高等工程热力学

关于高等工程热力学第一章基本概念1.1工程热力学的研究对象及其特点热物理学(简称热学)

研究有关物质的热运动以及与热相联系的各种规律的科学，它渗透到自然科学的各个领域。工程热科学热物理学在工程领域的分支和应用，工程热科学涉及的内容很多，主要有工程热力学、传热学、物质的热物理性质以及这些性质在工程领域和新技术方面的应用等等。第2页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念热力学研究方法经典热力学方法：宏观描述方法统计物理学的方法：微观描述方法分别从不同角度去研究问题，它们自成独立体系，相互间又存在密切的联系，相互补充。宏观描述方法与微观描述方法的紧密结合，使热力学成为联系微观世界与宏观世界的一座桥梁。第3页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念热力学从对热现象的大量的直接观察和实验测量所总结出来的普适的基本定律出发，应用数学方法，通过逻辑推理及演绎，得出有关物质各种宏观性质之间的关系、宏观物理过程进行的方向和限度等结论。任何宏观的物质系统包括化学的、生物的系统，只要与热运动有关，总应遵循热力学规律。热力学基本定律是自然界中的普适规律，只要在数学推理过程中不加上其他假设，这些结论也具有同样的可靠性与普遍性。第4页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念经典热力学具有普遍内容的唯一的物理理论，是具有普遍性的一门科学，可应用于任何的宏观的物质系统。局限性：第一，它只适用于粒子数很多的宏观系统；第二，它主要研究物质在平衡态下的性质；其三，它把物质看为连续体，不考虑物质的微观结构。它只能说明应该有怎样的关系，而不能解释为什么有这种基本关系。第5页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念统计物理学热力学的微观描述方法从物质由数量巨大的分子、原子组成的前提出发，运用统计的方法，把宏观性质看作微观粒子热运动的统计平均值，由此找出微观量与宏观量之间的关系。弥补了热力学方法的不足，使热力学的理论具有更深刻的意义。局限性在于它需对研究的体系作出简化假设(微观模型)，使得所得到的理论结果常与实验不能完全符合。第6页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念

工程热力学热力学在工程领域的分支，是研究能量(特别是热能)的性质及其转换规律的科学热力学引用的概念常与能量及其转换有关。能量和物质不可分割，能量的转换有赖于物质状态的改变，而且能量具有数量和质量的双重属性。引入了与物质有关的概念，如理想气体、实际气体和蒸汽等；与描写状态和过程有关的概念，如平衡态、可逆过程等；又有熵、热能与机械能、热量与功量等对应的概念。围绕工程应用还引进表征能量利用经济性的概念，如热效率、火用效率等。热力学中的概念有些是建立热力学基本理论必不可少的，例如温度、平衡态、可逆过程、能量、熵、热量与功等，称为基本概念。基本概念中，温度是为研究热现象引进的物理量，平衡态与可逆过程是经典热力学的研究前提，因此这三个基本概念尤其重要。第7页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念

传热学研究由于温差而实现的热量传递规律的科学。热力学指出，凡是有温差的地方，就有热量自高温物体传向低温物体(或从物体的高温部分传向低温部分)。由于自然界到处存在温差，所以热量传递是普遍的现象。由于热量传递的推动力是温差，所以温度分布对热量传递有重大影响。采用数学的手段研究、分析热量传递过程，一般要假定研究对象是连续体，由于热科学研究对象由数量十分庞大的微观粒子所组成，所以只要被研究对象的几何尺度大于微观粒子的平均自由程，连续体的假定即可成立，温度等参数即可认为是连续函数。第8页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.2温度1.2.1温度的热力学定义物系的温度是用以判别它与其他物系是否处于热平衡状态的参数。温度的热力学定义明确给出了温度的物理意义。温度和热平衡概念直接联系，两物系只要温度相同，它们间就处于热平衡，而与其他状态参数如压力、体积等的数值是否相同无关，只有温度才是热平衡的判据。第9页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.2.2热力学温标温度测量的理论依据:热力学第零定律经验指出，实际测温物质标志温度的物理量和温度的关系，严格地讲都是非线性的，这一函数随测温物质的性质而定。第10页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念

