熱工基礎(chǔ) 課件第2章 熱力學(xué)第一定律和第二定律

第2章熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律系統(tǒng)儲(chǔ)存能、焓h系統(tǒng)的熱力學(xué)能分子動(dòng)能分子位能

化學(xué)能

核能

熱力學(xué)能（內(nèi)部存儲(chǔ)能）

移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)分子動(dòng)能取決于氣體溫度分子位能取決于氣體容積對(duì)理想氣體：熱力學(xué)能總以變化量出現(xiàn)，其零點(diǎn)是人為規(guī)定的單位：U

:

[kJ]

u

:[kJ/kg]注意系統(tǒng)的總儲(chǔ)存能外部?jī)?chǔ)存能：

宏觀動(dòng)能

Ek=mc2/2

宏觀位能

Ep=mgz機(jī)械能系統(tǒng)總能：E=U+Ek+Ep=U+mc2/2+mgze=u+ek+ep=u+c2/2+mgz開(kāi)口系統(tǒng)的流動(dòng)功

Wnet

Qp1,v1,t1,u1p2,v2,t2,u2pApvdx1kg工質(zhì)所需推動(dòng)功：

w推=pAdx=pv流動(dòng)功：

p2v2-p1v1可將推動(dòng)功理解為伴隨工質(zhì)流入流出系統(tǒng)所攜帶的一種能量注意狀態(tài)參數(shù)-焓h

因此，定義焓：h=u+pv

[kJ/kg]

H=U+pV

[kJ]

工質(zhì)流入或流出系統(tǒng)時(shí)，熱力學(xué)能u和推動(dòng)功pv總是共同出現(xiàn)。

1、焓是狀態(tài)量

2、對(duì)流動(dòng)工質(zhì)，焓代表能量(熱力學(xué)能+推進(jìn)功)

對(duì)靜止工質(zhì)，焓不代表能量3、物理意義：開(kāi)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。說(shuō)明熱力學(xué)第一定律、閉口系能量方程熱力學(xué)第一定律能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的具體應(yīng)用。熱力學(xué)第一定律：熱能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，機(jī)械能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，在它們的傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程中，總量保持不變。能量守恒與轉(zhuǎn)換定律：自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅，但可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)；在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能的總量保持不變。=-離開(kāi)系統(tǒng)的能量進(jìn)入系統(tǒng)的能量系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的增量用熱力學(xué)第一定律描述系統(tǒng)能量變化：閉口系統(tǒng)能量方程wq宏觀動(dòng)能和宏觀位能通常無(wú)變化Δek=0Δep=0因此，系統(tǒng)能量增量?jī)H為熱力學(xué)能增量:Δuq-w

=Δuq=Δu+w

熱力學(xué)第一定律解析式（基本能量方程）閉口系統(tǒng)能量方程q=u+w

q=du+w

單位工質(zhì)：Q=U+W

Q=dU+Wm

kg工質(zhì)：

適用于：

1）任何工質(zhì)2)任何過(guò)程簡(jiǎn)單可壓縮系的能量方程簡(jiǎn)單可壓縮系的可逆過(guò)程：

w=pdv

q=Tds

q=du+pdv

q=u+pdvTds=du+pdv

Tds=u+pdv循環(huán)的能量方程將

q=du+w應(yīng)用于循環(huán)：

循環(huán)的凈熱量等于凈功閉口系能量方程應(yīng)用氣體在某一過(guò)程中吸熱50kJ，同時(shí)熱力學(xué)能增加84kJ，問(wèn)此過(guò)程是膨脹還是壓縮過(guò)程？若氣體經(jīng)歷反向過(guò)程回到初態(tài)，此反向過(guò)程中氣體吸熱30kJ，問(wèn)對(duì)外做功多少？Q=U+W

