第2章 熱力學(xué)基礎(chǔ)

1、第2章 熱力學(xué)基礎(chǔ)2.1 流體的熱力學(xué)性質(zhì) 常用的流體的熱力學(xué)性質(zhì)有八個(gè)： 溫度T、壓力P（強(qiáng)度性質(zhì)） 體積V、內(nèi)能U、焓H、熵S、吉布斯自由能G、亥姆霍茲自由能F（容量性質(zhì)） 它們之間存在相互關(guān)系：如V=f(p,T)2.2 系統(tǒng)和狀態(tài)函數(shù) 系統(tǒng)：熱力學(xué)將所研究的對(duì)象叫做系統(tǒng)。 孤立系統(tǒng)：與環(huán)境既無能量交換，又無物質(zhì)交換的稱為孤立系統(tǒng)。 封閉系統(tǒng)：與環(huán)境只有能量交換、沒有物質(zhì)交換的稱為封閉系統(tǒng)。 敞開系統(tǒng)：與環(huán)境既有能量交換，又有物質(zhì)交換的稱為敞開系統(tǒng)。 想一想：地球是什么系統(tǒng)？2.2 系統(tǒng)和狀態(tài)函數(shù) 穩(wěn)定流動(dòng)過程與非穩(wěn)定流動(dòng)過程 狀態(tài)函數(shù)：由狀態(tài)所決定的性質(zhì)，統(tǒng)稱為狀態(tài)函數(shù)。狀態(tài)函數(shù)的變化值

2、僅與系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與過程無關(guān)。 常用的狀態(tài)函數(shù)有：溫度T、壓力p、體積V、內(nèi)能U、焓H、熵S、吉布斯自由能G、亥姆霍茲自由能F2.2 系統(tǒng)和狀態(tài)函數(shù) 能量：度量物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種物理量。 內(nèi)能：與分子結(jié)構(gòu)及微觀運(yùn)動(dòng)的形式有關(guān)，屬于系統(tǒng)內(nèi)部的能量，用U表示。 位能：與物體的宏觀位置有關(guān)的能量，主要是重力勢(shì)能，由于重力的作用而具有的重力位能，Ep=mgZ。 動(dòng)能：物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量，用Ek表示，Ek=1/2 mv2。 總能量E是內(nèi)能、位能和動(dòng)能之和：E=U+Ep+Ek2.3 理想氣體 理想氣體的模型：理想氣體的模型： 氣體分子是彈性體；氣體分子是彈性體； 分子是不占據(jù)體積的質(zhì)點(diǎn)；分子是

3、不占據(jù)體積的質(zhì)點(diǎn)； 分子之間除了相互碰撞外，沒有相互作分子之間除了相互碰撞外，沒有相互作用力。用力。2.3 理想氣體 理想氣體狀態(tài)方程 pV=nRT 式中：p壓強(qiáng), Pa；V體積, m3； n物質(zhì)的量, mol；T熱力學(xué)溫度,K； R氣體熱力學(xué)常數(shù)，8.314 J/(molK) 變形RTMmnRTpVRTpM2.3 理想氣體 例2-1：已知工業(yè)常用氮?dú)怃撈康膲毫?3 MPa，體積為40 L，使用后剩余壓力為0.1 MPa，使用時(shí)壓力為標(biāo)壓，流量為1.8 L/min，問一瓶氮?dú)饪梢允褂枚嚅L(zhǎng)時(shí)間？2.3 理想氣體 例2-1， 解：過程中共消耗氮?dú)庠級(jí)毫1=13-0.1=12.9 MPa，原始

4、體積v1=40 L， 使用壓力p2=標(biāo)壓=0.1 MPa， 根據(jù)理想氣體方程，使用體積 v2=p1v1/p2=5160 L 使用時(shí)間t=v2/v=5160/1.8=2867 min=47.8 h2.4 純物質(zhì)CO2的p-V圖2.943.924.905.886.867.848.829.8000.0010.002160.0040.0060.0080.0100.012壓力PMPa比容Vm3/Kg圖三 標(biāo)準(zhǔn)曲線202710汽液并 存汽液C503531.1272010學(xué)習(xí)附錄12.5 壓縮因子 壓縮因子：真實(shí)氣體與理想氣體存在偏差，用壓縮因子Z表示，Z=pV/nRT 理想氣體Z=1，真實(shí)氣體狀態(tài)方程在極

