制冷原理-热力学三大定律

热力学三大定律2019年2月目录热力学第零定律1热力学第一定律2热力学第二定律3总结与习题4一、热力学第零定律如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。这一结论称“热力学第零定律”热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和温度的测量方法。19世纪30-40年代，迈尔·焦耳（德国医生）发现并确定了能量转换与守恒定律。恩格斯将这列为19世纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。能量转换与守恒定律定律指出：一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒定不变。至今为止，没有一个人提出一个事实不符合这条自然规律的，相反，在各个领域：天文、地理、生物、化学、电磁光、宏观、微观各领域都遵循

这条规律。热力学是研究能量及其特性的科学，它必然要遵循这条规律。二、热力学第一定律二、 热力学第一定律在热力学中，系统发生变化时，设与环境之间交换的热为Q，与环境交换的功为W，可得热力学能（亦称内能）的变化为ΔU=Q+W。热力学第一定律也可表述为：热可以变为功，功也可以变为热，在相互转变时能的总量是不变的。根据热力学第一定律，为了获得机械能，则必须花费热能或其他形式能量，第一类永动机是不可能实现的。二、 热力学第一定律能量是物质运动的度量，运动有各种不同的形态，相应的就有各种不同的能量。内能（内部储存能，热力学能）外部储存能（包括宏观动能、重力位能）系统储存能分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）核能化学能(一)内能（内部储存能，热力学能）

内能总以变化量出现，内能零点人为定二、 热力学第一定律系统工质与外力场的相互作用所具有的能量如：重力位能以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量

如：宏观动能

组成宏观动能Ek=mc2/2重力位能Ep=mgz机械能(二)外储存能二、 热力学第一定律E

=

U

+

Ek+Epe

=

u

+ek

+

ep对于没有宏观运动，并且高度为零的系统，系统储存能就等于内能，即E

=

Ue

=

u(三)系统总能二、 热力学第一定律二、 热力学第一定律功量与热量都是系统与外界所传递的能量，而不是系统本身的能量，其值并不由系统的状态确定，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，称为迁移能。能量的传递与转化作功和传热是能量传递的两种方式。二、 热力学第一定律例如：功随物质传递的能量热量外界热源外界功源外界质源系统作功：借作功来传递能量总是和物体的宏观位移有关。作功过程中往往伴随着能量形态的变化。传热：借传热来传递能量不需要物体的宏观移动。传热是相互接触的物体间存在温差时发生的能量传递过程。二、 热力学第一定律1、功1）膨胀功W：在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。膨胀功是热变功的源泉。单位J，lJ=lNm规定:系统对外作功为正，外界对系统作功为负。（2）轴功W：通过轴系统与外界传递的机械功除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量。定义:种类:刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换。注意:1、功气体膨胀做功（准平衡过程）示功图

系统体积发生微小变化所做的元功只与系统压力和体积的增量有关

1、功

只给初始状态和终了状态并不能确定功的大小，必须是从初始状态到终状态之间的变化轨迹（即过程曲线）才可以在示功图上形成封闭的区域，从而确定功的大小。定义：在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。规定:特点:是传递过程中能量的一种形式，与热力过程有关。系统吸热热量为正，系统放热热量为负。单位：2、热量kJ或kcal且lkcal=4.1868kJ2、热量工程上，功与热量是可以互相转换。消耗一定的功必然产生一定量的热；反之，为获得一定量的功必然要消耗一定量的热量。工程上，功与热不能直接转换，必须通过一定的系统介质（即工质）来完成。2、热量

pVWTSQ

示功图温熵(示热)图总结下：示功图与示热图一直敞开冰箱门能制冷整个房间吗？思考：打开冰箱凉快一下二、 热力学第一定律3、比热容

4、显热与潜热对固态、液态或气态的物质进行加热或冷却时，物质的相态不发生改变，但物质的温度会发生改变（或升温或降温），这个过程中物质所吸收和放出的热量称为显热。对固态、液态或气态的物质进行加热或冷却时，物质的相态发生改变，但物质的温度维持在某个温度不变化，这个相变过程中物质所吸收和放出的热量称为潜热。气态液态固态

凝固熔解

升华凝华

汽化凝结二、 热力学第一定律

二、 热力学第一定律例题1：有一闭口系统从外界吸收的热量为1000kJ，吸热后对外做的膨胀功为700kJ，试计算该闭口系统热力学能得变化量。

二、 热力学第一定律

二、 热力学第一定律2、开口系统能量方程式实际热力设备中的能量转换往往是工质在热力装置中循环不断地流经各相互衔接的热力设备，完成不同的热力过程后才能实现能量转换。因此分析这类热力设备时，常采用开口系即控制容积的分析方法。二、 热力学第一定律

根据热力学第一定律的基本能量方程式：进入系统的能量-离开系统的能量=系统中储存能量的增加二、 热力学第一定律

二、 热力学第一定律（3）能量方程式的应用压气机动力机（汽轮机、燃气涡轮）热交换设备（锅炉、空气加热器、蒸发器、冷凝器）

喷管要实现连续作功，必须构成循环。定义：热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。三、热力学第二定律热力学第二定律描述能量转换和转移时的方向、条件及限度问题。所有的热力过程必须同时符合热力学第一定律和第二定律才能实现。能量之间数量的关系热力学第一定律能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行?三、热力学第二定律自发过程的方向性自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。自然界自发过程都具有方向性.

热量由高温物体传向低温物体摩擦生热水自动地由高处向低处流动电流自动地由高电势流向低电势自发过程的方向性功量自发过程具有方向性、条件、限度摩擦生热热量100%热量发电厂功量40%放热三、热力学第二定律能不能找出共同的规律性?能不能找到一个判据?自然界过程的方向性表现在不同的方面热力学第二定律三、热力学第二定律三、热力学第二定律热力学第二定律揭示了一切热过程进行的方向、条件和限度。1、热力学第二定律的经典描述2、卡诺循环3、逆卡诺循环4、卡诺定理过程的方向性与不可逆性不能无条件进行的过程称为非自发过程。它是自发过程的逆过程，它的进行需要一定条件，付出一定的代价。例如，热量由低温传向高温需要消耗功等。可见，自发过程是不可逆过程。

第二定律的表述与实质

热功转换

传热

热二律的表述有60-70种

1851年开尔文－普朗克表述

热功转换的角度

1850年克劳修斯表述热量传递的角度开尔文－普朗克表述

不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。

热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源。冷热源:容量无限大，取、放热其温度不变。

环境是个大热源但违反了热力学第二定律第二类永动机：设想的从单一热源取热并 使之完全变为功的热机。这类永动机并不违反热力学第一定律第二类永动机是不可能制造成功的。克劳修斯表述

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。

热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。空调,制冷代价：耗功两种表述的关系开尔文－普朗克