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1、第二章 热力学基本定律第 一 定 律 能 量 方 程 第 二 定 律 卡 诺 循 环热力学第一定律的实质 热力学第一定律的实质是能量转换与守恒定律在热现象上的应用。热是一种能量热功当量实验分子运动学说热是物质分子及原子等微粒杂乱运动的能量 热力学第一定律的几种表述 当热能与其他形式的能进行转换时，能的总量保持 不变； 在孤立系统中，能的形式可以转换，但能量总值不 变；第一类永动机是不可能制成的。 不供给能量而能永远对外做功的机器。热力学第一定律应用于任一热力系统：进入系统的能量离开系统的能量系统储存能量的增量热力学第一定律的表达式能量的传递形式传热做功与过程 有关与进入状 态相关与离开 状态相
2、 关与过程 有关系 统物质进入带入能量物质离开带出能量功系统与外界相互作用而传递的能量，若其全部效果可表现为使外界或物体改变宏观运动状态 ，则这种传递的能量称为功；单位：焦耳（J）。-+系 统外界对系统做功系统对外界做功思考题1拔掉销钉后，系统向真空 膨胀，系统是否做功？真 空p2 pQ刚性容器，加热后系统内 压力升高，系统是否向外 做功？气体对外膨胀所做的功称为膨胀功，气体 受到压缩时外界对气体 所做的功称为压缩功， 两者统称为体积功或容 积功。体积功pRdx气缸内有 m kg气体 ，活塞面积为A由1到2完成的容积功为：单位质量气体做的功:体积功当活塞移动微小距离dx，气体所做容积功：p1(
3、p1，v1)2(p2， v2)dvv 以上体积功计算适用于任意可逆过程，条件是已知初、终态和过程函数表达式。 pv图也称为示功图。 功是一个过程量。体积功如图所示，气缸初始状态下：Q现对气缸加热，使气体膨胀至： 已知：初始状态下，弹簧与气缸接触但 不受力，弹簧刚度大气压力：活塞面积：求：1) 气缸内终了压力和气体做的功？2) 若活塞与气缸间有摩擦力 存在，气体做的功是多少？例题解：设：准静态过程终了状态为平衡状态，活塞两侧的受力相等取气缸内的气体为系统，气缸内壁为边界利用示功图求解若活塞与气缸间存在摩擦，不可逆因素出现在系统外， 为外部不可逆过程，这时气体需要抵抗外力 做功。在工程实际中，将活
4、塞和气缸作为整体考虑，注重整套装置的有效输出功，这时，摩擦成为内部不可逆因素，系 统对外做功：但是由于内部摩擦的存在，使得气体必须克服摩擦做功，因此气体必须做功：-+系 统系统吸热系统放热热 量系统与外界之间仅仅由于温度不同而传递的能量称为热量，单位：J。 热量不是系统的状态参数，而是一个与过程 特征有关的过程量。热 量T-s图也称为示热图1 (T1，S1)2 (T2，S2)TSQ储存能物质本身具有的能量称为储存能。外部储存能动 能位 能与系统整体宏观运 动有关的能量储存能 内部储存能与物质的分 子结构及微观运 动形式有关物理内能 化学内能 核能储存能是广度参数如图所示，若 工质完成1a2b1
5、这个 循环，即工质回复了 原来状态，系统储存 能的变化为零。12pvbcav物理内能物理内能包括内动能和内位能。内动能包括分子移动动能、转动动能和粒子振动动能；内位 能是分子间的引力位能。内能是广度参数，状态参数。工质不流动的热力过程，按封闭系统处理较为方 便。封闭系统示意图WQ U封闭系统的能量方程设气体从状态1变化到状态2，变化过程中吸 热Q，对外做功W。忽略动能和位能变化，由热力学第一定律有：对微元过程有：对单位质量工质：以上各式适用于任何工质及过程。 封闭系统的能量方程对于可逆过程，在pv图上用连续曲线表示， 则：敞开系统示意图12dx1如图所示,选截面1-截面2内工质为热力学系统 ，