5、低壓力和較高溫度下Z=1。2.6 可逆過程與不可逆過程 可逆過程：一個(gè)熱力學(xué)過程后，有可能使過程逆向進(jìn)行，使系統(tǒng)和環(huán)境都恢復(fù)原來狀態(tài)，不遺留任何變化，這種過程稱為可逆過程。 不可逆過程：實(shí)際過程都是不可逆過程，不可逆的原因在于耗散效應(yīng)，非平衡損失。造成不可逆過程的因素有：流動(dòng)壓差、傳熱溫差、傳質(zhì)濃度差、化學(xué)勢(shì)差。2.7 熱力學(xué)基本關(guān)系式 H=U+pV=pV+F+TS=G+TSHUpVpVTSTSGFSVUVSUSpHpSHVTFTVFpTGTpGpdVTdSdUVdpTdSdHpdVSdTdFVdpSdTdGTpTVSpSV2.7 麥克斯韋關(guān)系式pSSVpTVTTpVSpTTVpSSVVTSp

6、2.8 理想氣體的焓與熵 焓的計(jì)算： 熵的計(jì)算：TTpPTdTcHH0*0*,0*0*,ln0ppRdTTcSSTTpPT作業(yè) P43，2-10：設(shè)氯在27 oC、0.1 MPa條件下的焓、熵值為零，試求227 oC、10.0 MPa條件下氯的焓、熵值。已知氯在理想氣體狀態(tài)下的比定壓熱容為（式中T為開爾文溫度） cp1=31.696+10.144*10-3T-4.038*10-6T2 J/(molK)2.9 熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)第一定律（能量守恒和轉(zhuǎn)換定律）： 自然界一切物體都具有能量，能量有各種不同形自然界一切物體都具有能量，能量有各種不同形式，它能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個(gè)式，它

7、能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化和傳遞過程中能物體傳遞給另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化和傳遞過程中能量的總和不變。量的總和不變。 第一類永動(dòng)機(jī)（?）是不可能造成的！2.9 熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)第一定律表達(dá)式：U=Q+W 穩(wěn)流熱力系熱力學(xué)第一定律表達(dá)式：sWQzmgCmH221sWQzgCH2212.9 熱力學(xué)第一定律 燃?xì)廨啓C(jī)2.9 熱力學(xué)第一定律 例2-2：有一燃?xì)廨啓C(jī)裝置如圖示?？諝饬髁縨=10 kg/s；在壓氣機(jī)進(jìn)口處的焓H1=290 kJ/kg；經(jīng)過壓氣機(jī)壓縮后，空氣的焓升為H2=580 kJ/kg；在燃燒室中噴油燃燒生成高溫燃?xì)?，其焓為H3=1250 kJ/kg

8、；在燃?xì)廨喼信蛎涀龉螅式档蜑镠4=780 kJ/kg；然后排向大氣。 試求：壓氣機(jī)消耗的功率；燃料消耗量（已知燃料發(fā)熱量Hv=43960 kJ/kg）；燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)出的功率；燃?xì)廨啓C(jī)裝置輸出的功率。sWQzgCH2212.9 熱力學(xué)第一定律 解：穩(wěn)流熱力系能量衡算方程為 (1)對(duì)于壓氣機(jī)Q=0；c2=0； z=0，因而得 Wc=Ws= H=H2-H1=580-290=290 kJ/kg 所以壓氣機(jī)消耗的功率為 Pc=mWc=10290=2 900 kWsWQzgCH2212.9 熱力學(xué)第一定律 解：穩(wěn)流熱力系能量衡算方程為 (2)對(duì)于燃燒室c2=0；z=0；Ws= 0，因而得 Q= H=H3

9、-H2=1250-580=670 kJ/kg 所以，燃料消耗量為 mF=mQ/Hv=10670/43 960=0.1524 kg/ssWQzgCH2212.9 熱力學(xué)第一定律 解：穩(wěn)流熱力系能量衡算方程為 (3)對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)Q=0；c2=0； z=0，因而得 Ws= H=H4-H3=780-1250=-470 kJ/kg 所以，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)出的功率為 PT=mWs=10470=4 700 kWsWQzgCH2212.9 熱力學(xué)第一定律 解：穩(wěn)流熱力系能量衡算方程為 (4)燃?xì)廨啓C(jī)裝置輸出的功率為 P=PT-Pc=4 700-2 900=1 800kWsWQzgCH2212.10 熱力學(xué)第一定律的