建立温标时，首先要规定温度和标志温度的物理量的函数关系这一关系不受具体测温物质的限制，可以任意规定。为使温度和标温物理量成正比，通常取成线性关系：为了确定待定常数，要选定温标的标准点，并规定标准点的温度数值。确定待定常数实质上就是规定温度计量单位的大小和温度的计数起点。第11页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念

国际上用水的汽、液、固共存的三相点为标准点，并规定三相点的温度为273.16K。国际单位制(SI)中温度的计量单位称为“开尔文”，单位符号为K。标定温度的公式某种标志温度的物理量相应于三相点状态之值第12页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念国际温标:以水的三相点为标准点，并规定其温度为273.16K，而建立的温标称为国际温标。摄氏温标:如标准点和温度计量单位的大小保持不变，而把标准点(三相点)的温度规定为0.01℃时，所得温标称为国际摄氏温标。国际温标与国际摄氏温标的关系是第13页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念建立温标时，对标定温度的物理量仅要求它和温度的变化成线性关系，除此以外，不受其他的限制。因此，标温的物理量可以和物质的性质有关，也可以和物质的性质无关，甚至实际中是否真正有这种性质的物理量存在也无关紧要。第14页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念如理想气体体积不变时，它的压力和温度成线性变化标温物质：理想气体当作，而把作为标温物理量：压力标准点：水的三相点第15页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念理想气体温标公式第16页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念另例：与物性无关的热量Q作为标温的物理量卡诺循环第17页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念卡诺循环热源放出或吸入的热量与热源的温度成正比这种应用热力学原理建立的温标称为热力学温标。但是，可逆循环难以实现，精确地测量Q和Qtp也有困难，所以热力学温标无法直接实施。尽管如此，热力学温标的建立有着深远的理论价值，它是最科学、最严密的基本温标。第18页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念理想气体温标的气体温度计虽与采用的某种气体种类无关，但温度读数必须校正到理想气体状态时读数。这种测量和修正都是极为精确和繁复的工作，只有极少数实验室有此条件，因此，目前气体温度计仅作为一级标准温度计。实用的二级温度计采用国际实用温标，它所得出的温度偏离热力学温标极小，广泛用于校核科研或工业用温度计。第19页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念1990国际温标(ITS-90)规定：①容易复现的固定点的气体温标温度和用以检定仪器的二级参考点的温度；②二级温度标准的仪器仪表的度数用于根据固定点进行内插的公式。第20页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念第21页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念(ITS-90)将适用于温度测量和内插的方法概括为四个分区：(1)从0.65K到5.0K根据3He和4He的蒸气压测量；(2)从3.0K到24.5561K用氦气定容气体温度计测量；(3)从13.8033K到1234.93K按照技术规范用在表中的固定点标定的标准铅电阻温度计测量；(4)高于1234.93K通过测量可见光谱的辐射强度，与Ag、Au或Cu凝固点同波长辐射强度比较，并且根据普朗克黑体辐射方程确定温度值。第22页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.3.1平衡状态1.3平衡状态一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态称为平衡状态。平衡状态是研究热现象时为简化物体状态随时间变化的复杂性而引用的基本概念。热力学中的平衡是指物系的宏观状态而言，由于组成物系的粒子总在永恒不息的运动中，其微观状态，是不能不变的，如平衡态物系的温度不随时间变化，是指分子的平均移动动能为恒值。第23页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念平衡和均匀处于平衡状态物系的状态不随时间改变，平衡和时间的概念联系在一起。均匀则指物系内部空间各点的状态参数均匀一致，均匀是相对空间而言的。不平衡系一般是不均匀系，但处于平衡态的物系未必一定是均匀的。第24页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念处于重力场中的气体或液体平衡时上部和下部的密度不同，不能称为均匀系。但若所研究物系的高度有限，重力场对气体密度的影响甚微，可以忽略不计，从而把处于平衡状态的单相物系看作均匀系。汽液两相平衡的物系，即使略去重力场的影响，两相的密度相差甚大，此时，物系虽处于复相平衡状态，但不能看作均匀系了。第25页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.3.2局部平衡假设平衡状态下，由于势差消失，所以无论是热量的传递还是其他能量的传递的速率均趋于零。为了描述实际有限势差作用过程，常引用局部平衡假设。局部平衡假设是把处在不平衡状态的体系，分割成许多小部分(这些宏观上“小”的部分，在微观上仍包含有大量的粒子)，假设每小部分各自近似地处于平衡状态。这样，每一子体系，就可用状态参数来描述。对于像热力学能、熵等这样的广延参数，将各部分的数值相加，即可得整个体系的值，温度和压力这类强度参数，可以看作连续分布，形成所谓的“场’’的概念。第26页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念温度场就是物体中温度随时间和空间坐标的分布稳态温度场

