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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,
