章 1热力学基本概念与基本定律

1、第一章 热力学基本概念与基本定律 基础+支柱 热力学第一定律：能量热力学第一定律：能量 转换中的数量关系（能转换中的数量关系（能 量守恒）量守恒） 热力学第二定律：指热力学第二定律：指 出能量转换的方向出能量转换的方向 1.1热力学基本概念 一.工质、热源、热力系统 热机 凡是能将热能转换为机械能的机器统称为热力发凡是能将热能转换为机械能的机器统称为热力发 动机，简称动机，简称热机热机。例如蒸汽机、蒸汽轮机、燃气。例如蒸汽机、蒸汽轮机、燃气 轮机、内燃机和喷气发动机轮机、内燃机和喷气发动机 工质 热能和机械能之间的转换是通过一种热能和机械能之间的转换是通过一种媒介物质媒介物质在在 热机中的一系

2、列热机中的一系列状态变化状态变化过程来实现的，这种媒过程来实现的，这种媒 介物质称为介物质称为工质工质。 具有良好的流动性和膨胀性。具有良好的流动性和膨胀性。 热源 把热容量很大且在吸收或放出有限量热量时把热容量很大且在吸收或放出有限量热量时 自身温度及其它热力学参数没有明显改变的自身温度及其它热力学参数没有明显改变的 物体称为物体称为热源。热源。 唯一作用：唯一作用：吸收或供给系统内工质热量。吸收或供给系统内工质热量。 高温热源：向系统提供能量高温热源：向系统提供能量 低温热源：接受系统放热（冷源）低温热源：接受系统放热（冷源） 系统与边界 系统：热力系或热力学系统的简称，人为的研人为的研

3、究对象。究对象。它是可识别的物质集团，其物理特性及 可能产生的作用是我们研究的内容 系统总是由边界边界包围，边界叫做界面界面 外界外界：系统以外的所有物质 系统与外界的作用都通过边界 系统与边界划分灵活，可实体可虚设。系统与边界划分灵活，可实体可虚设。 边界特性边界特性 真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动 热力系统分类热力系统分类 以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分： 有有 无无 是否传质是否传质 开口系开口系 封闭系封闭系 是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系 是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系 是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立

4、系孤立系 热力系统其它分类方式热力系统其它分类方式 其它分类方式其它分类方式 物理化学性质物理化学性质 均匀系均匀系 非均匀系非均匀系 工质种类工质种类 多元系多元系 单元系单元系 相态相态 多相多相 单相单相 二.工质的热力学状态及其状态参数 1.基本概念 （1）热力学状态 指热力系统某一瞬间工质的物理状况。一般用指热力系统某一瞬间工质的物理状况。一般用 热力学状态参数及平面坐标图（热力学状态参数及平面坐标图（p-v图，图，T-s图）图） 进行描述。进行描述。 （2）平衡状态 在外界条件不变的情况下，即使经历较长时在外界条件不变的情况下，即使经历较长时 间，系统宏观特性不发生变化，称系统处于

5、平衡间，系统宏观特性不发生变化，称系统处于平衡 状态。简称平衡态。（平衡：力平衡、热平衡状态。简称平衡态。（平衡：力平衡、热平衡 （内热平衡和外热平衡）、化学平衡。）（内热平衡和外热平衡）、化学平衡。） （3）状态参数 描述系统平衡状态的宏观物理量。 一般2个独立的状态参数可确定系统1个状态。 分为基本参数（直接测得）：温度、压力 导出参数（推导得出）：热力学能、比焓、比熵 （4）状态方程 平衡态下，系统某一参数与独立于它的另一参数 有着确定关系的数学方程式。f(p,v,T)=0 理想气体状态方程：pv=RT 2.基本状态参数 （1）温度：表明物质冷热程度的物理量。 分子热运动剧烈程度的反映（