10、應(yīng)用 節(jié)流現(xiàn)象： 流體在有節(jié)流裝置的管道中流動(dòng)時(shí)，在節(jié)流裝置前后的管壁處，流體的靜壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。 絕熱節(jié)流：節(jié)流過程中與外界交換的能量可以忽略不計(jì)。特征是：p2p1，H1=H2。？節(jié)流效應(yīng)?工業(yè)應(yīng)用2.11 熱力學(xué)第二定律 熱力學(xué)第二定律： 克勞休斯表述：熱不能自動(dòng)地從低溫物體傳給高溫物體而不引起其它變化。 開爾文表述：不能從一個(gè)熱源吸熱，使之完全轉(zhuǎn)化為功而不引起其它變化。 用熵表述：孤立系統(tǒng)的總熵變只能大于或等于0。2.11 熱力學(xué)第二定律 熵(S) ： 反映系統(tǒng)內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)混亂程度的熱力學(xué)性質(zhì)，小S表明系統(tǒng)處于有序狀態(tài)；大S 表明系統(tǒng)處于無序狀態(tài)。 熱力學(xué)第三定律：在絕對(duì)

11、零度(0 K)，任何完美晶體的熵為零。2.11 熱力學(xué)第二定律 熵增原理： 表述1：孤立系統(tǒng)的總熵變只能大于或等于零。S孤0 表述2：隔離物系總是向熵增大的方向自動(dòng)進(jìn)行變化，達(dá)平衡狀態(tài)后，熵不再改變，即熵值增到最大。 表述3：當(dāng)體系和環(huán)境經(jīng)歷任何變化后，熵的總量只會(huì)增加，永不減少。2.11 熱力學(xué)第二定律 熱力學(xué)第二定律揭示了熱能不可能完全轉(zhuǎn)化為功，那么轉(zhuǎn)化的極限是多少呢？ 卡諾循環(huán)：卡諾設(shè)計(jì)了一部理想的熱機(jī)，該熱機(jī)進(jìn)行的循環(huán)稱為卡諾循環(huán)。在相同的高溫?zé)嵩礈囟群偷蜏責(zé)嵩礈囟认?，卡諾效率是最大的熱機(jī)效率。2.11 熱力學(xué)第二定律 1-2等溫可逆膨脹過程：高溫吸熱Q1 2-3絕熱可逆膨脹過程：對(duì)外

12、做功 3-4等溫可逆放熱過程：低溫放熱Q2 4-1絕熱可逆壓縮過程：此過程由外界提供壓縮功2.11 熱力學(xué)第二定律 卡諾效率 結(jié)論： 卡諾循環(huán)的熱效率取決于高、低溫?zé)嵩吹臏囟?，T1越高，T2越低，循環(huán)熱效率就越高； 卡諾循環(huán)的熱效率恒小于1； 當(dāng)兩熱源溫度相等，即T1=T2時(shí)，C=0。第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成。1211211221211211lnlnlnTTTVVRTVVRTVVRTQQQQWNC2.11 熱力學(xué)第二定律 卡諾定律： 所有工作于兩個(gè)一定溫度的熱源之間的可逆熱機(jī)，不管用什么工質(zhì)或何種可逆循環(huán)，它們的熱效率都相等且為最大，這就是卡諾定理。 意義： 揭示了熱轉(zhuǎn)化為功的極限，即定量的表示

13、了功和熱質(zhì)量上的差別； 它表示了同是熱能，其轉(zhuǎn)化為功的能力是因它的溫度而異的，溫度越高，其轉(zhuǎn)化為功的能力就越強(qiáng)。2.11 熱力學(xué)第二定律 蒸汽卡諾循環(huán)：以蒸汽為工質(zhì)，可以方便的實(shí)現(xiàn)等溫吸熱和等溫放熱過程。 郎肯循環(huán)(Rankin cycle )：是最簡(jiǎn)單的蒸汽動(dòng)力循環(huán)，由給水泵、蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)和冷凝器等幾個(gè)主要裝置組成。2.11 熱力學(xué)第二定律 郎肯循環(huán)：水在水泵中被壓縮升壓；然后進(jìn)入鍋爐被加熱汽化，直至成為過熱蒸汽后，進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹作功，作功后的低壓蒸汽進(jìn)入冷凝器被冷卻凝結(jié)成水。再回到水泵中，完一個(gè)循環(huán)。2.11 熱力學(xué)第二定律 12.11 熱力學(xué)第二定律 卡諾循環(huán)與郎肯循環(huán)的區(qū)別：2.12 軸功的計(jì)算 軸功：通過設(shè)備機(jī)械軸的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱力系和外界之間功的交換做的功叫做軸功。 對(duì)于可逆過程： 對(duì)于液體，V近似不變：W s(R) =Vp 21vdpwRs2.12 軸功的計(jì)算 實(shí)際軸功的計(jì)算 對(duì)于產(chǎn)功裝置，實(shí)際軸功小于可逆軸功 W S(ac) =M W S(R) 對(duì)于耗功裝置，實(shí)際軸功大于可逆軸功 W S(R) = M W S(ac) 各類設(shè)