第六章热力学基本定律

1、第六章第六章 热力学基本定律热力学基本定律 主要内容主要内容( , )uf T vpEmgz2kf12Emc2、重力位能、重力位能：Ep ，单位为单位为 J 或或 kJkpEUEE2kpf12eueeucgz2fk21mcE 热力系储存能热力系储存能E内动能内动能-温度温度 uf（T，v）内能内能U、u(热力学能热力学能)内位能内位能-比体积比体积重力位能重力位能 Ep Ep mgz外储存能外储存能宏观动能宏观动能 Ek E U+Ek+Ep 或 eu+ek+ep 1. 热量热量 热力系和外界之间仅仅由于热力系和外界之间仅仅由于温度不同温度不同而通过边界传递而通过边界传递的能量称为热量。的能量称

2、为热量。l热量是在热传递中物体能量改变的量度热量是在热传递中物体能量改变的量度,为为过程量过程量。l热量热量: Q , 单位为单位为J或或kJ 。 l单位质量工质与外界交换的热量用单位质量工质与外界交换的热量用q 表示表示,J/kg或kJ/kg 。 l微元过程中热力系与外界交换的微小热量用微元过程中热力系与外界交换的微小热量用 Q 或或 q表示。表示。l热量正负规定热量正负规定: l熵熵: S , 单位为单位为J/K 或或 kJ/K 。l单位质量工质所具有的熵称为单位质量工质所具有的熵称为比熵比熵, 用用 s 表示表示, 单位为单位为 J/（kg K) 或或 kJ/（kg K） 。 sTqd2

3、1对微元可逆过程对微元可逆过程 : q Tds 或或 Q TdS d0s 0q， d0s 0q， d0s 0q，对可逆热力过程对可逆热力过程1-2:STQd21或或图 T-s图l在力差作用下在力差作用下,热力系与外界发生的能量交热力系与外界发生的能量交换就是功量。换就是功量。 l功量亦为过程量。功量亦为过程量。l有各种形式的功有各种形式的功,如电功、磁功、膨胀功、如电功、磁功、膨胀功、轴功等。工程热力学主要研究两种功量形式轴功等。工程热力学主要研究两种功量形式: 体积变化功体积变化功 轴功轴功热力系对外作膨胀功热力系对外作膨胀功热力系对外作压缩功热力系对外作压缩功 如图所示如图所示, 1kg的

4、气体的气体 ;可逆膨胀过程可逆膨胀过程 ; p，A，dx对于对于pdvpAdxw2121pdvwwmkg工质工质21pdVmwW图2-2 体积变化功 示功图示功图示功图示功图21wpdv ws热力系向外输出轴功热力系向外输出轴功ws外界向热力系输入轴功外界向热力系输入轴功 l外界功源向其输入轴功将外界功源向其输入轴功将转换成热量而增加热力系转换成热量而增加热力系的热力学能。的热力学能。l刚性绝热封闭热力系不可刚性绝热封闭热力系不可能向外界输出轴功能向外界输出轴功 l热力系可向外输出轴热力系可向外输出轴功功, 如燃气轮机、蒸汽如燃气轮机、蒸汽轮机等轮机等l热力系可接受输入的热力系可接受输入的轴功

5、轴功, 如风机、压缩机如风机、压缩机 开口热力系在运行时，存在工质的流入、流出，开口热力系在运行时，存在工质的流入、流出，它们在经过边界时携带有一部分能量同时流过它们在经过边界时携带有一部分能量同时流过边界，这类能量包括两部分边界，这类能量包括两部分:l流动工质本身的储存能流动工质本身的储存能 E l流动功和推动功流动功和推动功Wf mgzmcUE2f21 如图所示，已知如图所示，已知dm，p，v，A 对对dm工质工质: Wf pAdx pdV pvdm 对对1kg工质工质 : 1kg工质流入和流出控制体的净流动功为工质流入和流出控制体的净流动功为 wf p2v2 p1v1 流动功是一种特殊的

6、功，其数值取决于流动功是一种特殊的功，其数值取决于控制体进、出口界面上工质的热力状态。控制体进、出口界面上工质的热力状态。 pvmWwdff推动功的表达式推动功的表达式推动功推动功（流动功、推进功）（流动功、推进功）pApVdx W推推 = p A dx = pV w推推= pv注意：注意： 不是不是 pdv v 没有变化没有变化对推动功的说明对推动功的说明1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推有关，流动停止，推动动功不存在功不存在2 2、作用过程中，工质仅发生作用过程中，工质仅发生位置位置变化，无状态变化变化，无状态变化3 3、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，并非工质本身的