6、微观） 国际单位制：热力学温度T单位K 测量：温度计 温标换算：T=t+273.15 （t-摄氏温度） O 5 ( 32) 9 tCt F 459.67t Ft R 常用温标常用温标 绝对绝对K摄氏摄氏 华氏华氏F 朗肯朗肯R 100 373.15 0.01273.16 0273.15 -17.8 0 -273.15 212671.67 37.8100 0 32 -459.670 459.67 491.67 冰熔点冰熔点 水三相点水三相点 盐水沸点盐水沸点 发烧发烧 水沸点水沸点 559.67 （2）压力P 指工质作用于器壁单位面积上的垂直作用力。 物理中压强物理中压强，单位单位: Pa ,

7、N/m2 国际单位制 单位换算： 1N/m2=1Pa 1bar=1 105Pa 1MPa=1 106Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa 1mmH2O=9.8067Pa 绝对压力p与相对压力pe 、pv 绝对压力：真实压力 相对压力：压力计读数，相对当地大气压 Pamb 的值。 当PPamb 时，称相对压力为表压力Pe ； 当PPamb 时，称相对压力为真空或负压Pv P=Pamb+Pe P=Pamb-Pv （3）比体积（比容） 指单位质量物质所占有的体积，v，单位m

8、3/kg V v m 与密度互为倒数 3.导出状态参数导出状态参数 用于热功转换计算而引出的状态参数，不可测 量。 比内能 u kJ/kg 比焓 h kJ/kg 比熵 s kJ/(kg.K) 1.过程（热力过程） 系统由初始平衡状态，经过一系列中间状态而达 到某一新的平衡态的变化过程，称为热力过程。 三、状态的改变 2.准静态过程 过程的一系列中间变化点，离开平衡又都无 限接近于平衡态，则称系统工质经历了一个 准静态过程或准平衡过程。 P1 P2 P3 P1 P1 P1 T1 T1+dT T2 T1T2 T1+dT 准静态膨胀过程 准静态加热过程 实现准静态过程必须满足两个条件： 1.过程进行

9、时内外势差（压力差、温度差）无限小； 2.过程进行必须无限缓慢。 3. 可逆过程和不可逆过程 若系统经历一个变化过程之后，能沿原来途径返回到 初始状态，且对系统与外界都不留下任何影响，则称 这样的热力过程为一个可逆过程。否则为不可逆过程。 4.循环 系统经历了若干不相重复的过程，最后回到初始状 态所形成的封闭过程叫做热力循环，简称循环。 可逆循环不可逆循环 动力循环：顺时针方向进行，系统对外做功顺时针方向进行，系统对外做功 制冷循环：逆时针，外界对系统做功逆时针，外界对系统做功 正循环正循环 p V T S 净效应：净效应：对外作功对外作功净效应：净效应：吸热吸热+ 正循环：顺时针方向正循环：

10、顺时针方向 2 1 1 2 逆循环逆循环 p V T S 净效应：净效应：对内作功对内作功净效应：净效应：放热放热- 逆循环：逆时针方向逆循环：逆时针方向 2 1 1 2 1.2热力学第一定律 本质：本质：能量能量转换转换及及守恒守恒定律在热现象上的应用定律在热现象上的应用 第一种说法：“热可以变为功，功也可变为热。 一定热量消失时，必产生与之数量相当的一定量 的功；消耗一定量的功时，必出现相应数量的 热。” 其数学描述为： Q=W KJ 第一类第一类 永动机是不可能实现的永动机是不可能实现的 第二种说法：任何一个系统，输入系统的能量减 去输出系统的能量，等于系统储存能量的增加。 一、实质与表

11、述 二、热力学第一定律解析式 Q1 Q2 Q3 Q4 W1 W2 W3 E1 E2 例如： Q1煤放热 Q2油枪 Q3 烟气热损失 Q4 散热 W1 送入煤粉 W2 送入空气 W3排走烟气 (Q1+Q2 + W1+W2) (Q3+Q4+W3)= E2- E1 (Q1+Q2 -Q3-Q4) (W3-W1-W2)= E2- E1 Qi-Wj=E 令Q= Qi 表示系统与外界交换的总热量 W= Wj 表示系统与外界交换的总功 E= E2- E1 表示系统储存能量的增加值 则得热力学第一定律解析式： Q-W=E （1-4） dQ-dW=dE（微元形式） （1-5） q=w+ e（单位质量表示） （1-

