高等工程热力学 童钧耕 第2章基本定律和能量可用性

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第二章热力学基本定律和能量的可用性

2§2-1

热力学第一定律

一、热力学第一定律一般表达式

运动是物质存在的形式，是物质固有属性。物质的运动形态是多样化的，能量也有不同的形式，在一定条件下可以从一种形式转换到另一种形式。物质不能创造也不能消灭，所以能量也是不能创造和消灭的，在能量形式的转换中能量的总量是守恒的。

能量转换及守恒定律是人类长期生活和生产实践的经验总结，是自然现象的基本规律之一。

能量转换及守恒定律：自然界中的一切物质都具有能量；能量有不同形式，能从一种形式转化为另一种形式；在转换中，能量的数量保持不变。3

对于孤立系：能量转换及守恒定律的普遍叙述系统的总能量E为物系储存的总能量热力学能（内部储存能）外部储存能宏观动能重力势能由于系统的能量变化外界的能量变化4省略下标sys，移项得——热力学第一定律的一般表达式。或系统和外界交换的能量：作功——传热——5二、闭口系统热力学第一定律表达式

——传入系统的热量等于系统储存能的变化及系统与外界交换功量之和。静止闭口系统中所以静止闭口系统的热力学第一定律表达式为简单可压缩系统，与外界只有体积功交换。可逆6第一定律第一解析式—功的基本表达式热讨论：1）对于循环2）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W的“+”，“–”，大小。例2-1含容器热容能量方程7§2-2开口系统热力学第一定律表达式

一、变质量系统基本方程

对于变质量系统，状态方程如质量为m

的理想气体，状态方程为变质量系统的理想气体状态方程的微分形式

同样，在变质量系统中，气体的热力学能及焓不仅与温度、压力等参数有关，而且还随质量m变化而变化。因此，8以质量流率的形式来表示或如控制体的出、入口有多个进入系统的微元质量离开系统的微元质量控制体积质量守衡：进入控制体的质量流率离开控制体的质量流率控制体中的质量变化率9在变质量系统中

——变质量系统基本方程

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单位质量的吉布斯函数也称为化学势热力学能变化换热膨胀功系统的质量改变变质量系统基本方程11二、开口系统热力学第一定律表达式

流入系统的能量流出系统的能量–系统内部储能增量ΔECV=12通除

不计控制体宏观位能及动能的变化热流率轴功率进入控制体的质量流量离开控制体的质量流量控制体中储存能的变化率13——开口系统热力学第一定律表达式单股流体进出的稳态稳流系统1kg气体的能量方程为——稳态稳流能量方程

写成如下形式推广到多股气流的情况，则稳流能量方程-心脏14三、绝热节流1.定义——由于局部阻力，使流体压力降低的现象。节流现象特点：

1)p2<p1；

2)强烈不可逆，s2>s1,I=T0sg3)h1=h2，但节流过程并非等焓过程；

4)T2可能大于等于或小于T1

理想气体T2=T1。2.节流后的温度变化

★焦耳-汤姆逊系数节流，取决于15

节流时状态在致冷区则T下降，节流时状态在致温区则T上升或下降取决于Δp的大小当气体温度T>Ti,max或T<Ti,min，节流后T上升如：常温节流后T上升，T2>T1...实验转回曲线TimaxTiminp0致温区致冷区h1h3h2★转回温度—节流后温度不变的状态的温度1617只要Q'不大于Q，并不违反第一定律?§2-4过程的方向性与热力学第二定律

热力学第一定律指出，能量不能产生也不会消灭，但可以从一种形式转变为另一种形式，其能量平衡关系式就是热力学第一定律表达式。

热力学第一定律只说明能量形式的变化及变化时数量关系，并未指明能量转变的方向；也没有提供能量转变及传递的条件。18？电流通过电阻，产生热量对电阻加热，电阻内产生反向电流电能不大于加入热能，不违反第一定律。不计摩擦，抽去隔板和放下隔板不违反第一定律。?？重物下落，水温升高;水温下降，重物升高到原位只要重物位能增加小于等于水降内能减少，不违反第一定律。19

