第2章 热力学基础

1、第2章 热力学基础2.1 流体的热力学性质 常用的流体的热力学性质有八个： 温度T、压力P（强度性质） 体积V、内能U、焓H、熵S、吉布斯自由能G、亥姆霍兹自由能F（容量性质） 它们之间存在相互关系：如V=f(p,T)2.2 系统和状态函数 系统：热力学将所研究的对象叫做系统。 孤立系统：与环境既无能量交换，又无物质交换的称为孤立系统。 封闭系统：与环境只有能量交换、没有物质交换的称为封闭系统。 敞开系统：与环境既有能量交换，又有物质交换的称为敞开系统。 想一想：地球是什么系统？2.2 系统和状态函数 稳定流动过程与非稳定流动过程 状态函数：由状态所决定的性质，统称为状态函数。状态函数的变化值

2、仅与系统的初态和终态有关，而与过程无关。 常用的状态函数有：温度T、压力p、体积V、内能U、焓H、熵S、吉布斯自由能G、亥姆霍兹自由能F2.2 系统和状态函数 能量：度量物质运动的一种物理量。 内能：与分子结构及微观运动的形式有关，属于系统内部的能量，用U表示。 位能：与物体的宏观位置有关的能量，主要是重力势能，由于重力的作用而具有的重力位能，Ep=mgZ。 动能：物体由于运动而具有的能量，用Ek表示，Ek=1/2 mv2。 总能量E是内能、位能和动能之和：E=U+Ep+Ek2.3 理想气体 理想气体的模型：理想气体的模型： 气体分子是弹性体；气体分子是弹性体； 分子是不占据体积的质点；分子是

3、不占据体积的质点； 分子之间除了相互碰撞外，没有相互作分子之间除了相互碰撞外，没有相互作用力。用力。2.3 理想气体 理想气体状态方程 pV=nRT 式中：p压强, Pa；V体积, m3； n物质的量, mol；T热力学温度,K； R气体热力学常数，8.314 J/(molK) 变形RTMmnRTpVRTpM2.3 理想气体 例2-1：已知工业常用氮气钢瓶的压力为13 MPa，体积为40 L，使用后剩余压力为0.1 MPa，使用时压力为标压，流量为1.8 L/min，问一瓶氮气可以使用多长时间？2.3 理想气体 例2-1， 解：过程中共消耗氮气原始压力p1=13-0.1=12.9 MPa，原始

4、体积v1=40 L， 使用压力p2=标压=0.1 MPa， 根据理想气体方程，使用体积 v2=p1v1/p2=5160 L 使用时间t=v2/v=5160/1.8=2867 min=47.8 h2.4 纯物质CO2的p-V图2.943.924.905.886.867.848.829.8000.0010.002160.0040.0060.0080.0100.012压力PMPa比容Vm3/Kg图三 标准曲线202710汽液并 存汽液C503531.1272010学习附录12.5 压缩因子 压缩因子：真实气体与理想气体存在偏差，用压缩因子Z表示，Z=pV/nRT 理想气体Z=1，真实气体状态方程在极

5、低压力和较高温度下Z=1。2.6 可逆过程与不可逆过程 可逆过程：一个热力学过程后，有可能使过程逆向进行，使系统和环境都恢复原来状态，不遗留任何变化，这种过程称为可逆过程。 不可逆过程：实际过程都是不可逆过程，不可逆的原因在于耗散效应，非平衡损失。造成不可逆过程的因素有：流动压差、传热温差、传质浓度差、化学势差。2.7 热力学基本关系式 H=U+pV=pV+F+TS=G+TSHUpVpVTSTSGFSVUVSUSpHpSHVTFTVFpTGTpGpdVTdSdUVdpTdSdHpdVSdTdFVdpSdTdGTpTVSpSV2.7 麦克斯韦关系式pSSVpTVTTpVSpTTVpSSVVTSp

6、2.8 理想气体的焓与熵 焓的计算： 熵的计算：TTpPTdTcHH0*0*,0*0*,ln0ppRdTTcSSTTpPT作业 P43，2-10：设氯在27 oC、0.1 MPa条件下的焓、熵值为零，试求227 oC、10.0 MPa条件下氯的焓、熵值。已知氯在理想气体状态下的比定压热容为（式中T为开尔文温度） cp1=31.696+10.144*10-3T-4.038*10-6T2 J/(molK)2.9 热力学第一定律 热力学第一定律（能量守恒和转换定律）： 自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个式，它

7、能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。量的总和不变。 第一类永动机（?）是不可能造成的！2.9 热力学第一定律 热力学第一定律表达式：U=Q+W 稳流热力系热力学第一定律表达式：sWQzmgCmH221sWQzgCH2212.9 热力学第一定律 燃气轮机2.9 热力学第一定律 例2-2：有一燃气轮机装置如图示。空气流量m=10 kg/s；在压气机进口处的焓H1=290 kJ/kg；经过压气机压缩后，空气的焓升为H2=580 kJ/kg；在燃烧室中喷油燃烧生成高温燃气，其焓为H3=1250 kJ/kg

