第2章热力学基本定律(热一律)2010级g

1、本章本章内容、内容、要求：要求：掌握掌握2.定律的实质定律的实质3.定律的数学表达式及其适用范围定律的数学表达式及其适用范围4.定律的应用定律的应用1.内能、焓、熵、各种功等概念内能、焓、熵、各种功等概念热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律内容内容2-1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质2.1.1 背景背景 18th初，工业革命，热效率只有初，工业革命，热效率只有1% 1842年，年，Mayer阐述能量守恒和转化定律，阐述能量守恒和转化定律，未引起重视未引起重视 1840-1849年，年，Joule用多种实验证明热一律，用多种实验证明热一律，得到公认得到公认 190

2、9年，年，C. Caratheodory最后完善热一律：最后完善热一律：公理化公理化 17-18th，热质学为主。，热质学为主。但无法解释如冰摩擦融化等热现象但无法解释如冰摩擦融化等热现象推动对规律的研究推动对规律的研究第一类永动机第一类永动机:不消耗能量不消耗能量而能对外连续而能对外连续作功作功的机器的机器亨内考的亨内考的“魔轮魔轮”(13世纪世纪)达达芬奇的芬奇的“永动机永动机”(15世纪世纪)斯特尔的水力永动机斯特尔的水力永动机(16世纪世纪)浮力永动机浮力永动机梁星人梁星人“宇宙引力宇宙引力”发动机发动机梁星人：梁星人：祖籍广东梅县，祖籍广东梅县，出生于马来西亚，留学美国，出生于马来西

3、亚，留学美国，通晓通晓8 种语言，获美国核物种语言，获美国核物理哲学博士及经济学博士学理哲学博士及经济学博士学位，现为新加坡华人。位，现为新加坡华人。 因为拒绝将发明创造的因为拒绝将发明创造的空前绝后的最尖端的绝密技空前绝后的最尖端的绝密技术献给某国，遭追杀，九死术献给某国，遭追杀，九死一生逃出该国！一生逃出该国！2004年国内十大科技骗局之六年国内十大科技骗局之六获宇宙能永动发电机、宇宙引获宇宙能永动发电机、宇宙引力能加速电动机车辆等力能加速电动机车辆等国家专国家专利利 22项（申请）项（申请）香港国际无形资产评估事务所香港国际无形资产评估事务所评估：评估：无形资产为无形资产为1265亿美元

4、亿美元海南星人永动机发电厂有限公司海南星人永动机发电厂有限公司：占地占地100亩，投资亩，投资1亿元，亿元，300万万kw宇宙引力能发电示范厂宇宙引力能发电示范厂北京世华永动源科技有限公司北京世华永动源科技有限公司南街村王宏斌投入南街村王宏斌投入2000多万。多万。1982-1997：水变油希望：希望：尊重客观规律，不要误入歧途。尊重客观规律，不要误入歧途。2.1.2 热一律的实质热一律的实质1、实质和表述、实质和表述实质是能量守恒和转换定律在热现象中的应用：实质是能量守恒和转换定律在热现象中的应用：热能与机械能可以相互转换，且转换前后的总量热能与机械能可以相互转换，且转换前后的总量保持不变。

5、保持不变。进入进入系统的能量系统的能量- -离开离开系统的能量系统的能量= =系统系统储存能的变化量储存能的变化量2 2、表达式、表达式2-2 2-2 能量的传递形式能量的传递形式系统与外界交换的能量系统与外界交换的能量，主要有三种形式：主要有三种形式：（1）功：）功：W（2）热量：）热量：Q（3）随物质带进（出）的物质本）随物质带进（出）的物质本身的能量身的能量热一律：热一律： 进入系统的能量进入系统的能量 - 离开系统的能量离开系统的能量 = 系统储存能的变系统储存能的变化化系统内物质系统内物质本身的能量本身的能量一、一、系统的系统的储存能储存能储存能：储存能：系统内物质本身具有的能量。包

