热工基础 课件第2章 热力学第一定律和第二定律

第2章热力学第一定律和热力学第二定律系统储存能、焓h系统的热力学能分子动能分子位能

化学能

核能

热力学能（内部存储能）

移动转动振动分子动能取决于气体温度分子位能取决于气体容积对理想气体：热力学能总以变化量出现，其零点是人为规定的单位：U

:

[kJ]

u

:[kJ/kg]注意系统的总储存能外部储存能：

宏观动能

Ek=mc2/2

宏观位能

Ep=mgz机械能系统总能：E=U+Ek+Ep=U+mc2/2+mgze=u+ek+ep=u+c2/2+mgz开口系统的流动功

Wnet

Qp1,v1,t1,u1p2,v2,t2,u2pApvdx1kg工质所需推动功：

w推=pAdx=pv流动功：

p2v2-p1v1可将推动功理解为伴随工质流入流出系统所携带的一种能量注意状态参数-焓h

因此，定义焓：h=u+pv

[kJ/kg]

H=U+pV

[kJ]

工质流入或流出系统时，热力学能u和推动功pv总是共同出现。

1、焓是状态量

2、对流动工质，焓代表能量(热力学能+推进功)

对静止工质，焓不代表能量3、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决于热力状态的能量。说明热力学第一定律、闭口系能量方程热力学第一定律能量守恒与转换定律在热现象中的具体应用。热力学第一定律：热能可以转变为机械能，机械能可以转变为热能，在它们的传递和转换过程中，总量保持不变。能量守恒与转换定律：自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭，但可以从一种形态转变为另一种形态；在能量转化过程中，能的总量保持不变。=-离开系统的能量进入系统的能量系统储存能量的增量用热力学第一定律描述系统能量变化：闭口系统能量方程wq宏观动能和宏观位能通常无变化Δek=0Δep=0因此，系统能量增量仅为热力学能增量:Δuq-w

=Δuq=Δu+w

热力学第一定律解析式（基本能量方程）闭口系统能量方程q=u+w

q=du+w

单位工质：Q=U+W

Q=dU+Wm

kg工质：

适用于：

1）任何工质2)任何过程简单可压缩系的能量方程简单可压缩系的可逆过程：

w=pdv

q=Tds

q=du+pdv

q=u+pdvTds=du+pdv

Tds=u+pdv循环的能量方程将

q=du+w应用于循环：

循环的净热量等于净功闭口系能量方程应用气体在某一过程中吸热50kJ，同时热力学能增加84kJ，问此过程是膨胀还是压缩过程？若气体经历反向过程回到初态，此反向过程中气体吸热30kJ，问对外做功多少？Q=U+W

W=Q-

U=50-84=-34kJ（负功，压缩过程）

W=Q-

U=30-(-84)=114kJ稳定流动系统的能量方程实现条件：1.进出系统工质流量相等且不随时间变化；2.单位时间内系统与外界的热量、功量交换不随时间变化。稳定流动系统系统内各点状态参数不随时间变化的流动系统。wsqp1,v1,T1,u1,cf1,z1p2,v2,T2,u2,cf2,z2实际热机在正常运行时均可按稳定流动系统处理注意稳流系统能量方程wsqp1,v1,T1,u1,cf1,z1p2,v2,T2,u2,cf2,z2考虑1kg工质流过系统进入系统的能量：u1+p1v1+c2f1/2+gz1+q离开系统的能量：u2+p2v2+c2f2/2+gz2+ws系统能量的变化量=0（u1+p1v1+c2f1/2+gz1+q）-（u2+p2v2+c2f2/2+gz2+ws）=0根据热力学第一定律：稳流系统能量方程q-(u2-u1)=(p2v2-p1v1)+(c2f2-c2f1)/2+g(z2-z1)+ws流动功动能变化位能变轴功都属于机械能稳流系统能量方程q-(u2-u1)=(p2v2-p1v1)+(c2f2-c2f1)/2+g(z2-z1)+ws整理为：q

=(u2+p2v2)-(u1+p1v1)+(c2f2-c2f1)/2+g(z2-z1)+ws焓的定义：h=u+pvq=(h2-h1)+(c2f2-c2f1)/2+g(z2-z1)+ws对mkg工质：Q=(H2-H1)+m(c2f2-c2f1)/2+mg(z2-z1)+Ws稳流系统能量方程适用条件：任意流动工质；任意稳定流动过程1kg工质：微元过程：mkg工质：技术功动能工程技术上可以直接利用轴功机械能位能技术功wt技术功Wt技术功稳流方程改写为：单位质量工质的闭口和稳流方程wsq稳流开口系闭口系(1kg)容积变化功等价技术功闭口与稳流系统能量方程容积变化功w技术功wt闭口系统稳流开口系统等价轴功ws推进功(pv)几种功的关系？涉及各种功稳流系统能量方程wwtΔ(pv)Δc2/2wsgΔz做功的根源ws2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功wws

wt对功的小结可逆过程下的技术功可逆过程：对可逆微元过程：技术功在示功图上的表示12341140a1230b212ba1稳定流动方程的应用稳流能量方程的应用热力学问题经常可忽略动、位能变化例：c1=1

m/sc2=30

m/s

(c22-c12)/

2=0.449

kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0

oC水的h1=84kJ/kg100oC水蒸气的h2=2676kJ/kg透平机械主要指汽轮机、燃气轮机等1）体积不大2）流量大3）保温层q

0ws=-Δh

=h1-h2>0压缩机械主要指泵、压缩机、压气机、风机等1）体积不大2）流量大3）保温层q

0ws=-Δh

=h1-h2<0换热设备主要指锅炉、凝汽器、换热器、蒸发器等热流体冷流体h1h2h1’h2’没有作功部件热流体放热量：冷流体吸热量：焓变绝热节流过程流体通过的截面突然缩小，称为节流。如管道阀门、膨胀管、毛细管等。没有作功部件h1h2q