12、6） 三、热力学能、封闭系第一定律表达式 Q=W+U kJ （1-7） 或 q=w+u kJ/kg （1-8） 即输入系统的热量 Q-W=E Q=W+ 1/2m(c22 c12 )+mg(Z2- Z1)+(U2-U1） 与外界无物质交换，且假设与外界无物质交换，且假设 处于宏观静止状态（忽略动处于宏观静止状态（忽略动 能、势能）能、势能） 用于与外界交换功，膨胀功用于与外界交换功，膨胀功 成为系统内部能量的变化，成为系统内部能量的变化， U 热力学能的改变热力学能的改变 U U（u u）系统从外界得到的净能量系统从外界得到的净能量 叫热力学能或内能叫热力学能或内能-J-J，J/kgJ/kg 系

13、统总能系统总能=内能内能+外部储存能外部储存能 外部储存能外部储存能 宏观动能宏观动能 Ek= mc2/2 宏观位能宏观位能 Ep= mgz 机械能机械能 系统总能系统总能 E = U + Ek + Ep e = u + ek + ep 内能一般与系统同坐标，常用内能一般与系统同坐标，常用U, dU, u, du 四、焓、开口系的第一定律表达式 1.稳定流动 流入流出系统的质量流量，任一点的参数和流速，流入流出系统的质量流量，任一点的参数和流速， 系统储能，单位时间加入系统的热量和系统对外系统储能，单位时间加入系统的热量和系统对外 作的功都不随时间改变作的功都不随时间改变 p1、v1、 T1

14、u1、c1 p2、v2、 T2 u2、c2 A1 A2 Ws l1 I I q II II l 2 Z1 Z2 图1-5开口系稳定流动示意图 推动功：推动功： w推推 = P A dl = PV 2. 稳定流动能量方程（1-10） Q-W=E = m(c22 c12 )+mg(Z2- Z1)+(U2-U1）(1-10a) W 轴功Ws：对外输出的功对外输出的功 推动功PV（流动功）：把工质推入推出系统所作的功 系统与外界交换的功系统与外界交换的功W= Ws+P1V1-P2V2=Ws+ (PV) 则Q= U+ mc2 +mgZ+ (PV) +Ws 令H= U + (PV) 系统焓的变化系统焓的变

15、化 则Q= H+ （1-10） 1 2 2 1 2 s mcmg zW 1 2 开口系的热力学第一定律解析式 2 1 2 s qhcg zw 写成单位质量形式： 焓：焓：H =U+PV 单位：kJ 比焓：比焓：h=H/m =u + p v 单位：kJ/kg H、h系统焓的变化 焓焓是蒸汽动力循环与分析使用最多的一个状态参数状态参数。 开口系能量方程简化 1忽略动能、势能忽略动能、势能 1且系统与外界不产生且系统与外界不产生 功的交换功的交换 1且系统与外界无热交且系统与外界无热交 换换 s qhw qh s wh 1.3热力学第二定律 一.熵、自然过程的方向性 1.一切自然过程都具有方向性 a

16、.热可自发地由高温区传向低温区，反之，则不能； b.通过摩擦机械能能守恒地转变成热，反之，摩擦不能使 热变为功。 c.1根消耗1kWh的电阻丝，能极方便地变成等量3600kJ热， 但3600KJ热无论如何也转换不成1kWh的电能。 过程容易向自发的方向进行，但不能无代价的恢 复到原来的状态 2.熵 状态参数，给出自然过程方向性的定量描述 定义： dQ系统从温度为T的热源中可逆的吸取的热量 S：单位质量熵 单位： 物理意义：无序性的度量，系统混乱程度的表征（正比）无序性的度量，系统混乱程度的表征（正比） 自然过程总是向熵增的方向进行。自然过程总是向熵增的方向进行。 dQ dS T /()kJkg