6、在d时间内，流进dm1工质，流出dm2工质。敞开系统的特点 能量交换。除做功和传热外，借助工质的流动传递工质本身具有的能量； 要考虑质量平衡； 功=容积功+推动工质出入系统的推动功；敞开系统推动功kg :推动质量进出系统的推动功，即保证质量流动耗费的功。敞开系统的能量方程 系统吸热:Q 流入工质带入能量进入系统的能量： 上游工质所做的推动功敞开系统的能量方程 系统所做轴功：Ws 流出工质带出能量离开系统的能量： 系统推动工质流出的推动功敞开系统的能量方程应用热力学第一定律敞开系统的能量方程式中：敞开系统的能量方程令：能量方程式变为：物理意义：工质流动时与外界传递的与热力 状态有关的总能量。焓是
7、状态参数，具有状态参数的一切性质。 当工质不流动时， pV不再是流动功，而 焓作为状态参数仍存在。可理解为三个状态参数 的组合。焓在流动过程中，系统内任一点处，工质的热 力参数和运动参数都不随时间而变化。三个条件：系统进出口状态不随时间而变化；进出口质量流量相等。系统内储存的能量不变。稳定流动过程当热力设备在不变的工况下工作时，工质的 流动过程可视为稳定流动，只是在开车和停车阶 段为不稳定流动。对连续周期性动作的热力设备（如活塞式机 械），如果单位时间工质的平均流量保持不变， 传热量和轴功的平均值也保持不变，也可用稳定 流动能量方程分析其能量转换关系。稳定流动过程的工程应用将稳定流动的条件代入
8、能量方程，有稳定流动能量方程单位质量工质对微元过程与封闭系统能量方程比较稳定流动的能量方程若令则能量方程与封闭系统相同。把 理解为由 热量转变来的机械能，等于工质膨胀功。技术功wt对微元过程 ：技术功是流动过程中可资利用的机械能，等于膨胀功与流动功之差。若忽略动能和位能的变化，技术功和轴功相等。稳定流动系统能量方程又可写成适用于任何工质的任何稳定流动过程对于可逆过程，技术功为技术功wt1pv2vdpdp 0, wt0 dp = 0, wt=0技术功过程曲线与纵轴围成的平面的面积。技术功wt机械能守恒式对于可逆过程，有对有摩擦的准静态过程，考虑摩擦功wF，=0Bonulli方程，反映了压力、流速
9、、位能及摩擦阻 力之间的关系应用能量方程分析实际问题时，应具体问题具体分析，采取合理的假设和简化，简便、合理地计算能量的转换。能量方程的应用汽轮机汽轮机叶片wS=h1h2=wth1h2wS12工质流经汽轮机、燃气轮机等动力机时，压力降低 ，对机器做功；工质进出口 的速度相差不多，动能差很 小，可以不计；对外界略有 散热损失，q 是负的，但数 量通常不大，也可忽略；位 能差极微，可以不计。（1）动力机工质流经压缩机时，机器对工质作功，使工质升压；工质对外界略有散热，wS和q 都是负的；动能差和位能差可忽略不计。从稳定流动能量方程式可得机器对每kg工质作功wS为： h2h1wSwS q-( h2-
10、h1)（2）压缩机工质流经锅炉、换热器等热交换器时，和外界有热量交换而无功的作用，动能差和位能差也可忽略不计。qh1h2（3）换热器qh2h1若工质流动是稳定的，1kg工质 吸热量:工质流经诸如喷管、扩压管等管道时，不对设备作功。位能差很小，可不计；因喷管长度短，工 质流速大，来不及和外界交换热量，故热量交换也 可不计。c1,h1c2,h2（4）变截面管道若工质流动是稳定的，1kg工质动 能的增加为：（5）节流工质流经阀门时流动截面突然收缩，流速加快，这种流动称为节流。由于存在摩擦和涡流，流动 过程不可逆。在离阀门不远的两个截面处，工质的 状态趋于平衡。设流动是绝热的，前后两截面间动 能差和位
11、能差忽略不计，又不对外做功，则对两截 面间工质应用稳定流动能量方程式，可得节流前后 焓值相等，即：h1h21122例 题例112345空气压缩机换热器喷管气轮机q换热器吸热:空气流量求:1)压缩机功率；2)喷管出口流速；3)气轮机功率；4)整 套装置功率过程中忽略位能变化压缩机绝热压缩:气轮机绝热膨胀:1) 压缩机功率（取压缩机内的工质为系统）2) 喷管出口流速（取换热器和喷管内的工质为系统）工质在整套装置内的流动为稳定流动，应用稳定流 动能量方程求解。解：4) 整套装置功率* 将整套装置取为系统3) 气轮机功率（取气轮机内的工质为系统）例2 图示气缸中充有空气，气缸截 面积A=100cm2，
