过程,有不同的形式:下面以几种典型设备为例进行具体分析。,()热力发动机*,主要是叶轮式机械(包括:内燃机、蒸汽机、燃气轮机等)由时间短,进出口的高差不大,速度变化不大,传热散热可忽略,所以基本方程,可简单写为:,这说明,对外轴功来源于工质进出口焓降。,透平机原理图,*,()压气机,对于耗功机械,如压气机,水泵等,有少量放热。(略有散热),所以:,如果不考虑散热 Wsh=-(h2-h1) (应取负值)。,(2)喷管,喷管是使气体加速的设备,主要是一个变截面的流道,对稳流,高速情况,散热可忽略:q,气流流过喷管时无净功输入输出 sh 高度差 ,所以,因此有,()热交换器,取间的流体分析,方程变为*:,换热器表面两边的流体各构成一个开系,对34的流体同样可写出:,换热总量相等,代入上面公式,得,所以有:,(5)绝热节流过程,流体流动截面突然缩小,称之为节流(如:阀门,孔板)。这是一个典型的非平衡过程,有摩擦、涡流等。,之间流体组成的热力系 时间短: 进出口速度一样: 进出口无高差: 无功输出 所以,绝热节流前后焓值不变,