第2章熱力學(xué)基本定律(熱一律)

第二章熱力學(xué)基本定律本章內(nèi)容、要求：掌握2.定律的實(shí)質(zhì)3.定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式及其適用范圍4.定律的應(yīng)用1.內(nèi)能、焓、熵、各種功等概念熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律內(nèi)容§2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)§2.1.1背景

18th初，工業(yè)革命，熱效率只有1%

1842年，Mayer闡述能量守恒和轉(zhuǎn)化定律，未引起重視

1840-1849年，Joule用多種實(shí)驗(yàn)證明熱一律，得到公認(rèn)

1909年，C.Caratheodory最后完善熱一律：公理化

17-18th，熱質(zhì)學(xué)為主。但無法解釋如冰摩擦融化等熱現(xiàn)象推動(dòng)對(duì)規(guī)律的研究§2.1.2熱一律的實(shí)質(zhì)1、實(shí)質(zhì)和表述實(shí)質(zhì)是能量守恒和轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的應(yīng)用：熱能與機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換前后的總量保持不變。進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)儲(chǔ)存能的變化量2、表達(dá)式§2-2能量的傳遞形式系統(tǒng)與外界交換的能量，主要有三種形式：（1）功：W（2）熱量：Q（3）隨物質(zhì)帶進(jìn)（出）的物質(zhì)本身的能量熱一律：

進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)儲(chǔ)存能的變化系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)本身的能量一、系統(tǒng)的儲(chǔ)存能儲(chǔ)存能：系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)本身具有的能量。包括：外部儲(chǔ)存能(系統(tǒng)整體宏觀運(yùn)動(dòng)具有的能量)內(nèi)部儲(chǔ)存能(儲(chǔ)存于系統(tǒng)內(nèi)部,取決于物質(zhì)結(jié)構(gòu)和微粒運(yùn)動(dòng)的能量-內(nèi)能,U)宏觀動(dòng)能：E

k=mc2/2宏觀勢能：E

p=mgz物理內(nèi)能化學(xué)內(nèi)能（化學(xué)反應(yīng)時(shí)）內(nèi)動(dòng)能(分子平、轉(zhuǎn)、振動(dòng))=f(T)內(nèi)位能（分子間引力）=f(T,v)核能（核裂、聚變時(shí)）工程熱力學(xué)不涉及系統(tǒng)的總儲(chǔ)存能：

E

=E

k

+E

p

+U(熱能)內(nèi)能的導(dǎo)出（1）閉口系循環(huán)能量方程儲(chǔ)存能的變化量：dE

熱一律：進(jìn)入的能量–離開的能量=儲(chǔ)存能的變化量δWdEδQ對(duì)于任意閉口系：吸熱：

δQ對(duì)外做功：

δW循環(huán)后：

dE=0系統(tǒng)對(duì)于循環(huán)1a2c1：對(duì)于循環(huán)1b2c1：狀態(tài)參數(shù)bpV12ac（2）內(nèi)能的導(dǎo)出Why?定義：dU=Q-WU：內(nèi)能，狀態(tài)函數(shù)二、系統(tǒng)與外界傳遞的能量熱力學(xué)中對(duì)功的定義：熱力系統(tǒng)通過邊界而傳遞的能量,且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。

容積變化功：因系統(tǒng)容積變化與外界交換的功（包括：膨脹功和壓縮功）。是熱力學(xué)最重要的一種功:膨脹:實(shí)現(xiàn)熱能→機(jī)械能；機(jī)械能→熱能雖可通過摩擦等方法實(shí)現(xiàn)，但只有壓縮是可逆的。其他準(zhǔn)靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等力學(xué)中的功：W＝Fx

