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1、第二章第二章 能量转换的基本概念能量转换的基本概念 和基本定律和基本定律第一节第一节 基本概念基本概念一一 热力系和工质热力系和工质 1、热力系、热力系 热力学中所研究的对象称热力学中所研究的对象称为热力学系统，简称热力系。为热力学系统，简称热力系。常见的热力系常见的热力系 (1)、闭口系：热力系与外界没有物质交换。（、闭口系：热力系与外界没有物质交换。（C.M) (2)、开口系：热力系与外界有物质交换。开口系：热力系与外界有物质交换。 (C.V) (3)、绝热系：热力系与外界无热量交换。绝热系：热力系与外界无热量交换。 (4)、孤立系：热力系与外界既无能量交换又无物质交换。、孤立系：热力系与
2、外界既无能量交换又无物质交换。 (5)、简单可压缩系：热力系与外界只有一种体积变化功的交换。、简单可压缩系：热力系与外界只有一种体积变化功的交换。 (6)、热源：无限大的热库，吸入热量和放出热量后，温度不变。、热源：无限大的热库，吸入热量和放出热量后，温度不变。热力系边界的特点热力系边界的特点固定边界固定边界移动边界移动边界真实的边界界面真实的边界界面假想的空间界面假想的空间界面2、工质、工质 实现能量相互传递与转换的物质（介质）称为工质。实现能量相互传递与转换的物质（介质）称为工质。 如：水蒸汽、如：水蒸汽、 内燃机中工作的燃气内燃机中工作的燃气 制冷剂制冷剂 常用的气态物质等。常用的气态物
3、质等。二二 平衡状态及基本状态参数平衡状态及基本状态参数1、平衡状态、平衡状态 在没有外界影响的条件下，热力系的宏观性质不随时间变在没有外界影响的条件下，热力系的宏观性质不随时间变 化的状态称为平衡状态（平衡态）。化的状态称为平衡状态（平衡态）。 若系统的各部分之间没有热量传递若系统的各部分之间没有热量传递,则系统处于则系统处于热平衡热平衡. 若系统的各部分之间没有相对位移若系统的各部分之间没有相对位移,则系统处于则系统处于力平衡力平衡. 处于平衡态的热力系，各处应具有均匀一致的温度、压力处于平衡态的热力系，各处应具有均匀一致的温度、压力等宏观物理量等宏观物理量。 实现实现热力平衡态热力平衡态
4、的条件（无化学反应等其它不平衡势）：的条件（无化学反应等其它不平衡势）： 温度平衡（热平衡）。温度平衡（热平衡）。 压力平衡（力平衡）。压力平衡（力平衡）。 处于平衡态的热力系可用确定的压力、温度等宏观的物处于平衡态的热力系可用确定的压力、温度等宏观的物 理理量来描述。量来描述。 2、状态参数及其特点、状态参数及其特点状态参数；状态参数； 描述热力系统所外状态的宏观物理量。描述热力系统所外状态的宏观物理量。状态参数的特征：状态参数的特征： 只取决于状态，与过程（路径）无关。只取决于状态，与过程（路径）无关。 数学特征数学特征 强度量状态参数：强度量状态参数： 与系统内所含工质数量无关的状态参数
5、。与系统内所含工质数量无关的状态参数。 广延量状态参数：广延量状态参数： 与系统内所含工质数量有关的状态参数。与系统内所含工质数量有关的状态参数。3、基本状态参数、基本状态参数(1)、比体积、比体积 单单位位 m3/kg 密度密度 (2)、压力（压强、压力（压强） 单位：单位：Pa压力的国际制单位：压力的国际制单位： 1 MPa = 103 kPa = 106 Pa其它非国际制压力单位：其它非国际制压力单位： 标准大气压标准大气压 atm： 1 atm = 101325 Pa 工程大气压工程大气压 at (kgf/cm2);： 1 at = 9.8067104Pa 巴巴 bar，毫巴毫巴mba
6、r 1 bar 1000 mbar105 Pa 毫米汞柱毫米汞柱 mmHg： 1mmHg133.32 Pa 毫米水柱毫米水柱 mmH2O： 1mmH2O9.8067 Pa 压力的测量（压力的测量（1） 当当 p pb 时时 ，p = pb + pg p g 称为表压（压力表）称为表压（压力表） 当当 p 0; 极极限限情情况况（发发生生可可逆逆变变化化）熵熵保保持持不不变变, dSiso =0;使使孤孤立立系系熵熵减减小小的的过过程程不不可可能能出出现现。简简言言之之，孤孤立立系系统统的的嫡嫡可可以以增增大大或或保保持持不不变变，但但不不可可能能减减少少。这这一一结结论论即即孤孤立立系系统统熵