第27页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.4平衡的判据热平衡力平衡相平衡化学平衡第28页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.4.1平衡判据在没有外界影响的条件下，一个系统是否平衡，完全由其本身的状态确定，所以可以用系统的某种状态函数作为平衡的判据。同时，可以想象平衡判据应随系统的约束条件而异。另外在导出平衡判据时应注意，系统可能发生化学反应或相变，一个总质量恒定的化学系统在达到化学平衡前各组分的质量并非恒量，因而系统的热力学能、焓及体积等性质也随各组分质量变化而变化。第29页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念孤立系孤立系熵增原理

孤立系自发变化的方向(dsiso>0)和实现平衡的条件(dsiso=0)约束条件:E=常数第30页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念对于只有体积变化功一种模式的功交换的简单可压缩系统和外界没有功交换：系统的体积不应改变无热交换：系统的热力学能也不变第31页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念非孤立系统简单可压缩系统与系统进行热量交换的外界热源温度包括膨胀功在内的系统对外作功的总和第32页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念若系统变化过程中温度T为常数，考虑到系统与外热源保持热平衡，则二者温度相等T=Tr

A,亥姆霍兹函数(Helmholtzfunction)第33页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念V=常数定温定容系统过程进行的方向是dAT,V<0；实现平衡的条件为dAT,V=0

第34页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念如约束条件为T=常数及p=常数定温定压系统可用自由焓变化指出过程的方向(dGT,p<0)及平衡的条件(dGT,p=0)自由焓，又称吉布斯函数(Gibbsfunction)第35页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念一个由r种物质组成的化学系统，它的自由焓函数因化学不平衡而产生的G的变化第36页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念第37页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念第38页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.4.2稳定平衡判据孤立系统判别是平衡或是非平衡用以确定平衡是否稳定第39页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念难以观察到的平衡态---不稳定平衡稳定平衡稳定与亚稳定平衡纯质饱和状态的饱和蒸汽和饱和液体属稳定平衡态，但是温度高于饱和温度的液体(过热液)和低于饱和温度的蒸汽(过冷蒸汽)只有在实验中方可观察到。如有凝结核心形成，过冷蒸汽会迅速消失而成饱和液体。过热液和过冷蒸汽都是亚稳定平衡态。第40页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念定温定容系统定温定压系统第41页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.5准平衡(准静态)过程和可逆过程1.5.1准平衡过程过程进行得相对缓慢，工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需的时间，即所谓的弛豫时间又很短，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致显著偏离平衡状态，这样的过程叫做准平衡过程第42页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.5.2可逆过程当物系完成了某一过程之后，如果有可能使它沿相同的路径逆行而回复到原来状态，并使相互作用中所涉及到的外界亦回复到原来状态，而不留下任何改变，则这一过程叫做可逆过程。不满足上述条件的过程为不可逆过程。第43页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念一个可逆过程，首先应是准平衡过程，同时在过程中不应有任何耗散效应，这是可逆过程的基本特征。准平衡过程和可逆过程的区别在于：准平衡过程着眼于系统内部的平衡，有无外部机械摩擦对工质内部的平衡并无关系，准平衡过程进行时可能发生能量耗散；可逆过程则是分析系统与外界作用所产生的总效果，不仅要求系统内部平衡，而且要求过程进行时不存在任何能量的耗散。可见，可逆过程必然是准平衡过程，而准平衡过程只是可逆过程的必要条件。第44页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.6热量和功1.6.1热量定义为：仅仅由于两个系统之间温度不同而引起的从一个系统向另一个系统传递的能量。按照这个定义，热量是在能量传递过程中的一种能的传递量，只有当热量越过系统的边界时，才能被确认为产生传热现象。所以，热量是在传送过程中的能量，不是存贮在系统中的能量，热量一旦传入系统，便转变为系统的分子、原子等粒子的微观动能或位能。虽然在系统与外界的能量相互作用的过程中可以区别为热量、各种形式的功量和其他能量，但一旦进入系统的边界，就无法再区分了。存储在系统中只有能量而区分不出哪些能量是通过传热、作功或其他方式传进来的。因此热量不是系统的状态参数，说物体有多少热量是错误的，只能说物体有多少能量。第45页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念第46页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念1.6.2功量力学中把力和力方向位移的乘积定义为功功是热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物。这里“举起重物”是指过程产生的效果相当于举起重物，并不要求真的举起重物。显然，和热量一样，功是热力系通过边界与外界交换的能量，不是状态的函数，所以与系统本身具有的宏观运动动能和宏观位能不同。第47页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念上述各式不仅对气体适用，不论是固体和液体只要是可压缩性物质都是适用的。第48页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念(2)拉伸弹性杠或金属丝所耗的功第49页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念第50页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念第51页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念第52页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念第53页,共127页，星期六，2024年，5月第一章基本概念第54页,共127页，星期六，2024年，5月第2章热力学基本定律和能量的可用性2.1热力学第一定律转移中的能量―热量及功储存中的能量―内部储存能与外部储存能2.1.1热力学第一定律一般表达式能量转换及守恒定律指出：自然界中的一切物质都具有能量；能量有各种不同形式，并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。第55页,共127页，星期六，2024年，5月第2章热力学基本定律和能量的可用性