7、能量（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，流动工质所而由外界做出，流动工质所携带的能量携带的能量可理解为：可理解为：由于工质的进出，外界与系统之由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统时所携带和所传递的一种能量出系统时所携带和所传递的一种能量 pVmgzmcU2f21pvgzcu2f21l令令 H U pV 焓焓(单位单位: J或或kJ ) 或或 h u pv 比焓比焓(单位单位: J/kg或或kJ/kg )l焓也是焓也是状态参数状态参数,与工质是否流动无关。与工质是否流动无关。 对开口热力系、流动工质，焓表示工质在流动过

8、程中携带对开口热力系、流动工质，焓表示工质在流动过程中携带的由其热力状态决定的那部分能量；的由其热力状态决定的那部分能量； 对封闭热力系，焓表示由热力学能、压力和比体积组成的对封闭热力系，焓表示由热力学能、压力和比体积组成的一个复合状态参数。一个复合状态参数。l引入状态参数焓后引入状态参数焓后, 流动工质传递的总能量为流动工质传递的总能量为: 或或mgzmcH2f21gzch2f21l什么是第一类永动机？与热力学第一定律的关系？请查阅请查阅 Q=U+Wvpd21 W Q适用条件：适用条件： 1）任何工质）任何工质 2) 任何过程任何过程内能及闭口内能及闭口系热一律表达式系热一律表达式定义定义

9、dU = Q - W 内能内能U 状态函数状态函数 Q = dU + WQ = U + W闭口系闭口系热一律表达式热一律表达式！两种特例两种特例 绝功系绝功系 Q = dU 绝热系绝热系 W = - dUdU = Q - W W Q dU 代表某微元过程中系统通过边界代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。即系统内部能量的变化。 U 代表储存于系统代表储存于系统内部的能量内部的能量 内储存能（内储存能（内能、热力学能）内能、热力学能） 75. 31245mUu 在在开口热力系开口热力系中，工质的流动状况不中，工质的流

10、动状况不随时间而改变，即流道中任意截面上工质随时间而改变，即流道中任意截面上工质的的状态参数不随时间改变状态参数不随时间改变. 单位时间内热力系与外界传递的热量和功量不随时单位时间内热力系与外界传递的热量和功量不随时间改变。间改变。 各流通截面工质的质量流量相等、且不随时间而改各流通截面工质的质量流量相等、且不随时间而改变。变。 12mmm1kg工质进入热力系带进的能量工质进入热力系带进的能量121f1121gzcue， 1kg工质工质流出热力系带出的能量流出热力系带出的能量222f2221gzcue， 又假定又假定1kg工质流经热力系时从外界吸工质流经热力系时从外界吸入的热量为入的热量为q，

11、通过热力系对外界输出，通过热力系对外界输出的轴功为的轴功为ws 02121s22222f211121f1wvpgzcuqvpgzcus1221f22f1221wzzgcchhq2fs1ddd2qhcg zw2fs12hcg zw 热力过程中可被直接利用来做功的热力过程中可被直接利用来做功的wt。对微元热力过程对微元热力过程s2ft21wzgcws2ftdd21wzgcw技术技术功功动能动能工程技术上可以直接利用工程技术上可以直接利用轴功轴功机械能机械能2f12sQHm cmg zW 2f12sqhcgzw 位能位能tWtwtQm hW tqhw tqhw wtqh（uw）（up2v2p1v1）

12、 即 wtw （p2v2 p1v1） 表明表明: 工质稳定流经热力设备时所作的技术功等于体积工质稳定流经热力设备时所作的技术功等于体积 变化功减去净流动功。变化功减去净流动功。tdqhw 2f12sqhcg zw l对于稳定流动的可逆过程对于稳定流动的可逆过程1-2上式中，上式中，v 恒为正值，负号表示技恒为正值，负号表示技术功的正负与术功的正负与dp相反，即：相反，即： wt 0 ，过程中压力降低，对外，过程中压力降低，对外做功；做功； wt 0 ，工质的压力增加，外界，工质的压力增加，外界对工质做功。对工质做功。212121211122tddddpvpvvpvpvpvpw21dqhv p

13、ddqhv p 2t1dwv p tqhw quw 2t12swcg zw t()tqhwupvw quw ()twpvw 1 12 2ddv pp vp vp vt1 12 2wwp vp vt()wwpv121ba12341 140a 230bs2t2/wgdzdcvdpw0sw2102vdpdcgdz2102dpdcdzgg三、稳定流动能量方程的应用 工程上工程上,对许多热工设备的运行对许多热工设备的运行,可利用简化的稳定流动能可利用简化的稳定流动能量方程式分析它们的能量关系量方程式分析它们的能量关系。1. 动力机械动力机械 l动力机械对外输出的轴功等于工质的焓降。 理论功率理论功率 2

