第二章热力学定律

1、第二章热力学第一定律一、实质当热能与其它形式的能量相互转换时，能量的总量保持不变。适用于一切工 质，一切热力过程。平衡方程：进入系统的能量一离开系统的能量 =系统储存能量的变化量。二、储存能：系统储存的能量系统储存的能量称：内部储存能量和外部储存能1内部储存能 内能（热力学能）用 U表示，是状态参数。定义：a.储存于系统内部的能量；b.与工质粒子系统运动有关。特点：a.分子热运动形式的内动量，是温度的函数；b. 分子间相互作用的内位能，是温度的函数；c. 维持一定分子结构的化学能，原子核内部的原子能及电磁场作用下 的电磁能等。2Au = 1 du = u22、外部储存能量定义：需要同在系统外的

2、参考坐标系测量的参数来表示能量。宏观动能：mv22重力位能：mgz3、系统总的储存能热力学能、动能、位能之和1 2E =Umv mgz （J, KJ ）2单位储存能：e =u 1v2 gz2三、迁移能能量与热量（是过程量）能量是状态参数，但传递和转换则是靠做功和传热表现出来，故功量和热量都是系统与外界所传递的能量，而不是系统本身具有的能量，其值不由系统的状 态决定，而是与传递时所经历的具体过程有关，所以功量和热量不是系统的状态 参数，而是与过程特征有关的过程量。1、体积变化功W （或膨胀功）定义：系统体积变化所完成或膨胀功或压缩功。2、轴功W s系统通过叶轮机械的轴与外界交换的功。3、推动功或

3、流动功开口泵因工质流动而传递的功一一 PV 推动功 流动功：进出质量的推动功之类。4、技术功Wt :技术上可利用的功1 2Wt =Ws m ：v mg ：z25、有用功和无用功体积变化 功w系统体积变化所做的功a. 过程可逆；2b. 膨胀功是可=pdv ；c. 膨胀功往往对应所求的功；a.轴功是开口系所求的功；轴功W S系统通过轴与外界交换b.当工质进出口的功，位能被忽略时的功Wt =W s所以此时开口系统所求的功也是技术功；流动功w开口泵存储质量迁移所流动功是进岀口推动功之差f做的功Wf=A(PV) = RV2 PV1 ；a.W s与 Wt的关系：技术功1 2Wt技术上可利用的功Wt=Ws+

4、mAv + mg 心 z ；2b.Wt与W1 , Wf 的关系；c.当过程可逆时；四、焓H:内能+推动功之和H=U+PV J KJ单位焓 h=u pvJ / g KJ/Kg五、闭口系的能量方程（控制质量）q = ：t wJ / gq = u w六、稳定流动系的能量方程1、稳定流动：开口系内任意一点的工质其状态参数不随时间变化而变化的流动过程。 具备三个条件：a.进出口截面参数与其无关；b系统与外界交换的功量和热量与时间无关；c.工质流量与时间无关，且进出口质量相等。2、稳定流动的功能量方程1 2进口： © =比 & gzpv21 2出口：仓=u2c2 gz2 p2v22、 1

5、 2 1 2列方程： wc1'gz1p1v1-u2C2gz2p2v2=q-ws2 21 2 2二 q =(h2 hj(C2 g ) g(Z2 zj w2=q =(h2 7) wt=q = : h wt热力学第一定律的第二解析式；七、一般开口系的能方程一般开口系指控制体积可胀缩的空间，各参数随时间而变化的非稳定流动系统。、 1 2微方程：SQ 二 dEcv (h cgz)cont.2八、能量方程式的应用a. 动力机：工质对机械做功r 1W吕t I 1 i?Ws hi - h2当动、势能均小，不考虑时Wt二Ws二hi - h?b. 压气机Wc-Ws 我 - hi (-q)机械对工质作功。换

6、热器q = h?十特点：只有能量交换的作用，冷损越小越好;1 2 2d.管道：2(C26 ) = g - h2e节流：hi=h2第三章理想气体的性质与过程一、理想气体的概念及状态方程1、分子间作用力分子本身体积理想气体忽略忽略实际气体要考虑要考虑2、状态方程：克拉贝隆方程Pv =RT3、阿佛加德罗定律：同温度同压力下气体摩尔体积相同。 注意：a.状态方程只能用于平衡态，不能用于过程计算；b. 必须采用绝对温度和绝对压力；c. 单位统一。二、理想气体的比热容1、定义：单位质量的物体温度升高1K或(1C)所需的热量称质量，简称比热容:ZqcJ/Kg*KT理想状态下，只是温度的函数：c=f(T)名称

7、比热容摩尔热容容积热容单位J/(Kg K)J /(mol K)J /(m3 *K)比定压热容cpCp *m1c p比定容热容c5 *m1c v比热容与等摩尔焓的关系：Cm二M二22.4C迈耶尔公式：CvCp = Rgcvm c pm - R定容时，dV =0,利用、：q = du - pdvdU dT定压时，dp =0,利用、：q 二 dh -vdpCpCp2、比容热与温度的关系dhdT简单可压缩系：C = f仃，P)理想气体：C = f (T)2a.真实比容热：C=aita2tb.平均比容热：从t1到t2时间间隔内，积分平均值-2dic.气体种类J/Kg *KCp,J/Kg KK单原子3r2