17、 K 二、热力学第二定律及熵增原理 第一定律指出不同能量之间可以转化，没有揭示转第一定律指出不同能量之间可以转化，没有揭示转 化的方向和深度；化的方向和深度； 第二定律指出了一切自然过程的不可逆性。第二定律指出了一切自然过程的不可逆性。 表述：表述： 说法一：克劳修斯说法（热量传递） “热不可能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体。” 说法二：开尔文普朗克说法（热功转换） “只冷却一个热源而连续做功的循环发动机是造不成功的。” 上述两种说法是等价的，它证明了从古至今仍企图研制只有 单一热源的热机第二类永动机不会实现。 热力学第二定律本质 能量的转换是有方向性的，功变热，高温向低温能量的转换

18、是有方向性的，功变热，高温向低温 传热皆可自发地等价进行，反之就必须提供附加传热皆可自发地等价进行，反之就必须提供附加 条件，付出代价。条件，付出代价。 熵增原理 经历任意过程之后，孤立系统的熵只会增加（不经历任意过程之后，孤立系统的熵只会增加（不 等温传递为不可逆过程）或保持不变（等温下相等温传递为不可逆过程）或保持不变（等温下相 互传热为可逆过程），但永远不会减少。互传热为可逆过程），但永远不会减少。 定量描述即熵增原理定量描述即熵增原理 孤立系统的熵增 如图所示，孤立系统（与外界无热与功及质量 交换）：TATB。 B A 介质 绝热边界 由热源和传热介质组成的孤立系 ) 11 (0 BA

19、BA WBA TT dQ T dQ dT dQ dSdSdSdS 高温热源失去热量，熵变为：高温热源失去热量，熵变为： 低温热源得到热量，熵变为：低温热源得到热量，熵变为： 工质只作为媒体传热：工质只作为媒体传热： A A T dQ dS B B T dQ dS 0 W dS TATB dS0TA=TB dS =0 热一律否定第一类永动机热一律否定第一类永动机 热机的热效率最大能达到多少？ 又与哪些因素有关？ 热一律与热一律与热二律热二律 t 100不可能 热二律否定第二类永动机热二律否定第二类永动机 t =100不可能 三、卡诺循环 法国工程师法国工程师卡诺卡诺 (S. Carnot)， 1

20、824年提出年提出 卡诺循环卡诺循环 既然既然 t =100不可能 热机能达到的热机能达到的最高效率最高效率有多少？有多少？ 热二律奠基人热二律奠基人 效率最高效率最高 1. 卡诺循环：由两个可逆定温过程和两个可卡诺循环：由两个可逆定温过程和两个可 逆绝热过程构成正向循环。逆绝热过程构成正向循环。 s1s2 T s 1 2 0 3 4 T1 w0=q1-q2 T2 P v 1 2 0 3 4 可逆定温吸热 可逆定温放热 绝热膨胀做功 绝热压缩耗功 限定在温度区间 一个可逆循环 q2=T2s q1=T1s 四个可逆过程组成 4-1绝热压缩绝热压缩过程，对内作功过程，对内作功 1-2定温吸热定温吸

21、热过程，过程， q1 = T1(s2-s1) 2-3绝热膨胀绝热膨胀过程，对外作功过程，对外作功 3-4定温放热定温放热过程，过程， q2 = T2(s2-s1) 2.卡诺循环效率 1 2 1 2 1 2 1 0 111 T T sT sT q q q w TC t,c只取决于恒温热源只取决于恒温热源T1和和T2 而与工质的性质无关；而与工质的性质无关； 2 t,C 1 1 T T 卡诺循环效率的说明卡诺循环效率的说明 T1 t,c , T2 c ， ，温差越大， 温差越大， t,c越高越高 当当T1=T2， t,c = 0, 单热源热机不可能单热源热机不可能 T1 = K, T2 = 0 K, t,c 100%， 热二律热二律 三种卡诺循环三种卡诺循环 T0 T2 T1 制冷制冷 制热制热 T s T1 T2 动力动力 四、卡诺定理四、卡诺定理 热二律的推论之一热二律的推论之一 定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的 所有热机，以可逆热机的热效率为最高。所有热机，以可逆热机的热效率为最高。