热力学第二定律概括了人类对热力过程方向性的经验，是基本的自然定律，它不能从任何其它定律推导出来。

热力学第二定律存在着各种不同的表达形式，每一种说法都是根据观察客观事物的经验总结。热力学第二定律的各种表达形式都是等效的。

开尔文-普朗克说法：从一个热源吸取热量，而使之全部变成机械能的循环发动机是制造不出来的。

克劳修斯说法：热量不可能自发地从低温物体传向高温物体。

喀喇氏说法：“从系统的一个给定状态出发，在其邻近的区域内必然有这样的状态，它们是不能从给定的状态经绝热过程而达到的。”

喀喇氏说法虽抽象，但更具有普遍意义。20等效性证明

取i-j为可逆绝热过程;i-h为绝热过程，h-j为定容过程，构成循环i-h-j-i。循环净热量但违反开尔文-普朗克说法

热力学第二定律的实质:

表达了自然界中自发过程的方向性与不可逆性。

自发过程—可行；

自发过程的逆过程——必须有补偿过程同时存在；

故自发过程不可逆。

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自发过程方向性：各种过程总是朝着一个方向—孤立系统总是从不平衡态朝平衡态方向—进行，不能自发地反向进行，孤立系统达到平衡后，一切宏观变化停止。自发过程不可逆性—当系统达到平衡态后，在无外界影响的条件下，决不会自发地变为非平衡态。

从微观角度看，在某一瞬间，也许会发生如能量倒转传递这样的事件。从宏观角度看，自然界一切热过程具有方向性与不可逆性是完全正确的客观真理。从有限时间（宏观很短，但微观上足够长的时间间隔）和具有大量粒子，占有一定的体积体系来看，由宏观观察所得到的热力学第二定律的结论在指导工程实际中是完全正确的。

22§2-5熵方程和孤立系熵增原理

等号适用于可逆循环，不等号适用于不可逆循环。克劳修斯不等式：热量的符号以工质为基准。一、克劳修斯积分与熵热源温度由克劳修斯不等式可导得状态参数熵的定义式23▲据定义——系统与外界交换热量；据理想气体的熵变计算式▲考察自由膨胀无热、质交换——不可逆使系统熵增加。二、系统熵变化的原因▲熵是广延性质的参数——系统与外界交换质量；p2,v224三、闭口系熵方程或等号适用于可逆过程不等号适用于不可逆过程（热）熵流—吸热为正，放热为负熵产—不可逆时永远为正，可逆时为零熵流和熵产25闭口系（定质量系统）的熵方程

讨论：1、系统的熵增（或熵变）只取决于系统的初、终态；但熵流和熵产不只取决于系统的初、终态，与过程有关，而且熵产永远不小于零；2、对于任何可逆过程3、对于任何绝热过程，，或4、系统与外界传递任何形式可逆功时，都不会引起系统熵的变化，也不会引起外界熵的变化。26三、开口系熵方程

流入控制体的熵-流出控制体的熵+控制体熵产

=控制体熵的变化。27稳态稳流：

绝热稳定流动：例2-6.ppt例2-5.ppt28对于孤立系统

或——孤立系统熵增原理表达式，也是热力学第二定律的数学表达式。

孤立系统内进行的一切实际过程虽然使孤立系统的总能量保持不变，但使熵增加——熵增原理。讨论：

1、熵增原理可作为过程方向性的表述：对于绝热的闭口系统或者具有相互热作用的复合系统组成的孤立系统，熵是绝对不会减少的。因此使孤立系统和闭口绝热系熵减少的过程是不可能发生的。

四、孤立系熵增原理

2、熵增原理是个不守恒定律，只有在可逆过程中，孤立系统的熵才守恒。

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3、正是由于发生了不可逆过程，才使孤立系统的熵增大，不可逆的程度愈大，熵的增加也愈大。因此，可以用孤立系统的熵增来度量过程不可逆的能量耗散效应。