8、；在燃气轮中膨胀做功后，焓降低为H4=780 kJ/kg；然后排向大气。 试求：压气机消耗的功率；燃料消耗量（已知燃料发热量Hv=43960 kJ/kg）；燃气轮机产出的功率；燃气轮机装置输出的功率。sWQzgCH2212.9 热力学第一定律 解：稳流热力系能量衡算方程为 (1)对于压气机Q=0；c2=0； z=0，因而得 Wc=Ws= H=H2-H1=580-290=290 kJ/kg 所以压气机消耗的功率为 Pc=mWc=10290=2 900 kWsWQzgCH2212.9 热力学第一定律 解：稳流热力系能量衡算方程为 (2)对于燃烧室c2=0；z=0；Ws= 0，因而得 Q= H=H3

9、-H2=1250-580=670 kJ/kg 所以，燃料消耗量为 mF=mQ/Hv=10670/43 960=0.1524 kg/ssWQzgCH2212.9 热力学第一定律 解：稳流热力系能量衡算方程为 (3)对于燃气轮机Q=0；c2=0； z=0，因而得 Ws= H=H4-H3=780-1250=-470 kJ/kg 所以，燃气轮机发出的功率为 PT=mWs=10470=4 700 kWsWQzgCH2212.9 热力学第一定律 解：稳流热力系能量衡算方程为 (4)燃气轮机装置输出的功率为 P=PT-Pc=4 700-2 900=1 800kWsWQzgCH2212.10 热力学第一定律的

10、应用 节流现象： 流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。 绝热节流：节流过程中与外界交换的能量可以忽略不计。特征是：p2p1，H1=H2。？节流效应?工业应用2.11 热力学第二定律 热力学第二定律： 克劳休斯表述：热不能自动地从低温物体传给高温物体而不引起其它变化。 开尔文表述：不能从一个热源吸热，使之完全转化为功而不引起其它变化。 用熵表述：孤立系统的总熵变只能大于或等于0。2.11 热力学第二定律 熵(S) ： 反映系统内部分子运动混乱程度的热力学性质，小S表明系统处于有序状态；大S 表明系统处于无序状态。 热力学第三定律：在绝对

11、零度(0 K)，任何完美晶体的熵为零。2.11 热力学第二定律 熵增原理： 表述1：孤立系统的总熵变只能大于或等于零。S孤0 表述2：隔离物系总是向熵增大的方向自动进行变化，达平衡状态后，熵不再改变，即熵值增到最大。 表述3：当体系和环境经历任何变化后，熵的总量只会增加，永不减少。2.11 热力学第二定律 热力学第二定律揭示了热能不可能完全转化为功，那么转化的极限是多少呢？ 卡诺循环：卡诺设计了一部理想的热机，该热机进行的循环称为卡诺循环。在相同的高温热源温度和低温热源温度下，卡诺效率是最大的热机效率。2.11 热力学第二定律 1-2等温可逆膨胀过程：高温吸热Q1 2-3绝热可逆膨胀过程：对外

12、做功 3-4等温可逆放热过程：低温放热Q2 4-1绝热可逆压缩过程：此过程由外界提供压缩功2.11 热力学第二定律 卡诺效率 结论： 卡诺循环的热效率取决于高、低温热源的温度，T1越高，T2越低，循环热效率就越高； 卡诺循环的热效率恒小于1； 当两热源温度相等，即T1=T2时，C=0。第二类永动机不可能制成。1211211221211211lnlnlnTTTVVRTVVRTVVRTQQQQWNC2.11 热力学第二定律 卡诺定律： 所有工作于两个一定温度的热源之间的可逆热机，不管用什么工质或何种可逆循环，它们的热效率都相等且为最大，这就是卡诺定理。 意义： 揭示了热转化为功的极限，即定量的表示

13、了功和热质量上的差别； 它表示了同是热能，其转化为功的能力是因它的温度而异的，温度越高，其转化为功的能力就越强。2.11 热力学第二定律 蒸汽卡诺循环：以蒸汽为工质，可以方便的实现等温吸热和等温放热过程。 郎肯循环(Rankin cycle )：是最简单的蒸汽动力循环，由给水泵、蒸汽锅炉、汽轮机和冷凝器等几个主要装置组成。2.11 热力学第二定律 郎肯循环：水在水泵中被压缩升压；然后进入锅炉被加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入汽轮机膨胀作功，作功后的低压蒸汽进入冷凝器被冷却凝结成水。再回到水泵中，完一个循环。2.11 热力学第二定律 12.11 热力学第二定律 卡诺循环与郎肯循环的区别：2.12 轴功的计算 轴功：通过设备机械轴的转动实现热力系和外界之间功的交换做的功叫做轴功。 对于可逆过程： 对于液体，V近似不变：W s(R) =Vp 21vdpwRs2.12 轴功的计算 实际轴功的计算 对于产功装置，实际轴功小于可逆轴功 W S(ac) =M W S(R) 对于耗功装置，实际轴功大于可逆轴功 W S(R) = M W S(ac) 各类设