对于孤立系，无论其内部如何变化，它的总能量保持不变。式中，E是物系储存的总能量。物系储存的能量有热力学能（内部储存能）和外部储存能之分。热力学能是与物质内部粒子的微观运动和粒子在空间的位置有关的能量，用U表示。如分子热运动的微观动能，分子相互吸引的微观位能，分子内束缚原子的化学能以及原子内部的束缚能等都属热力学能。热力学能由物质内部粒子的状态确定，是物质状态的函数。除热力学能外，物体作整体运动时还可有其他能量，这类能量要由物系外的参考坐标确定，故称为物系的外部储存能热力学中常见的外部储存能有物系作宏观运动时的宏观动能和在重力场中重力势能第56页,共127页，星期六，2024年，5月第2章热力学基本定律和能量的可用性物系的储存能如系统由多种物质所组成系统总能量E表示在给定状态下的全部能量，是系统处于某一状态下的状态参数。第57页,共127页，星期六，2024年，5月第2章热力学基本定律和能量的可用性热力学第一定律的一般表达式第58页,共127页，星期六，2024年，5月第2章热力学基本定律和能量的可用性2.1.2闭口系统热力学第一定律表达式仅取决于过程的初态及终态，而与过程所经历的路径无关点函数，这个参数就是系统的储存能E第59页,共127页，星期六，2024年，5月第2章热力学基本定律和能量的可用性静止闭口系中闭口系（控制质量系统）热力学第一定律表达式，它表明在过程中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。第60页,共127页，星期六，2024年，5月系统对外的功一般形式静止闭口系统的热力学第一定律表达式为闭口的简单可压缩系统在与外界只有可逆膨胀功交换时热力学第一定律表达式为第2章热力学基本定律和能量的可用性广义力广义位移的微量第61页,共127页，星期六，2024年，5月第2章热力学基本定律和能量的可用性第62页,共127页，星期六，2024年，5月2.2开口系统热力学第一定律表达式2.2.1变质量系统基本方程变质量系统理想气体第2章热力学基本定律和能量的可用性第63页,共127页，星期六，2024年，5月变质量系统的理想气体状态方程的微分形式热力学能及焓的微分表达式第2章热力学基本定律和能量的可用性第64页,共127页，星期六，2024年，5月理想气体在对控制体进行能量分析时应考虑到控制体中的质量可能发生变化。若在d时间内，进入系统的微元质量为6巩，离开系统的微元质量为6伙，则第2章热力学基本定律和能量的可用性第65页,共127页，星期六，2024年，5月如控制体的出、入口有多个，则质量方程可写为第2章热力学基本定律和能量的可用性质量流量第66页,共127页，星期六，2024年，5月闭口系统变质量系统第2章热力学基本定律和能量的可用性可逆过程1kg第67页,共127页，星期六，2024年，5月把上列ds、du、dv代入单位质量的吉布斯函数等于化学势变质量系统的热力学能变化除了由热交换，体积功交换引起外，还可以是由系统的质量改变而造成。吉布斯函数，自由焓第2章热力学基本定律和能量的可用性第68页,共127页，星期六，2024年，5月2.2.2开口系统热力学第一定律表达式第2章热力学基本定律和能量的可用性第69页,共127页，星期六，2024年，5月如控制体没有位能及动能的变化忽略进出口截面上气流的动能差和位能差第2章热力学基本定律和能量的可用性热流量控制体中储存能的变化率进入控制体的质量流量离开控制体的质量流量轴功率第70页,共127页，星期六，2024年，5月多股气流只有单股流体进出的稳态稳流系统第2章热力学基本定律和能量的可用性第71页,共127页，星期六，2024年，5月稳态稳流能量方程第2章热力学基本定律和能量的可用性第72页,共127页，星期六，2024年，5月2.3非稳态流动过程变质量热力过程向钢瓶充入氧气或自压缩气瓶放出空气启动柴油机等都是非稳定流动过程工程应用的例子。以容器壁面为控制面的热力系统，在进行过程时工质的数量会发生变化，变化的大小和快慢将直接影响到压力、温度等其他参数的变化情况。又如内燃机、活塞式压气机的压缩过程，或多或少总有漏气，这时，以汽缸内壁面为控制面的热力系统也是一个变质量系统。这种有工质数量变化的压缩过程在参数间的关系以及功量和传热量的计算上与常质量系统有较大的差别。第73页,共127页，星期六，2024年，5月基本任务是找出过程中系统状态参数之间的关系，计算系统与外界交换的热量、功量和质量。在分析变质量系统时应注意变质量系统与外界除了有功量及热量的交换外，还有质量的交换。通常，迁移的质量在离开系统时的状态为该时刻系统所处的状态，但进入系统的工质的状态则是由外界条件所决定的。第74页,共127页，星期六，2024年，5月非稳态流动是指体系内状态是随时间变化的流动过程，这时至少有一个状态参数随时间变化。很多情况下热力系开口边界处流入工质与流出工质的质流量不相同，流动工质做出的功率或与外界交换的热流量不一定为常数，这时热力系统内的总能往往是时间的函数。