7、熵增原理增原理，简称熵增原理。，简称熵增原理。 注注意意：熵熵增增原原理理只只适适用用于于孤孤立立系系统统。至至于于非非孤孤立立系系，或或者者孤孤立立系系中中某某个个物物体体，它它们们在在过过程程中中可可以以吸吸热热也也可可以以放放热热，所以它们的熵既可能增大、可能不所以它们的熵既可能增大、可能不变，也可能减小。变，也可能减小。 熵增原理的实质熵增原理的实质一、熵增原理阐明了过程进行的方向，即一、熵增原理阐明了过程进行的方向，即dSiso0 。二、二、 熵增原理指出了热过程进行的限度，即熵增原理指出了热过程进行的限度，即dSiso0 。 三、熵增原理揭示了热过程进行的条件（孤立系的热过程中三、
8、熵增原理揭示了热过程进行的条件（孤立系的热过程中 有部分物体熵减小，必有部分物体的熵增大的相伴随）。有部分物体熵减小，必有部分物体的熵增大的相伴随）。 熵增原理全面地、透彻地揭示了热过程进行的方向、限度和熵增原理全面地、透彻地揭示了热过程进行的方向、限度和条件，这些正是热力学第二定律的实质。由于热力学第二定律的条件，这些正是热力学第二定律的实质。由于热力学第二定律的各种说法都可以归结为熵增原理，又总能将任何系统与相关物体、各种说法都可以归结为熵增原理，又总能将任何系统与相关物体、相关环境一起归人一个孤立系统，所以可以认为式相关环境一起归人一个孤立系统，所以可以认为式(5一一20a)，即即 是热
9、力学第二定律数学表达式的一种最基本的形式。是热力学第二定律数学表达式的一种最基本的形式。热力学第二定律数学表达式热力学第二定律数学表达式六六 熵产与作功能力损失熵产与作功能力损失 由于摩擦等耗散效应而损失的机械功称耗散功，以由于摩擦等耗散效应而损失的机械功称耗散功，以Wl表示。表示。当孤立系统内部存在不可逆耗散效应时，耗散功转化为热量，当孤立系统内部存在不可逆耗散效应时，耗散功转化为热量，称为耗散热，以称为耗散热，以Qg表示。这时表示。这时Qg= Wl ,它由孤立系内某个它由孤立系内某个(或或某些某些)物体吸收，引起物体的熵增大，称为熵产物体吸收，引起物体的熵增大，称为熵产Sg。可逆过程因可逆
10、过程因无耗散热，故熵产为零。设吸热时物体温度为无耗散热，故熵产为零。设吸热时物体温度为T,则则 耗散功转化的热能，如果全部被一个温度与环境温度耗散功转化的热能，如果全部被一个温度与环境温度T0相同相同的物体吸收，它将不再具有作出有用功的能力，或者说作功能力的物体吸收，它将不再具有作出有用功的能力，或者说作功能力丧失殆尽。作功能力损失以丧失殆尽。作功能力损失以I表示表示,d IWI。因而，可得出孤立。因而，可得出孤立系统的熵增与作功能力损失（亦即后文的烟损失）的关系为系统的熵增与作功能力损失（亦即后文的烟损失）的关系为七七 熵方程熵方程一、闭口系的熵方程一、闭口系的熵方程二、开口系的熵方程二、开
11、口系的熵方程稳定流动时稳定流动时或写成或写成对于对于1kg工质工质对于绝热过程对于绝热过程八八 热量的可用能（热量的可用能（火用火用）与不可用能（）与不可用能（火无火无） 热量中能最大可能转变为机械能（或功）的部热量中能最大可能转变为机械能（或功）的部分称为热量中的分称为热量中的火用火用（有效能、可用能（有效能、可用能）；）； 无论怎样都不能转变为功的部分称为热量中无论怎样都不能转变为功的部分称为热量中的的火无火无（无效能、不可用能）。（无效能、不可用能）。1、恒温热源放出热量的、恒温热源放出热量的火用火用热量热量Q中的可用能为中的可用能为热量热量Q中的不可用能为中的不可用能为在在Ts图上可用面积表法图上可用面积表法2、变温热源放出热量的、变温热源放出热量的火用火用热量热量Q中的可用能为中的可用能为热量热量Q中的不可用能为中的不可用能为同样同样3、冷量、冷量火用火用 当热源温度低于环境温度当热源温度低于环境温度T0时，时，系统吸入热量系统吸入热量Q0时作出的最大有用时作出的最大有用功称为冷量功称为冷量火用火用，用，用Ex,Q0表示表示(1)、恒温热源、恒温热源由能量守恒关系得由能量守恒关系得从而有从而有冷量冷量火火无为循环从环境的吸热量无为循环从环境的吸热量,即即(2)、变温热源、变温热源请看思考题请看思考题