W=Q-

U=50-84=-34kJ（負(fù)功，壓縮過(guò)程）

W=Q-

U=30-(-84)=114kJ穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量方程實(shí)現(xiàn)條件：1.進(jìn)出系統(tǒng)工質(zhì)流量相等且不隨時(shí)間變化；2.單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)與外界的熱量、功量交換不隨時(shí)間變化。穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化的流動(dòng)系統(tǒng)。wsqp1,v1,T1,u1,cf1,z1p2,v2,T2,u2,cf2,z2實(shí)際熱機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)均可按穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)處理注意穩(wěn)流系統(tǒng)能量方程wsqp1,v1,T1,u1,cf1,z1p2,v2,T2,u2,cf2,z2考慮1kg工質(zhì)流過(guò)系統(tǒng)進(jìn)入系統(tǒng)的能量：u1+p1v1+c2f1/2+gz1+q離開(kāi)系統(tǒng)的能量：u2+p2v2+c2f2/2+gz2+ws系統(tǒng)能量的變化量=0（u1+p1v1+c2f1/2+gz1+q）-（u2+p2v2+c2f2/2+gz2+ws）=0根據(jù)熱力學(xué)第一定律：穩(wěn)流系統(tǒng)能量方程q-(u2-u1)=(p2v2-p1v1)+(c2f2-c2f1)/2+g(z2-z1)+ws流動(dòng)功動(dòng)能變化位能變軸功都屬于機(jī)械能穩(wěn)流系統(tǒng)能量方程q-(u2-u1)=(p2v2-p1v1)+(c2f2-c2f1)/2+g(z2-z1)+ws整理為：q

=(u2+p2v2)-(u1+p1v1)+(c2f2-c2f1)/2+g(z2-z1)+ws焓的定義：h=u+pvq=(h2-h1)+(c2f2-c2f1)/2+g(z2-z1)+ws對(duì)mkg工質(zhì)：Q=(H2-H1)+m(c2f2-c2f1)/2+mg(z2-z1)+Ws穩(wěn)流系統(tǒng)能量方程適用條件：任意流動(dòng)工質(zhì)；任意穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程1kg工質(zhì)：微元過(guò)程：mkg工質(zhì)：技術(shù)功動(dòng)能工程技術(shù)上可以直接利用軸功機(jī)械能位能技術(shù)功wt技術(shù)功Wt技術(shù)功穩(wěn)流方程改寫(xiě)為：?jiǎn)挝毁|(zhì)量工質(zhì)的閉口和穩(wěn)流方程wsq穩(wěn)流開(kāi)口系閉口系(1kg)容積變化功等價(jià)技術(shù)功閉口與穩(wěn)流系統(tǒng)能量方程容積變化功w技術(shù)功wt閉口系統(tǒng)穩(wěn)流開(kāi)口系統(tǒng)等價(jià)軸功ws推進(jìn)功(pv)幾種功的關(guān)系？涉及各種功穩(wěn)流系統(tǒng)能量方程wwtΔ(pv)Δc2/2wsgΔz做功的根源ws2、開(kāi)口系，系統(tǒng)與外界交換的功為軸功ws3、一般情況下忽略動(dòng)、位能的變化1、閉口系，系統(tǒng)與外界交換的功為容積變化功wws

wt對(duì)功的小結(jié)可逆過(guò)程下的技術(shù)功可逆過(guò)程：對(duì)可逆微元過(guò)程：技術(shù)功在示功圖上的表示12341140a1230b212ba1穩(wěn)定流動(dòng)方程的應(yīng)用穩(wěn)流能量方程的應(yīng)用熱力學(xué)問(wèn)題經(jīng)?？珊雎詣?dòng)、位能變化例：c1=1

m/sc2=30

m/s

(c22-c12)/

2=0.449

kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0

oC水的h1=84kJ/kg100oC水蒸氣的h2=2676kJ/kg透平機(jī)械主要指汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等1）體積不大2）流量大3）保溫層q