6、括：系统内物质本身具有的能量。包括：外部储存能外部储存能( (系统整体宏观运系统整体宏观运动具有的能量动具有的能量) )内部储存能内部储存能( (储存于系统内部储存于系统内部, ,取取决于物质结构和微粒决于物质结构和微粒运动的能量运动的能量- -内能内能, ,U ) )宏观动能：宏观动能：E k = mc2/2宏观势能：宏观势能：E p = mgz物理内能物理内能化学内能化学内能（化学反应时）（化学反应时）内动能内动能( (分子平、转、振动分子平、转、振动) )= f (T)内位能内位能（分子间引力）（分子间引力）= f (T, v)核能核能（核裂、聚变时）（核裂、聚变时）工程热力学不涉及工程

7、热力学不涉及系统的总系统的总储存储存能：能： E = E k + E p + U( (热能热能) )内能的导出内能的导出（1）闭口系循环能量方程）闭口系循环能量方程储存能的变化量：储存能的变化量：dE 热一律：进入的能量热一律：进入的能量 离开的能量离开的能量 = 储存能的变化量储存能的变化量WdEQ对于任意闭口系：对于任意闭口系：吸热：吸热： Q对外做功：对外做功： W循环后：循环后： dE = 0系统系统对于循环对于循环1a2c1：1 22 1()()0acQWQW对于循环对于循环1b2c1：1 22 1()()0bcQWQW1 21 2()()abQWQW状态参数状态参数bpV12ac（

8、2）内能的导出）内能的导出Why?定义：定义：dU = Q - WU ：内能，：内能，状态函数状态函数二、二、系统与外界传递的能量系统与外界传递的能量热力学中对功的定义：热力学中对功的定义：热力系统通过边界而传递的热力系统通过边界而传递的能量能量, 且其全部效果可表现为举起重物。且其全部效果可表现为举起重物。 容积变化功：容积变化功：因系统容积变化与外界交换的功因系统容积变化与外界交换的功（包括：（包括：膨胀功和压缩功）。膨胀功和压缩功）。是热力学最重要的一种功是热力学最重要的一种功: 膨胀膨胀: :实现热能实现热能机械能；机械能机械能；机械能热能虽可通过摩擦等方法实现，但只有压缩是可逆的。热

9、能虽可通过摩擦等方法实现，但只有压缩是可逆的。 其他准静态功其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等拉伸功，表面张力功，电功等力学中的力学中的功功：WF x 1 1、功、功（1）做功）做功W（2）传热）传热Q（3）随物质流动而传递的能量）随物质流动而传递的能量(1) 准静态过程的容积变化功准静态过程的容积变化功以汽缸中以汽缸中m kg工质为系统工质为系统: 活塞向右移动微元距离活塞向右移动微元距离dx， dx很小很小，近似认为近似认为 p 不变，可视为不变，可视为准静态过程准静态过程.dxpp0A系统对外界作的膨胀功为：系统对外界作的膨胀功为：= p A dxm kg： W =pdV w =p

10、dv1 kg：( )=pdV适用范围：适用范围：准静态过程、可逆过程准静态过程、可逆过程21WpdV21wpdv W =F dx（2）讨论）讨论2）正负号规定：正负号规定： 对外为对外为正正对内为对内为负负1）w 的表达式全为系统内部参数，无需知道外力。的表达式全为系统内部参数，无需知道外力。3）膨胀功中的有用功膨胀功中的有用功WR： 准静态：准静态：WR W Wf p0(V2 V1)可逆：可逆：WR W p0(V2 V1)pp0ARf21wpdv4) 示功图示功图- p-v图图pV. .12. .pp021W是过程量，与路径有关是过程量，与路径有关 WpdV微元过程：微元过程： w =pdV

11、 = 微元面积微元面积1-2过程：过程：= 投影面积投影面积21WpdV(3) 容积变化功的计算容积变化功的计算21wpdv1）对于对于准静态、可逆过程准静态、可逆过程，可用可用上述公式计算。上述公式计算。 但还需要已知但还需要已知p-v函数关系、初终状态。函数关系、初终状态。2）对于对于非平衡过程非平衡过程，不能用不能用上述公式计算。上述公式计算。 但若外力但若外力R已知，则可利用外界条件计算：已知，则可利用外界条件计算： 系统膨胀功系统膨胀功=-外界反力对系统所做的功外界反力对系统所做的功21Rdxw例1空气从状态空气从状态1 (p1，V1)膨胀到状态膨胀到状态2 (p2，V2)，（1）