1、功（1）做功W（2）傳熱Q（3）隨物質(zhì)流動(dòng)而傳遞的能量(1)準(zhǔn)靜態(tài)過程的容積變化功以汽缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng):活塞向右移動(dòng)微元距離dx，dx很小，近似認(rèn)為p不變，可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程.dxpp0A系統(tǒng)對(duì)外界作的膨脹功為：=pAdxm

kg：W=pdVw=pdv1

kg：()=pdV適用范圍：準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程W=Fdx（2）討論2）正負(fù)號(hào)規(guī)定：

對(duì)外為正對(duì)內(nèi)為負(fù)1）w的表達(dá)式全為系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)，無需知道外力。3）膨脹功中的有用功WR：

準(zhǔn)靜態(tài)：WR＝W

–Wf

–p0(V2–V1)可逆：WR＝W

–p0(V2–V1)pp0ARf（2）討論

4)示功圖----p-v圖pV.12.pp021W是過程量，與路徑有關(guān)

WpdV微元過程：w=pdV

=微元面積1-2過程：=投影面積(3)

容積變化功的計(jì)算1）對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)、可逆過程，可用上述公式計(jì)算。但還需要已知p-v函數(shù)關(guān)系、初終狀態(tài)。2）對(duì)于非平衡過程，不能用上述公式計(jì)算。但若外力R已知，則可利用外界條件計(jì)算：

系統(tǒng)膨脹功=-外界反力對(duì)系統(tǒng)所做的功[例1]空氣從狀態(tài)1(p1，V1)膨脹到狀態(tài)2(p2，V2)，（1）p-V圖上過程線為直線；（2）可逆定溫過程。求wpV12(1)(2)2、熱量

1、定義：系統(tǒng)與外界因溫差而傳遞的能量2、符號(hào)：Q（q）3、單位：J（J/kg）4、正、負(fù)號(hào)規(guī)定：吸熱為正，放熱為負(fù)Q與W類比能量傳遞方式WQ性質(zhì)推動(dòng)力標(biāo)志參數(shù)公式公式適用條件圖示pVWTSQP-V(示功圖)T-s（示熱圖）過程量過程量ΔTΔpdS,dsdV,dv準(zhǔn)靜態(tài)或可逆可逆3、隨物質(zhì)傳遞的能量

1）流動(dòng)工質(zhì)本身攜帶的能量：u+c2/2+gz

2）推動(dòng)功(或流動(dòng)功)dxAdm11pA反力p流動(dòng)11系統(tǒng)微元體dm的運(yùn)動(dòng)，需上游工質(zhì)的推動(dòng)以克服系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的反力：外界對(duì)系統(tǒng)做了功。

Wf

=p

A

dx

=pdV

=pvdm

1kg工質(zhì)：wf

=pv設(shè)微元體在推力(p

A)作用下移動(dòng)了dx,則：推動(dòng)功：推動(dòng)工質(zhì)進(jìn)行宏觀位移所做的功。=p

v推動(dòng)功的說明1、與宏觀流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)停止，推動(dòng)功不存在。2、作用過程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，無狀態(tài)變化3、wf

＝pv與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量。4、并非工質(zhì)本身的能量（動(dòng)能、位能）變化引起，而是由外界做出、流動(dòng)工質(zhì)所攜帶的能量5、推動(dòng)功是由泵、風(fēng)機(jī)等提供的。§2.3閉口系統(tǒng)能量方程而儲(chǔ)存能變化量為:

dUQ=dU+WQ=U+W閉口系能量方程（熱一律數(shù)學(xué)表達(dá)式）熱一律：進(jìn)入–離開=儲(chǔ)存能變化量則：Q－W=dU，即：WQq=du+w

q=u+w單位工質(zhì)：適用條件：任何工質(zhì)、任何過程問題：方程中的微元符號(hào)有d、δ之分，why?dU準(zhǔn)靜態(tài)和可逆閉口系能量方程（1）準(zhǔn)靜態(tài)過程：w=pdv（2）可逆過程：q=Tdsq=du+pdv

q=u+pdv熱一律解析式之一Tds=du+pdvTds=u+pdv熱力學(xué)恒等式[例2]熱一律應(yīng)用1-2：定壓過程，對(duì)外膨脹做功50kJ、放熱20kJ；2-3：定容過程，吸熱100kJ；1-3：不可逆過程，對(duì)外做膨脹功50kJ。求：過程1-3系統(tǒng)與外界交換的熱量。123VP門窗緊閉房間用電冰箱降溫以房間為系統(tǒng)