0ws=-Δh

=h1-h2>0壓縮機(jī)械主要指泵、壓縮機(jī)、壓氣機(jī)、風(fēng)機(jī)等1）體積不大2）流量大3）保溫層q

0ws=-Δh

=h1-h2<0換熱設(shè)備主要指鍋爐、凝汽器、換熱器、蒸發(fā)器等熱流體冷流體h1h2h1’h2’沒(méi)有作功部件熱流體放熱量：冷流體吸熱量：焓變絕熱節(jié)流過(guò)程流體通過(guò)的截面突然縮小，稱為節(jié)流。如管道閥門(mén)、膨脹管、毛細(xì)管等。沒(méi)有作功部件h1h2q

0一般認(rèn)為過(guò)程絕熱絕熱節(jié)流過(guò)程前后h不變，但h不是處處相等噴管和擴(kuò)壓管q

0動(dòng)能與焓變相互轉(zhuǎn)換噴管目的：壓力降低，速度提高擴(kuò)壓管目的：速度降低，壓力升高動(dòng)能參與轉(zhuǎn)換，不能忽略課程介紹熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律能量之間數(shù)量的關(guān)系熱力學(xué)第一定律能量守恒與轉(zhuǎn)換定律所有滿足能量守恒與轉(zhuǎn)換定律的過(guò)程是否都能自發(fā)進(jìn)行熱力學(xué)第二定律自發(fā)過(guò)程的方向性自發(fā)過(guò)程：不需要任何外界作用而自動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程。自然界自發(fā)過(guò)程都具有方向性

熱量由高溫物體傳向低溫物體摩擦生熱水自動(dòng)地由高處向低處流動(dòng)電流自動(dòng)地由高電勢(shì)流向低電勢(shì)熱力學(xué)第二定律自發(fā)過(guò)程的方向性功量自發(fā)過(guò)程具有方向性、條件、限度摩擦生熱100%熱量發(fā)電廠功量40%放熱熱量熱力學(xué)第二定律能不能找出共同的規(guī)律性?能不能找到一個(gè)判據(jù)?

自然界過(guò)程的方向性表現(xiàn)在不同的方面熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律

熱機(jī)不可能將從熱源吸收的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，而必須將某一部分傳給冷源。理想氣體T

過(guò)程q=w開(kāi)爾文－普朗克表述

不可能制造一種循環(huán)工作的機(jī)器，其作用只是從單一熱源吸熱并全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?。熱力學(xué)第二定律但違反了熱力學(xué)第二定律第二類永動(dòng)機(jī)：設(shè)想的從單一熱源取熱并使之完全變?yōu)楣Φ臒釞C(jī)。這類永動(dòng)機(jī)并不違反熱力學(xué)第一定律環(huán)境是個(gè)大熱源第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制造成功的熱力學(xué)第二定律熱量不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳至高溫物體?？照{(diào),制冷代價(jià)：耗功不可能將熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其它變化?？藙谛匏贡硎鰺崃W(xué)第二定律開(kāi)爾文－普朗克表述

完全等效!!!克勞修斯表述違反一種表述,必違反另一種表述!!!兩種表述的關(guān)系課程介紹卡諾循環(huán)和卡諾定理卡諾循環(huán)和卡諾定理法國(guó)工程師卡諾(S.Carnot)1824年提出卡諾循環(huán)熱二律奠基人效率最高卡諾循環(huán)和卡諾定理卡諾循環(huán)示意圖4-1絕熱壓縮過(guò)程，對(duì)內(nèi)作功1-2定溫吸熱過(guò)程，q1=T1(s2-s1)2-3絕熱膨脹過(guò)程，對(duì)外作功3-4定溫放熱過(guò)程，q2=T2(s2-s1)卡諾循環(huán)—

理想可逆熱機(jī)循環(huán)卡諾循環(huán)和卡諾定理卡諾循環(huán)熱機(jī)效率T1T2Rq1q2wnet卡諾循環(huán)熱機(jī)效率卡諾循環(huán)和卡諾定理?

c只取決于恒溫?zé)嵩碩1和T2

,而與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)?