8、知2167双原子5r2-R21.40多原子7r2-R21.3定值比容热：当气体温度不太高，且变化范围不大，或粒度要求不高时K £Cv绝热指数:CpKK -1*R1三、理想气体的热力学能焓和熵焓:2二 U 二Cv dT2-hCp dT对理想气体，任何一个过程内能的变化量都和同样温度范围的定容过程内能 变化相等；对理想气体，任何一个过程焓的变化量都和同样温度范围的定压过程内能变 化相等；工程上可用下列集中方法计算a. 按定值比容求算；b. 按真实比容求算；c. 按平均比容求算；d. 直接利用图表；：(要注意基准点) 熵：dS 二T熵表达式与比容的表达式相似，但熵是T，P，V三者之间的函数

9、，即S = f (T，P，V)，比容只是与T有关的函数；熵的计算公式：(理想气体)已知(T，P)2时：IS 二 CdTp _P2Rln 2真实；p TP=S = CP *In邑- R InP定值；PiPi已知(T，V)2时：AS 二 CdT +VV2Rln 2真实；计TVi：S =Cv,T2In -丄V2R *ln -'定值；TiVi已知(P，V)2时：S = CdP -v:Cp匹真实;PiVAP2 丄V2=Cv *ln - - Cp -定值PiVi四、研究热力过程的目的和方法1、目的：力求通过有利的外部条件，合理的安排热力学过程以提高热能和机械能的转换率。2、任务：根据过程进行的条件

10、，设定过程中工质状态参数的变化规律，并分析能量的转换关系；3、分析热力过程的依据2q = ：u w = Cv ：t 亠 I P d v2q = :h *t *wt =Cp = - VdP4、研究方法和步骤方法：抽象简化为可逆过程，加以修正。 步骤：a.建立过程方程；b. 由方程建立初态 P V T参数，以确定未知数；c. 将过程中状态参数的变化规律，在图表上表示出来，进行定性分 析，P-V图，T-S图；d. 根据气体的性质，确定过程中ush (变化量)；e. 根据热力学第一定律，结合过程特征，计算过程中与外界交换的功 量(W或Wt )和热量。五、基本过程及多变过程的分析1定容过程v = con

11、stPv 二 RT2、定压过程P 二 constPv 二 RT3、等温过程T 二 constr v2Pv 二 RT- P2 y4、绝热过程PV K = c o n s tq =0,、q 二 CVdT P d VPv 二 RT、PVq 二 Cvd() Pd VR(Cv Cg )PdV Cv v dP =0,Cp * P *dV Cv *V d P 0P2TiT2V2T2CPCvPd v vd 片0kPdv vdP 二 0 dv dP 门K0v P知：两边积分：HeKIn PV 二 e5、多变过程PVn 二 e o n s t热力学中将符合该式的状态变化叫多变过程定压定容定温绝热n =001K第四

12、章热力学第二定律和熵第二定律的两种说法1克劳修斯（方向性）：不可能把热以低温物体传到高温物体而不引起其它 变化；2、开尔文（热功转换）：不可能从第一热源取热使之完全变化为功而不引起 其它变化。不仅有量的多少，而且还有质的高低第一定律与第二定律的比较1第一定律揭示了参与能量转换与传递的能量在数量上是守恒的，但满足 能量守恒原则的过程，能否实现并来说明；2第二定律揭示了热力学过程方向，条件和限度，只有同时满足第一、第 二定律过程才能实现。、卡诺循环与卡诺定律1循环：使工质经过一系列的状态变化，重新回到原来的状态过程，将热能 转化为机械能的循环，称为正循环（热动力循环）。将机械能转化为热能的循环叫逆

13、循环。（制冷、热泵） 循环功：工质完成一个循环对外做的净功或得到的净功。 正循环：膨胀功 > 压缩功逆循环：膨胀功 < 压缩功2、卡诺循环热效率为100%的热循环机是不存在的。排除一切不可逆的因素（认为可逆的）3、卡诺定理定理一：在相同的高温热源和相同的低温源之间工作的一切可逆循环，其 效率相等，与工质以及循环的形式无关。Ti定理二：在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆循环， 其热效率必小于可逆循环的热效率。意义：卡诺定律大大扩大了理想气体卡诺循环热效率公式的适用范围和应 用价值，使其带有普遍性。卡诺定律的证明方法采用的是反证法。4、实用价值和理论价值：a卡诺定律指

14、出了热效率的极限值，这一极限值仅与热源和冷源的温度有 关。b. 提出了热效率的根本途径在于提高热源温度和减低冷源温度，以及尽可 能的减少不可逆因素。c. 由于不花费代价的低温热源的温度以大气环境的温度To为限，那么温度为T的热源放出的热量Q最多有：Wne产 0（1-¥）或 Wnet（1-¥）可能转化为功的部分，而Q。=Q *T0或Q。二T°、g无论如何也不可能转化为功，这就揭示了热交功的极限。5、多热源的可逆循环（实际工作中常见） 、熵的导出及孤立系统的熵增原理1、在卡诺定律的基础上，克劳修斯从数学上严格的证明了工质经过任何可逆循环Q re / T r沿整个循环的

15、积分为0,即= 0Tr因此物理量、：Qre/Tr具有状态参数的性质，定义其为熵，以符号S表示Tr单位质量KJ/Kgds=2亠Tr由于是状态参数，即可通过计算与实际过程的，终态相同的任意可逆 过程的熵来确定不可逆过程的熵变。2、克劳修斯不等式克劳修斯在卡诺定律的基础上进一步导出了不可逆循环不满足克劳修斯不等式0'Tr结论：a.； Q永远小于0；' Trb. 第二定律的表达式之一;c. 判断过程是否可逆；另一种表达式：ds_匹T3、孤立的熵增过程由于冶 TSg由此可见，在不可逆过程中引起系统熵变化的因素:由于与外界发生热交换，由热流引起的熵变，称为熵流由于不可逆因素而引起的熵增，此部分称为熵产厶SgJSf可正，可负,或零，Sg