絕熱閉口系閉口系能量方程：T電冰箱門窗緊閉房間用空調(diào)降溫以房間為系統(tǒng)

閉口系閉口系能量方程：T空調(diào)Q§2.4開口系統(tǒng)能量方程WsQ1122u1gz1u2gz2p1v1p2v2dE熱一律：進(jìn)–出=

d

E進(jìn)、出有哪些能量？（1）熱量：

Q（2）軸功：

Ws（3）流體攜帶的能量:ug

z全了嗎？還有推動(dòng)功：p

vNo！dm1dm2設(shè)：d時(shí)間內(nèi)§

2.4.2開口系統(tǒng)能量方程一般表達(dá)式Q+dm1(u+pv+c2/2+gz)1-m2(u+pv+c2/2+gz)2-Ws=dE令：令：h=u+pv§

2.4.3焓（Enthalpy)

定義：h=u+pv[kJ/kg]H=U+pV[kJ]1、焓是狀態(tài)量2、對(duì)流動(dòng)工質(zhì)，焓代表能量(內(nèi)能+推動(dòng)功)

對(duì)靜止工質(zhì)，焓不代表能量，理解為狀態(tài)參數(shù)組合3、物理意義：開口系中隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶的、取決于熱力狀態(tài)的能量。4、工程實(shí)際多為開口系，u和pv同時(shí)出現(xiàn)，

∴h比u應(yīng)用更廣?！?.5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程穩(wěn)定流動(dòng)條件：穩(wěn)定流動(dòng)（SteadyFlow）：系統(tǒng)內(nèi)任意點(diǎn)處參數(shù)不隨時(shí)間變化。1、2、3、4、代入開口系統(tǒng)能量方程一般表達(dá)式：穩(wěn)定流動(dòng)能量方程1kg工質(zhì)：微元過程：適用條件：穩(wěn)定流動(dòng)任何工質(zhì)技術(shù)功即：穩(wěn)流能量方程中，后三項(xiàng)為工程上可直接利用的機(jī)械能∴穩(wěn)流能量方程改寫為：定義為技術(shù)功：技術(shù)上可資利用的功。符號(hào)：wt能量方程等價(jià)性，幾種功的關(guān)系等價(jià)穩(wěn)流：系統(tǒng)狀況不隨時(shí)間而變，故整個(gè)流動(dòng)過程可視為一定質(zhì)量的工質(zhì)從進(jìn)口狀態(tài)變化到出口狀態(tài)穩(wěn)流開口系等價(jià)于一個(gè)控制質(zhì)量的封閉系wwtΔ(pv)Δc2/2wsgΔz做功的源泉幾種功的關(guān)系：開閉4種功全在該式中準(zhǔn)靜態(tài)下的技術(shù)功準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)熱一律解析式之一熱一律解析式之二移項(xiàng)整理:技術(shù)功在示功圖上的表示§

2-6穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的化簡工程實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常可忽略動(dòng)、位能變化例：c1=1

m/s，c2=30

m/s→(c22-c12)/

2=0.45

kJ/kgz1=0m，z2=30m→g(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar,0

oC水

h1=84kJ/kg100oC水蒸汽

h2=2676kJ/kgh

=2592kJ/kg穩(wěn)流方程的化簡一、加熱器或冷卻器heatexchanger二、渦輪機(jī)或壓氣機(jī)Turbines,compressorsandpumps特點(diǎn)：特點(diǎn)：∴∴穩(wěn)流方程的化簡三、噴管NozzlesandDiffusers四、絕熱節(jié)流ThrottlingDevice