T1

c,T2

c

，溫差越大，

c越高?

當(dāng)T1=T2，

c=0,單熱源熱機(jī)不可能?

T1

=K,T2=0K,

c<100%，熱二律卡諾循環(huán)熱機(jī)效率的說(shuō)明卡諾循環(huán)和卡諾定理卡諾定理—

熱二律的推論之一

卡諾提出：卡諾循環(huán)效率最高即在恒溫T1、T2下

結(jié)論正確，但推導(dǎo)過(guò)程是錯(cuò)誤的當(dāng)時(shí)盛行“熱質(zhì)說(shuō)”

1850年開(kāi)爾文，1851年克勞修斯分別重新證明定理：在兩個(gè)不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的所有熱機(jī),以可逆熱機(jī)的熱效率為最高?？ㄖZ循環(huán)和卡諾定理若

t,IR

>

t,R

T1T2IRRQ1Q1’Q2Q2’WIRWIR-

WR

=Q2’

-Q2

>0T1無(wú)變化從T2吸熱Q2’-Q2WR假定Q1=

Q1’

要證明把R逆轉(zhuǎn)-WRWIR=Q1-Q2WR=Q1’-Q2’

對(duì)外作功WIR-WR

開(kāi)爾文的證明—反證法違反開(kāi)表述，單熱源熱機(jī)卡諾循環(huán)和卡諾定理假定：WIR=WR若

t,IR>

t,RT1T2IRRQ1Q1’Q2Q2’WIR

Q1

<Q1’Q1’-

Q1

=Q2’-

Q2

>0從T2吸熱Q2’-Q2向T1放熱Q1’-Q1不付代價(jià)

要證明

Q1-Q2=

Q1’-Q2’

WR把R逆轉(zhuǎn)克勞修斯的證明—反證法違反克表述

卡諾循環(huán)和卡諾定理卡諾定理-推論

在兩個(gè)不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的一切可逆熱機(jī)，具有相同的熱效率，且與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。T1T2R1R2Q1Q1’Q2Q2’WR1

求證：

t,R1=

t,R2

由卡諾定理

t,R1>

t,R2

t,R2>

t,R1

WR2

只有：

t,R1=

t,R2

t,R1=

t,R2=

c與工質(zhì)無(wú)關(guān)卡諾循環(huán)和卡諾定理卡諾定理-推論

在兩個(gè)不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的一切可逆熱機(jī)，具有相同的熱效率，且與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。T1T2R1R2Q1Q1’Q2Q2’WR1

求證：

t,R1=

t,R2

由卡諾定理

t,R1>

t,R2

t,R2>

t,R1

WR2

只有：

t,R1=

t,R2

t,R1=

t,R2=

c與工質(zhì)無(wú)關(guān)卡諾循環(huán)和卡諾定理多熱源（變熱源）可逆循環(huán)多熱源可逆循環(huán)與相同溫度界限的卡諾循環(huán)相比，熱效率如何？Q1c

>Q1R多

Q2c<Q2R多bcda321456T2T1平均溫度法：

∴

c

>

t,R多

Q1R多=T1(sc-sa)

Q2R多=T2(sc-sa)