12、活塞距底面高度 L=10cm，活塞及其上负载的总质量 是195kg，当地大气压p0=0.1MPa， 环境温度T0=27，气体与外界处 于平衡状态。现把重物取走100kg, 活塞将突然上升，最后重新达到平 衡。设活塞和气缸之间无摩擦，气 体与外界充分换热，求活塞的上升 距离和气体与外界的换热量。例 题取空气为系统。解：由热力学第一定律：依题意有：T2=T1，内能不变。作业第二章思考题：第2、3、4、5、6题 第二章习题：第1，4，6题。热力学第二定律的引入满足热力学第一定律的过程并不是都能实现的，即自然过程是有方向性的。热力学 第二定律研究热力过程方向条件限度自发过程 传热其它过程： 气体自由膨
13、胀：高压气体向低压处膨胀 混合：气气，液液 燃烧反应过程机械能热自发过程一切实际的热力过程都具有方向性，只能单独自动地朝一个方向进行，这类过程称为 自发过程；而其逆方向的过程不能单独自动进 行，这类过程称为非自发过程。若要非自发过程得以实现，必须附加某些 补充条件，付出一定的代价。热力学第二定律的分析高温低温热量传递非自发 过程自发过 程消耗功热力学第二定律的分析热转变非自发 过程自发过 程功向低温热源放热热力学第二定律的分析热100%转变自发过 程功气体压力降低理想气体定温膨胀 Q=U+W热力学第二定律的表述Clausius： 热量不可能自动地、无偿地从低温物体传至高温物体；KlvinPla
14、nk：不可能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之完全转变为有用 功，而其它物体不发生任何变化；第二类永动机*是不可能制成的.第二类永动机：只从单一热源吸热就能连续 工作而使热完全转变为功。热力学第二定律的实质自发过程是不可逆的；若要非自发过程得以实现，必须伴随一个适当的自发过程作为补充条件。T1T2AQ1Q2W0Q2Q1AW0T1T2Q2BQ1+Q2热力学的各种表述是等效的卡诺热机（正向卡诺循环）热机热 源低温系统吸 热放 热做 功卡诺循环是在两个恒温热源T1和T2之间，由两个定温可逆过程和两个绝热可逆过程交替组成的循环。 定温膨胀 可逆绝热压缩 定温压缩 可逆绝热膨胀卡诺循环T
15、ST1T2S1S21234卡诺热机（正向卡诺循环）卡诺热机的热效率：热机热 源低温系统吸 热放 热做 功 热力学第二定律表明，任何循环的热效率都小 于一。卡诺热机（正向卡诺循环）卡诺热机的热效率：热机热 源低温系统吸 热放 热做 功卡诺制冷机（逆向卡诺循环）卡诺制冷机的制冷系数：热 源制冷机低温系统放 热吸 热做功卡诺热泵（逆向卡诺循环）卡诺热泵的供暖系数：热泵热 源低温系统放 热吸 热做功卡诺定理定理一 在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源间工作的一切可逆循环，其热效率相等，且与循环工质的性质无关。定理二 在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于相应
16、可逆循环的热效率。 由卡诺定理得到的重要结论1.卡诺循环热效率只取决于高温热源和低温热源 的温度，即工质吸热和放热的温度。提高T1或降 低T2均可提高热效率。2.任何循环的热效率均小于1。3.T1=T2时，循环热效率为零，说明只从单一热源 吸热是不可能把热转变成功的。4.要提高实际装置的热效率，必须尽可能减少摩 擦等不可逆功损失。多热源的可逆循环ABCD例题冬季室外温度-10，为 保持室内温度20，需要向室 内供热7200kJ/h。试计算：(1)若采用电暖气供暖， 需要电功率为多少？解： （1）取室内空气为系统(2)若采用逆向卡诺循环机供暖，则供暖机功率为多少？例题解：外界热泵？外界热泵热源热机环境(3)若该供暖机由另一正向卡诺热机带动，其高温热 源温度500K，低