12、p-V图上过程线为直线；（图上过程线为直线；（2）可逆定温过）可逆定温过程。求程。求wpV12(1)(2)例2大气压大气压pb =0.1MPa，活塞面积，活塞面积A=100cm2 。初始状态。初始状态下弹簧与活塞接触但不受力，弹簧刚度下弹簧与活塞接触但不受力，弹簧刚度150N/cm。拔。拔掉销钉后，活塞无摩擦上升掉销钉后，活塞无摩擦上升20cm。 不计活塞重量，不计活塞重量，求求wpb =0.1 MPap1 =0.6 MPa活塞活塞销钉销钉2、热量、热量 1 1、定义、定义：系统与外界因温差而传递的能量系统与外界因温差而传递的能量2、符号：、符号：Q（q）3、单位：、单位：J （J/kg）4

13、4、正、负号规定：、正、负号规定：吸热为正，放热为负吸热为正，放热为负Q与与W类比类比能量传递方式能量传递方式 W Q性质性质推动力推动力标志参数标志参数公式公式pdvw Tdsq 公式适用条件公式适用条件图示图示pVWTSQP-V(示功图示功图)T-s（示热图示热图）过程量过程量过程量过程量TpdS , dsdV , dv准静态或可逆准静态或可逆可逆可逆3、随物质传递的能量、随物质传递的能量 1流动工质本身携带的能量：流动工质本身携带的能量：u + c2/2 + g z 2推动功：推动功：流动工质克服下游工质反力所做的功流动工质克服下游工质反力所做的功 Wf1=p1Adx =p1dV = p

14、1v1dm 1kg工质工质：wf 1 = p1v1设微元体设微元体 dm 在推力在推力(p1A)作用作用下移动了下移动了dx , 所做推动功：所做推动功：流动净功流动净功: Wf = p2v2 p1v1dxAdm反力反力p1流动流动系系统统1、与宏观流动有关，流动停止，推动功不存在。与宏观流动有关，流动停止，推动功不存在。2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、 wf pv 仅与工质所处状态有关，仅与工质所处状态有关，是状态量。是状态量。4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而是由外界做出的

15、、流动工质所携带的能量。而是由外界做出的、流动工质所携带的能量。5、推动功是由泵、风机等提供的。、推动功是由泵、风机等提供的。2.3 闭口闭口系统能量方程系统能量方程而而储存能变化量为储存能变化量为: dU Q = dU + WQ = U + W闭口系闭口系能量方程能量方程（热一律数学表达式热一律数学表达式）热一律：进入热一律：进入 离开离开 =储存能变化量储存能变化量则：则： Q W = dU，即：即： W Q q = du + wq = u + w单位工质：单位工质：适用条件：适用条件：任何工质、任何过程任何工质、任何过程问题：问题：方程中的微元符号有方程中的微元符号有d、之分，之分，wh

16、y?前者是无限前者是无限小增量，后者是无限小量（如功量）。小增量，后者是无限小量（如功量）。dU1-2: 定压过程，对外膨胀做功定压过程，对外膨胀做功50 kJ、放热、放热20 kJ；2-3: 定容过程，吸热定容过程，吸热100 kJ；1-3: 不可逆过程，对外做膨胀功不可逆过程，对外做膨胀功50 kJ。 求求: 过程过程1-3系统与外界交换的热量。系统与外界交换的热量。例例3 闭口系统能量方程的应用闭口系统能量方程的应用123VP门窗紧闭房间用电冰箱降温门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为系统以房间为系统 绝热闭口系统绝热闭口系统闭口系能量方程：闭口系能量方程：QU W0Q0UW0W T电电冰冰

17、箱箱门窗紧闭房间用空调降温门窗紧闭房间用空调降温以房间为系统以房间为系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程：闭口系能量方程：QU W0Q0W T空空调调 QQW0)(WQU2.4 开口系统能量方程开口系统能量方程 Ws Q1122u1gz12121cu2gz22221cp1v1p2v2dE热一律热一律: 进进 出出=dE进、出有哪些能量？进、出有哪些能量？(1) 热量：热量： Q(2) 轴功：轴功： Ws(3) 流体携带的能量流体携带的能量:ug z22c还有还有推动功：推动功：p vdm1dm2设：设：d 时间内时间内 Q + dm1(u + pv+c2/2 + gz)1 - m2(u +