而任意时刻控制体积内的状态仍可作为均匀态。同时，需指出，充蒸汽与充气在物理本质上没有什么差别，只是对于各种蒸汽通常没有理想气体那样简单的状态方程式及热性质计算式，因而不易导出简明的解析式，求解时需进行迭代，或借助计算机。第75页,共127页，星期六，2024年，5月非稳态系统多为变质量系统，对控制体积写出以微分形式表达的能量平衡一般化关系式，结合质量平衡方程和气体的特性方程，最终确定控制体积中参数的变化规律以及通过控制面与外界交换的热量和功量，是求解非稳态流动问题广泛采用的方法。有时对非稳态问题用控制质量法也很方便。例如刚性容器中气体的放气过程，取放气前气体质量为控制质量（放气后则为控制体积内的质量与流出的气体质量之和）。针对控制质量写出定质量系能量方程及其他相关方程，最终也可得到控制体积的参数变化规律及能量关系。采用了两种方法，所得出结果是一致的，可以灵活选用。对于由多个子系统组成的复杂热力系，还需各个子系统之间的约束关系作为补充方程。第76页,共127页，星期六，2024年，5月第77页,共127页，星期六，2024年，5月第78页,共127页，星期六，2024年，5月第79页,共127页，星期六，2024年，5月第80页,共127页，星期六，2024年，5月第81页,共127页，星期六，2024年，5月第82页,共127页，星期六，2024年，5月第83页,共127页，星期六，2024年，5月刚性容器绝热放气过程中留在系统内气体状态变化规律与闭口系统可逆绝热膨胀过程相同。由于放气后压力降低，所以容器内气体温度与常质量系统可逆绝热膨胀一样总是下降的。物理意义上的区别:后者是一个不可逆过程，只是其不可逆性，仅表现在流出系统的那部分质量上，前者是可逆过程。此外，闭口系统绝热膨胀过程热力学能的减少用于对外作膨胀功，开口系统放气过程热力学能的减少，一部分是由于本身质量的减少，另一部分用于对排出气体作推动功。第84页,共127页，星期六，2024年，5月第85页,共127页，星期六，2024年，5月第86页,共127页，星期六，2024年，5月2.4过程的方向性与热力学第二定律过程具有方向性在自然界中自发发生的过程都是自发地趋向于平衡的过程：热量从高温物体流向低温物体气体从高压向低压膨胀物质从高浓度向低浓度扩散能量转换的方向性当机械能经过摩擦转变为热能时，全部机械能均可无条件地转变为热能。但在动力机械中，将热能转变为机械能时，只能有部分热能转变为机械能，其余部分必须变为更低温度的热能。这就是能量在相互转变时的条件，实质上也反映了能量转换的方向性。热力学第二定律概括了人类对于热力过程方向性的经验，是一个基本的自然定律，它不能从任何其他定律推导出来。第87页,共127页，星期六，2024年，5月热力学第二定律的各种表达形式都是等效的。开尔文一普朗克说法：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。不必求助于卡诺循环和卡诺定理即可推演出熵的存在，进而得关系式第88页,共127页，星期六，2024年，5月热力学第二定律的实质，就是表达了自然界中自发过程的方向性与不可逆性。进行自发过程的逆过程也是可以的，但必须有补偿过程同时存在。如把热能转变为机械功，除要在循环发动机中吸热，还必须有一部分热量排向冷源作为补偿的条件。这样就得出循环发动机的热效率必然小于1的结论。又如要使低温物体的热量排向高温物体，可以通过制冷机，消耗一定量的机械功（或其他形式的能量）之后实现。这部分消耗的机械能转变成了热量，这一机械能转变为热量的过程就是补偿的条件。自发过程的逆过程需补偿条件，故自发过程不可逆。上面的分析表明，所谓过程的方向性是指各种过程总是朝着一个方向进行，而不能自发地反向进行。这个方向就是孤立系统总是从不平衡态朝平衡态方向进行，当孤立系统达到平衡态后，一切宏观变化停止。自发过程的不可逆性即是当系统达到平衡态后，在无外界影响的条件下，绝不会自发地变为非平衡态。第89页,共127页，星期六，2024年，5月从宏观角度来看，自然界一切热过程具有方向性与不可逆性是完全正确的，是一个客观真理。如热量总是自发地从高温物体传向低温物体.从微观角度看，在某一瞬间，也许较冷物体中的某些动能较大的分子与较热物体中的某些动能较低的分子相互碰撞，这样就有可能使能量倒传。但从有限时间（宏观上很短，但微观上足够长的时间间隔）上来看，总是较热物体中的分子向较冷物体中的分子传输能量。又如在极小的空间中或高真空容器中，极有可能出现分子分布的不均匀状态，会不断地交替出现系统的平衡与非平衡的状态，即所谓“涨落现象”。但宏观的物体具有大量粒子，占有一定的体积，一旦出现系统平衡态后，绝不可能自发地又出现宏观意义上的非平衡状态。从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。第90页,共127页，星期六，2024年，5月2.5熵与孤立系熵增原理