14、. 泵与风机泵与风机l工质流经泵与风机，消耗的轴功等于焓的增加。 21shhw)(21msmhhqwqP12shhwsqhw sqhw sqhw s0w 21qhhh 210qhhh 210qhhh 解：解：工质的质量流量为工质的质量流量为 （kg/s） 进口比焓为进口比焓为 （kJ/kg） 动力机械输出的理论功率为动力机械输出的理论功率为 （kW）0400. 03373. 0104534111fmvAcq6 .25583373. 048.68923261111vpuh5 .466 .13956 .255804. 0)(21mhhqP 解：解：汽轮机的工作属于开口热力系的稳定流动。汽轮机的工作

15、属于开口热力系的稳定流动。 （1）由开口热力系的稳定流动能量方程得）由开口热力系的稳定流动能量方程得 1133.9（kJ/kg）1221f22f12s21zzgcchhqw3322101281. 91050140214 .33869 .222615 75. 09 .1133105014021322s21f22f21kwcc01. 09 .1133101281. 93s12pwzzg3 . 19 .113315sqwq43sm1093. 69 .1133360010220wqP （1）本题的数据具有实际意义。从计算中可）本题的数据具有实际意义。从计算中可以看到，忽略蒸汽进出口的动能差、位能差以以

16、看到，忽略蒸汽进出口的动能差、位能差以及散热损失，对输出轴功的影响均小于及散热损失，对输出轴功的影响均小于2，因此在实际计算中可以忽略不计。这同时说明，因此在实际计算中可以忽略不计。这同时说明，类似汽轮机的叶轮机械可视为绝热系统。类似汽轮机的叶轮机械可视为绝热系统。 （2）计算中涉及蒸汽热力性质，题目不但给）计算中涉及蒸汽热力性质，题目不但给出了出了p1，t1和和p2，而且给出了，而且给出了h1和和h2。事实上，。事实上，如掌握了蒸汽热力性质后，给出如掌握了蒸汽热力性质后，给出h1和和h2就是多就是多余的，它们可以由余的，它们可以由p1，t1和和p2及热力过程特点及热力过程特点查图、表解决。查

17、图、表解决。可逆循环可逆循环不可逆循环不可逆循环 全部由全部由可逆过程可逆过程组成的循环组成的循环组成循环的全部过程不均为可逆过程组成循环的全部过程不均为可逆过程正向循环正向循环逆向循环逆向循环根据热力循环所根据热力循环所产生的不同效果产生的不同效果 可逆循环可逆循环可以表示在状态参数坐标图可以表示在状态参数坐标图上，且为一条上，且为一条封闭的曲线封闭的曲线。 将将热能热能转变为转变为机械能机械能的循环称为正向循环的循环称为正向循环,也称也称为为动力循环动力循环或或热机循环热机循环 。 一切一切热力发动机热力发动机都是按正向循环工作的。都是按正向循环工作的。 正向循环在正向循环在p-v图上按顺

18、时针方向进行图上按顺时针方向进行。设设1kg工质在热机中进行一个正向循环工质在热机中进行一个正向循环1234l1-2-3: 膨胀过程膨胀过程,作膨胀功作膨胀功123v3v113-4-1: 压缩过程，作压缩功压缩过程，作压缩功341v1v33工质从高温热源工质从高温热源T1吸热吸热q1，向，向T2放热放热q2210qqw 循环净功循环净功w0quw 0u 在正向循环中，所获得的机械能与所付出的热量在正向循环中，所获得的机械能与所付出的热量的比值称为热效率。的比值称为热效率。1212110t1qqqqqqw适用于适用于任何循环任何循环 消耗功是完成逆向循环的必要条件。消耗功是完成逆向循环的必要条件

19、。 逆向循环在逆向循环在p-v图上按逆时针方向进行图上按逆时针方向进行。设设1kg工质在热机中进行一个逆向循环工质在热机中进行一个逆向循环143211-4-3: 膨胀过程膨胀过程,作膨胀功作膨胀功143v3v113-2-1: 压缩过程，作压缩功压缩过程，作压缩功321v1v33工质从低温热源工质从低温热源T2吸热吸热q2，向，向T1放热放热q1210qqw或或 消耗净功消耗净功w0021wqq逆向循环中向高温热源放出逆向循环中向高温热源放出的热量，来自于从低温热源的热量，来自于从低温热源的吸热量和消耗的循环净功的吸热量和消耗的循环净功 工作系数是所获得的收益与所花费的代价之比值，工作系数是所获