18、 pv+c2/2 + gz)2 - Ws=dEdQQ ddmqimidWWsSddEE 令令：EWgzcvpuqgzcvpuqQmm121111122222222121令令：h = u + pvEWgzchqgzchqQmm12111222222121 2.4.3 焓焓（Enthalpy) ) 定义：定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 1 1、焓是状态量、焓是状态量2 2、对流动工质，焓代表能量、对流动工质，焓代表能量( (内能内能+ +推动功推动功) ) 对静止工质，焓不代表能量，理解为状态参数组合对静止工质，焓不代表能量，理解为状态参数组合3 3、物理意义：

19、开口系中随工质流动而携带的、取决、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决 于热力状态的能量。于热力状态的能量。4、工程实际多为开口系，、工程实际多为开口系， u 和和pv同时出现，同时出现， h 比比u应用更广。应用更广。2.5 稳定流动能量方程稳定流动能量方程稳定流动条件：稳定流动条件：稳定流动稳定流动（Steady Flow）：系统内任意点处参数系统内任意点处参数 不随时间变化。不随时间变化。1、mmmqqq212、constQ 3、constWS4、0ddEE代入开口系统代入开口系统能量方程一般表达式：能量方程一般表达式：EWgzcvpuqgzcvpuqQmm121111122222

20、222121稳定流动能量方程稳定流动能量方程1kg工质：工质：2s12qhcgzw 2221221122msccQqhgzhgzWswzzgcchhq1221221221微元过程：微元过程：swgdzdcdhq221适用条件：适用条件：稳定流动稳定流动任何工质任何工质技术功技术功即：即：2s12qhcgzw 稳流能量方程中，后三项为工程上可直接利用的机械能稳流能量方程中，后三项为工程上可直接利用的机械能stwzgcw221 稳流能量方程改写为：稳流能量方程改写为：twhq定义为定义为技术功技术功：技术上可资利用的功。符号：技术上可资利用的功。符号：wt能量方程等价性能量方程等价性, , 几种功

21、的关系几种功的关系等等价价稳流：系统状况不随时间而变，故整个流动过程可视为稳流：系统状况不随时间而变，故整个流动过程可视为一定质量的工质从进口状态变化到出口状态一定质量的工质从进口状态变化到出口状态稳流开口系稳流开口系等价于等价于一个控制质量的封闭系一个控制质量的封闭系twpvu)()twpvwwwt(pv)c2/ 2wsgz几种功的关系：几种功的关系：tqhw 开开quw 闭闭4 4种功全在该式中种功全在该式中()twpvw()twd pvwtwvdp准静态准静态qdupdvqdh vdp热一律解析式之一热一律解析式之一热一律解析式之二热一律解析式之二twvdp准静态准静态pdvw ()tp

22、dvd pvwvdppdv技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示1 12 2vdppdvpvp v1 12 2twwpvp v12 1ba12341 140a 230btwvdp 2-6 稳定流动能量方程的化简稳定流动能量方程的化简工程上常可忽略动、位能变化（工程上常可忽略动、位能变化（动能转换设备除外动能转换设备除外）例：例：c1=1 m/s，c2=30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.45 kJ/ kgz1 = 0 m ，z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kgs122f12f222)()(21)(wzzgcchhq1bar, 0 oC水水 h1 = 84 kJ/kg100 oC水蒸汽水蒸汽 h2 = 2676 kJ/kg h = 2592 kJ/kgsqhw 稳流方程的化简稳流方程的化简一、加热器或冷却器一、加热器或冷却器 heat exchanger二、涡轮机或压气机二、涡轮机或压气机 Turbines, compressors and pumps特点：特点：0swf1f2cc 12zz 12hhq0qf1f2cc 12zz 特点：特点：s122f12f222)()(21)(wzzgcchhq21shhw稳流方程的化简稳流方程的