2.5.1熵与孤立系熵增原理卡诺定理指出：任何一个热机的循环热效率不能大于工作在同样的两个恒温热源之间的可逆循环热效率，其表达式为从卡诺定理可导出克劳修斯不等式：工质在循环中与热源的换热量和换热时热源绝对温度之比的循环积分小于等于零，即第91页,共127页，星期六，2024年，5月状态参数熵的定义式不可逆过程第92页,共127页，星期六，2024年，5月等号适用于可逆过程不等号适用于不可逆过程必须强调指出：系统的熵是一个状态参数，其值只与系统所处的状态有关，与状态是如何达到的过程无关。孤立系统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。按照热力学第一定律，孤立系统中系统的总能量不变。按照热力学第二定律，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。这一结论称为孤立系统熵增原理。第93页,共127页，星期六，2024年，5月由上述讨论可得到：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所组成的孤立系统，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。孤立系统熵增原理说明，熵是不守恒的，只有在可逆过程中，孤立系统的熵才守恒。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。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。第94页,共127页，星期六，2024年，5月第95页,共127页，星期六，2024年，5月2.5.2熵的微观意义要从本质上去理解熵的意义必须采用微观的方法，即统计物理的方法。可以把熵看成系统“无序”程度大小的度量。所谓无序是相对于有序来讲的，空间中粒子分布越是不均匀、越是集中在某局部区域，即认为越有序，而粒子分布越均匀，则系统越无序。例如，在密闭的容器中，部分液体蒸发构成气液两相系统，由于液体中分子的密集程度大于气体，所以系统无序程度增加，反之，若密闭容器中气体液化成液体，其无序度变小。相同温度下，气体要比液体无序，液体则比固体无序。第96页,共127页，星期六，2024年，5月第97页,共127页，星期六，2024年，5月2.6熵方程2.6.1闭口系熵方程（热）熵流，是换热对系统熵变的“贡献”熵产，是不可逆性对系统熵变的“贡献”闭口系（定质量系统）的熵方程需要强调：