4、当孤立系统的熵达到最大值时，系统达到平衡。孤立系统总是由不平衡状态向平衡状态过渡，其熵值不断增大，达到平衡时，一切变化停止，熵也达到最大值。例2-4.ppt管内流动方向30用一组等熵线分割循环可逆小循环不可逆小循环可逆小循环部分：不可逆小循环部分：opvB........12..A

克劳修斯积分不等式和热力学第二定律数学表达式回顾☺克劳修斯积分不等式31可逆部分+不可逆部分可逆“=”不可逆“<”注意：1）Tr是热源温度；

2）工质循环，故q的符号以工质考虑。结合克氏等式，有克劳修斯不等式令分割循环的可逆绝热线无穷大，且任意两线间距离0，则32？☺第二定律的数学表达式33所以可逆“=”不可逆，不等号第二定律数学表达式讨论：

①违反上述任一表达式就可导出违反第二定律②热力学第二定律数学表达式给出了热过程的方向判据34a)b)若热源相同，则说明或热源相同，热量相同，但终态不同，经不可逆达终态s2'>s2（可逆达终态），如：q=0☺并不意味因为35§2-6能量转换的特性

各种不同形式的能量对人类的有用程度不同

能量的转换过程具有方向性与不可逆性

工程应用中，热力学第二定律具有特殊意义。

一、能量转换的限度

热量转变为功的限度

或循环过程中从热源吸取的热量q不能全部转换为功，其最大值为。36热力学能转换为有用功的限度

闭口系统绝热过程，系统由初态1变化到终态2，热力学能转化为功:

初态一定时，其终态2不能随意给出:

绝热系统热力学转换为有用功最大值为

相反，任意数量有用功可以通过耗散全部转换为热力学能。

能量转换的非对称性——机械能和电能可以不受限制地转换为热力学能；但即使是可逆过程热力学能和热量不能全部转换为功。37二、能量转换的规律

能量转换程度作为准则1、无限转换能

2、有限转换能

3、非转换能一切形式的能量由㶲和火无组成，㶲是能量的属性。

能量可转换为任何其他形式能量的部分—㶲能量中无法转变为的部分—火无在给定的环境介质下能量=㶲+火无，其中每一组成部分可分别为零。根据㶲和火无，热力学第二定律也可表述为：（1）一切不可逆过程中，必有㶲转化为火无。（2）由火无转化为㶲的过程是不可能的。

（3）孤立系统的㶲减不增。

38一切过程都是不可逆的，㶲转变火无是无法改变的，无限转换能（㶲）的储存会不断地减少，所以人类活动不能建立在无节制向自然界的索取上。环境参数对能量转换的影响

☻环境介质作为一个无限蓄热系统，认为它永远处于平衡状态，而参与一切热力过程，即它能吸收热量或放出热量而不改变其强度参数T0及p0。☻环境中积聚的能量是无法利用的，全球海水质量约为

m=1.42×1021kg，如海水温度降低3.36×10–6K，其热力学能减小量相当于20世纪80年代中期全球一年用电量。☻系统与环境平衡的状态称为“死态”，在死态系统的热力学能完全丧失转变为机械能的能力。因此，各种形式能量中可转变为功的部分的计算都以环境状态为基点。39三、系统能量分析方法

目的：确定系统各部位的能量损失的性质、大小，提高系统或装置对能量利用的效率。方法：第一定律分析法和第二定律分析法依据—能量在数量上守恒；方法—计算各部位能量转换、传递、利用和损失的数量，确定该系统的能量利用或转换效率；特征—能量数量上的平衡，考虑了能量数量利用程度，反映能量数量的“外部损失”。如蒸汽动力装置热平衡揭示锅炉散热、排烟和不完全燃烧损失、汽轮机和管道等的散热损失及冷凝器的热损失；标志—装置的热效率。

☻第一定律分析法40☻第二定律分析法

依据—综合第一定律、第二定律；方法—从能量的数量和质量来分析系统各部位揭示出能量中㶲的转换、传递、利用和损失情况；特征—抓住不可逆过程中㶲转变为火无、火无不可能转变为㶲，揭示系统内部能量“质”的贬值和损耗；标志—系统㶲效率41两类方法所揭示的不完善部位及损失的大小不同设备能量损失占输入能量的比（%）㶲损失占输入㶲量的比（%）锅炉：燃烧过程传热过程烟道损失其他损失汽轮机冷凝器加热器其他合计9