Ts提高循環(huán)熱效率的兩條途徑：1、降低平均放熱溫度（環(huán)境）2、提高平均吸熱溫度（循環(huán)、材料）卡諾循環(huán)和卡諾定理卡諾定理小結(jié)1、在兩個(gè)不同T的恒溫?zé)嵩撮g工作的一切可逆熱機(jī)

t,R

=

c

2、多熱源間工作的一切可逆熱機(jī)

t,R多

<

同溫限間工作卡諾熱機(jī)

c

∴在給定的溫度界限間工作的一切熱機(jī)，

c最高

熱機(jī)極限

3、不可逆熱機(jī)

t,IR

<

同熱源間工作可逆熱機(jī)

t,R

t,IR

<

t,R=

c

課程介紹克勞修斯積分熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式根據(jù)卡諾定理，工作于兩恒溫?zé)嵩撮g的可逆熱機(jī)，與卡諾熱機(jī)效率相同：考慮吸放熱的正負(fù)號(hào)，則：T1T2Rq1q2wnet克勞修斯不等式熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式o對(duì)任意可逆循環(huán)1-A-2-B-1，用一組可逆絕熱線進(jìn)行分割對(duì)其中微元循環(huán)a-b-c-d-a：adcbδQ1δQ2對(duì)吸熱和放熱過(guò)程積分求和：吸放熱均用δQrev表示，熱源溫度均用Tr表示，則：

vp12BA熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式狀態(tài)參數(shù)熵s的導(dǎo)出δQrev/Tr的積分與路徑無(wú)關(guān)，一定是某狀態(tài)參數(shù)的全微分取名為熵，用S表示：熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式對(duì)任意不可逆循環(huán)1-A-2-B-1，用一組可逆絕熱線進(jìn)行分割對(duì)其中微元循環(huán)a-b-c-d-a，因其不可逆，則有：考慮吸放熱的正負(fù)號(hào)：對(duì)吸熱和放熱過(guò)程積分求和：oadcbδQ1δQ2vp12BA熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式克勞修斯積分不等式可逆循環(huán)：克勞修斯積分不等式=0可逆循環(huán)<0不可逆循環(huán)>0循環(huán)不可能熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式之一不可逆循環(huán)：熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式熵的物理意義定義：熵?zé)嵩礈囟?工質(zhì)溫度克勞修斯不等式可逆時(shí)熵變表示可逆過(guò)程中熱交換的方向和大小熵的物理意義比熵?zé)崃W(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式不可逆過(guò)程

S與傳熱量的關(guān)系任意不可逆循環(huán)pv12ab=可逆>不可逆熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式S與傳熱量的關(guān)系=可逆>不可逆<不可能熱二律表達(dá)式之二對(duì)于循環(huán)克勞修斯不等式除了傳熱，還有其它因素影響熵不可逆絕熱過(guò)程不可逆因素會(huì)引起熵變化=0總是熵增針對(duì)過(guò)程δQ=0dS>0課程介紹狀態(tài)參數(shù)熵及孤立系統(tǒng)的熵增孤立系統(tǒng)的熵增原理熵流和熵產(chǎn)對(duì)于任意微元過(guò)程有：=：可逆過(guò)程>：不可逆過(guò)程定義熵產(chǎn)：純粹由不可逆因素引起結(jié)論：熵產(chǎn)是過(guò)程不可逆性大小的度量。熵流：永遠(yuǎn)孤立系統(tǒng)的熵增原理熵流、熵產(chǎn)和熵變?nèi)我獠豢赡孢^(guò)程可逆過(guò)程不可逆絕熱過(guò)程可逆絕熱過(guò)程不易求ΔS≥

0

<

0ΔSf

≥

0

<

0ΔSg

>

0ΔSg

=

0ΔS=ΔSf

≥

0

<

0ΔSg

>

0ΔSf

=

0ΔS>

0ΔS=

0ΔSf

=

0ΔSg

=

0孤立系統(tǒng)的熵增原理熵變的計(jì)算方法理想氣體僅可逆過(guò)程適用?1234任何過(guò)程Ts孤立系統(tǒng)的熵增原理熵變的計(jì)算方法非理想氣體：查圖表固體和液體：通常常數(shù)例：水熵變與過(guò)程無(wú)關(guān)，假定可逆：cp

=cv=cc=4.1868kJ/(kg.K)孤立系統(tǒng)的熵增原理熵變的計(jì)算方法假想蓄熱器RQ1Q2WT2