(l）系统的熵变只取决于系统的初、终态，它可正可负；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。第98页,共127页，星期六，2024年，5月熵平衡关系式流入控制体的熵+控制体熵产-流出控制体的熵=控制体熵的变化第99页,共127页，星期六，2024年，5月第100页,共127页，星期六，2024年，5月(2.50)(2.51)第101页,共127页，星期六，2024年，5月通过分析系统的熵产，可以了解过程的不可逆程度，指导确定和改进能量的转换过程。由于熵概念比较抽象，近年来引进了带有能量因次的新参数―，以较方便地在第二定律和第一定律结合的范畴下讨论有关能量转换问题。热量第102页,共127页，星期六，2024年，5月任意数量的功总是可以借助于不可逆耗散过程全部转换为热力学能。系统热力学能转换为功也有一定的限度闭口系统经绝热过程第103页,共127页，星期六，2024年，5月第104页,共127页，星期六，2024年，5月

环境介质可以看作无限大的系统，可认为它永远处于平衡状态，即将环境介质作为一个无限蓄热系统而参与一切热力过程，它能吸收热量或放出热量而不改变其强度参数T0及P0

。环境介质的热力学能的拥值为零，故而一切排放到环境中的能量不可能积聚起来重新转化为有用功，因此在环境中积聚的能量是无法利用的。

第105页,共127页，星期六，2024年，5月

全球海水的质量约为1.42x1021kg，如使海洋里的海水温度降低3.36x10-6K，则其热力学能减小量相当于20世纪80年代中全世界一年的用电量。但是这种能量转换的结果将使孤立系统的熵减小，是违背热力学第二定律的，因此这种转化是绝对不可能的。环境介质的热力学能以及由环境介质吸收的热量，自身完全丧失转化为机械能的能力。系统达到与环境介质的温度和压力相同的状态时，系统与环境介质处于相互热力平衡状态，与环境平衡的状态称为“死态”，在这种状态下，系统的热力学能也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。第106页,共127页，星期六，2024年，5月2.7.3第一定律分析法和第二定律分析法能量分析的理论依据：热力学第一定律和第二定律能量分析的方法：第一定律分析法和第二定律分析法第一定律分析法：依据能量在数量上守恒的关系，通过分析揭示系统各部位能量数量上转换、传递、利用和损失的情况，确定该系统的能量利用或转换效率。特点：抓住能量数量上的平衡，考虑了能量数量的利用程度，反映了能量数量的“外部损失”。例如，蒸汽动力装置的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，得到装置热效率。第107页,共127页，星期六，2024年，5月第二定律分析法：综合热力学第一定律、第二定律作为依据，从能量的数量和质量来分析系统各部位对能量利用和损失情况。其中烟分析法揭示能量中拥的转换、传递、利用和损失情况，得到系统拥效率。特点：抓住不可逆过程中拥转变为抚、抚不可能转变为拥，揭示出系统内部存在的能量质的贬值。两类方法所揭示的不完善部位及损失的大小是不同的。第108页,共127页，星期六，2024年，5月第一定律分析，最大的能量损失发生在冷凝器中第二定律分析法，由于放热温度很低，不可逆性及由此造成的拥损失并不大。相反，锅炉中的拥损失却高达49％。锅炉内燃料燃烧过程和高温烟气与水蒸气之间传热过程这两个不可逆过程使大量的拥蜕变为抚，也正是这两种不可逆过程引起的拥损失，才大大增加了通过冷凝器所排弃的热量。第109页,共127页，星期六，