≈047≈03594929.714.90.683.7241.51.05.561某蒸汽动力装置两种分析结果42

系统与外界有不平衡存在，即具备作功能力，作功能力也可称为有效能，可用能等。§2-7㶲一、热量㶲和冷量㶲热量㶲热量火无冷量㶲冷量火无电加热水过程㶲损43二、闭口系统工质的热力学能㶲闭口系统工质的火无为：

闭口系统由状态1变化到状态2时的最大可用功44三、稳流开口系统工质的焓㶲开口系统工质火无

当开口系统从初态1变化到终态2时，工质所能做的最大有用功就是初态与终态焓㶲之差45§2-8㶲损失和㶲平衡方程

一、不可逆过程的㶲损失和㶲减原理

孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均造成机械能损失，任何不可逆过程均是ΔSiso>0，所以熵产与㶲损失存在必然联系。例a)热能机械能热源：失q1冷源：得q2热机：输出46rev“=”irrev“>”不可逆使孤立系熵增大造成后果是机械能（㶲）减少若可逆循环，循环净功及放热中的㶲若不可逆循环，循环净功及放热中的㶲47b)热量：高温→低温rev“=”irrev“>”

若不可逆，TA>TB，以A为热源B为冷源，利用热机可使一部分热能转变成机械能，所以孤立系熵增大意味㶲损失。损失值为从A传出热量中含的㶲与从B传出热量中含㶲之差。A：失qB：得q48

c)机械功（或电能）转化为热能输入WsQ（=Ws），气体由T1

上升到T2，v1=v2。工质熵变外界ΔS外=0热能不可能100%转变成机械能，故ΔSiso>0还是意味㶲损失。㶲损失等于输入轴功与气体热力学能㶲的增量差

由于容器体积不变，散热不计，输入轴功等与热力学能增量，气体熵增即为过程熵产49d)有压差的膨胀（如自由膨胀）孤立系熵增（即熵增）意味㶲损失，50

一切自发过程都不可逆——㶲转变为火无无法改变，任何不可逆过程必引起㶲损失，因此实际过程中㶲不守恒。孤立系统的㶲减少原理：

——孤立系统中一切实际的或不可逆的过程都使系统的㶲减少，其极限（所有过程都可逆）使系统的㶲保持不变。任何使孤立系统的㶲增加的过程是不可能发生的。系统或过程㶲平衡方程：

输入系统的㶲—

输出系统的㶲—

㶲损失

=系统㶲的变化

51二、封闭系统的㶲平衡方程或㶲损失

系统输出的有用功机械功㶲热量㶲热力学能㶲差52㶲损失和熵产能量平衡：

热源熵变量：环境熵变量：

封闭系统不可逆过程的㶲损失，等于该系统及其外界组成的孤立系统熵增（或过程熵产）与环境温度的乘积。53三、稳定流动系统㶲平衡方程系统能量平衡：熵方程54物流㶲移项例2-7.ppt55TsoB1TmH.32A.4qT0qaqun..

系统与外界有不平衡存在，即具备作功能力，作功能力也可称为有效能，可用能等。热源传出的热量中理论上可转化为最大有用功的热量。因T0基本恒定，故qunΔs12★热量q1的可用能qa—热量㶲56讨论：

1）qa是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最高分额份额，称为热量

；

2）qun是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分，是热能的一种属性，环境条件和热源确定后不能消除减少，称为热量；

3）与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力，但循环中排向低温热源的热量未必是废热，而环境介质中的内热能全部是废热。

4）qa与热源放热过程特征有关，因此qa从严格意义上讲不是状态参数。57TsoB132AqT0qc...mn..整理★

冷量的作功能力

冷量—低于环境温度传递的热量。

58.讨论：

1）热量的可用能和冷量的可用能计算式差一负号。热量可用能冷量可用能3）热（冷）量可用能与T的关系。2