20、得的收益与所花费的代价之比值，用以衡量逆向循环的热经济性用以衡量逆向循环的热经济性 。21202qqqwq21101qqqwq 可能大于、等于或小于可能大于、等于或小于1，而而 总是大于总是大于1。l自发过程都是具有方向自发过程都是具有方向性的性的l 表述之间等价不是偶然，表述之间等价不是偶然，说明共同本质说明共同本质l若想逆向进行，必付出若想逆向进行，必付出代价代价l热力学第二定律指出了能量在传递和转换过程热力学第二定律指出了能量在传递和转换过程中有关传递中有关传递方向方向、转化的、转化的条件条件和和限度限度等问题。等问题。l针对不同的热现象热力学第二定律有不同的表针对不同的热现象热力学第二

21、定律有不同的表述，但其实质等效述，但其实质等效。1、克劳修斯（克劳修斯（Clausius）表述：不可能把热量从）表述：不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。低温物体传向高温物体而不引起其它变化。开尔文普朗克（开尔文普朗克（KelvinPlank）表述）表述不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产生其它影响。产生其它影响。如制冷机或热泵装置的工如制冷机或热泵装置的工作需消耗能量进行补偿作需消耗能量进行补偿 从从热功转换过程热功转换过程来表述，来表述， “第二类永动机不可能实现第二类永动机不可能实现” 卡诺循环解决了在确卡诺循环解决了

22、在确定的工作条件下热机定的工作条件下热机的工作效率可能达到的工作效率可能达到的极限问题。的极限问题。 卡诺循环在卡诺循环在p-v图图和和T-s图上的表示图上的表示:a-b: 定温可逆吸热膨胀过程定温可逆吸热膨胀过程, 工质从工质从T1吸热吸热q1, 在在T1下由下由a 膨胀至膨胀至b,并对外界作膨功；并对外界作膨功；对对1kg工质工质:b-c: 绝热可逆膨胀过程绝热可逆膨胀过程, 工质由工质由b膨胀至膨胀至c,由由T1 降至降至T2，并对外界作膨胀功；，并对外界作膨胀功；c-d: 定温可逆放热压缩过程定温可逆放热压缩过程, 工质由工质由c在在T2下向下向T2 放热放热q2被压缩为被压缩为d，外

23、界对工质作压缩功；，外界对工质作压缩功；d-a: 绝热可逆压缩过程绝热可逆压缩过程，工质由，工质由d经可逆绝热压缩经可逆绝热压缩 回到回到a，由，由T2升至升至T1，外界对工质作压缩功。，外界对工质作压缩功。恒温恒温热源热源恒温恒温热源热源由由T-s图图由正向循环热效率由正向循环热效率ab11ssTqdc22ssTq2t11qq ab1dc212c11ssTssTqq过程过程b-c、d-a为定熵过程，故为定熵过程，故dcabssss12c1TT t,c只取决于只取决于恒温恒温热源热源T1和和T2 而与工质的性质无关；而与工质的性质无关；2t,C11TT 卡诺循环热机效率的说明 T1 t,c ,

24、 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12c1TT0c112TTT 卡诺循环沿相反方向进行，即为卡诺循环沿相反方向进行，即为逆卡诺循环。逆卡诺循环。 逆卡诺循环的效果与卡诺循环的效果正好相反，逆卡诺循环的效果与卡诺循环的效果正好相反，工质从低温热源吸热工质从低温热源吸热q2，向高温热源放热向高温热源放热q1，并，并接受接受外界作功外界作功w0。 制冷系数制冷系数2c12TTT逆卡诺循环在逆卡诺循环在p-v图图和和T-s图上的表示图上的表示逆卡诺

25、循环是逆卡诺循环是制冷循环制冷循环和和热泵循环热泵循环的理想循环的理想循环 制冷系数制冷系数:212dc2ab1dc2212c)()()(TTTssTssTssTqqq211dc2ab1ab1211c)()()(TTTssTssTssTqqq2c12TTT112TTT （1）逆卡诺循环的制冷系数和制热系数只取决于高温热）逆卡诺循环的制冷系数和制热系数只取决于高温热源温度源温度T1和低温热源温度和低温热源温度T2。且随高温热源温度。且随高温热源温度T1的降低的降低或低温热源温度或低温热源温度T2的提高而增大。的提高而增大。 （2）逆卡诺循环的制热系数总是大于逆卡诺循环的制热系数总是大于1，而其制

26、冷系，而其制冷系数可以大于数可以大于l、等于、等于1或小于或小于l。在一般情况下，由于。在一般情况下，由于T2（T1-T2），所以），所以制冷系数也是大于制冷系数也是大于1的的。l卡诺定律可表述为：卡诺定律可表述为： （1）在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的）在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切热机，可逆热机的热效率最高。一切热机，可逆热机的热效率最高。 （2）在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的）在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切可逆热机，其热效率相等。一切可逆热机，其热效率相等。 卡诺循环与卡诺定理在热力学研究中的卡诺循环与卡诺定理在热力学研究中的重要意义重要意义: 它解决了热