0一般认为过程绝热绝热节流过程前后h不变，但h不是处处相等喷管和扩压管q

0动能与焓变相互转换喷管目的：压力降低，速度提高扩压管目的：速度降低，压力升高动能参与转换，不能忽略课程介绍热力学第二定律热力学第二定律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热力学第二定律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100%热量发电厂功量40%放热热量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热力学第二定律

热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为功，而必须将某一部分传给冷源。理想气体T

过程q=w开尔文－普朗克表述

不可能制造一种循环工作的机器，其作用只是从单一热源吸热并全部转变为功。热力学第二定律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环境是个大热源第二类永动机是不可能制造成功的热力学第二定律热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。空调,制冷代价：耗功不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。克劳修斯表述热力学第二定律开尔文－普朗克表述

完全等效!!!克劳修斯表述违反一种表述,必违反另一种表述!!!两种表述的关系课程介绍卡诺循环和卡诺定理卡诺循环和卡诺定理法国工程师卡诺(S.Carnot)1824年提出卡诺循环热二律奠基人效率最高卡诺循环和卡诺定理卡诺循环示意图4-1绝热压缩过程，对内作功1-2定温吸热过程，q1=T1(s2-s1)2-3绝热膨胀过程，对外作功3-4定温放热过程，q2=T2(s2-s1)卡诺循环—

理想可逆热机循环卡诺循环和卡诺定理卡诺循环热机效率T1T2Rq1q2wnet卡诺循环热机效率卡诺循环和卡诺定理•

c只取决于恒温热源T1和T2

,而与工质的性质无关•

T1

c,T2

c

，温差越大，

c越高•

当T1=T2，

c=0,单热源热机不可能•

T1

=K,T2=0K,

c<100%，热二律卡诺循环热机效率的说明卡诺循环和卡诺定理卡诺定理—

热二律的推论之一

卡诺提出：卡诺循环效率最高即在恒温T1、T2下

结论正确，但推导过程是错误的当时盛行“热质说”

1850年开尔文，1851年克劳修斯分别重新证明定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机,以可逆热机的热效率为最高。卡诺循环和卡诺定理若

t,IR

>

t,R

T1T2IRRQ1Q1’Q2Q2’WIRWIR-

WR

=Q2’

-Q2

>0T1无变化从T2吸热Q2’-Q2WR假定Q1=

Q1’

要证明把R逆转-WRWIR=Q1-Q2WR=Q1’-Q2’

对外作功WIR-WR

开尔文的证明—反证法违反开表述，单热源热机卡诺循环和卡诺定理假定：WIR=WR若

t,IR>

t,RT1T2IRRQ1Q1’Q2Q2’WIR

Q1

<Q1’Q1’-

Q1

=Q2’-

Q2

>0从T2吸热Q2’-Q2向T1放热Q1’-Q1不付代价

要证明

Q1-Q2=

Q1’-Q2’

WR把R逆转克劳修斯的证明—反证法违反克表述

卡诺循环和卡诺定理卡诺定理-推论

在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质无关。T1T2R1R2Q1Q1’Q2Q2’WR1

求证：

t,R1=

t,R2

由卡诺定理

t,R1>

t,R2

t,R2>

t,R1

WR2

只有：

t,R1=

t,R2

t,R1=

t,R2=

c与工质无关卡诺循环和卡诺定理卡诺定理-推论

在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质无关。T1T2R1R2Q1Q1’Q2Q2’WR1

求证：

t,R1=

t,R2

由卡诺定理

t,R1>

t,R2

t,R2>

t,R1

WR2

只有：

t,R1=

t,R2

t,R1=

t,R2=

c与工质无关卡诺循环和卡诺定理多热源（变热源）可逆循环多热源可逆循环与相同温度界限的卡诺循环相比，热效率如何？Q1c

>Q1R多

Q2c<Q2R多bcda321456T2T1平均温度法：

∴

c

>

t,R多

Q1R多=T1(sc-sa)

Q2R多=T2(sc-sa)

Ts提高循环热效率的两条途径：1、降低平均放热温度（环境）2、提高平均吸热温度（循环、材料）卡诺循环和卡诺定理卡诺定理小结1、在两个不同T的恒温热源间工作的一切可逆热机

t,R

=

c

2、多热源间工作的一切可逆热机

t,R多

<

同温限间工作卡诺热机

c

∴在给定的温度界限间工作的一切热机，

c最高

热机极限

3、不可逆热机

t,IR

<

同热源间工作可逆热机

t,R

t,IR

<

t,R=

c

课程介绍克劳修斯积分热力学第二定律的数学表达式根据卡诺定理，工作于两恒温热源间的可逆热机，与卡诺热机效率相同：考虑吸放热的正负号，则：T1T2Rq1q2wnet克劳修斯不等式热力学第二定律的数学表达式o对任意可逆循环1-A-2-B-1，用一组可逆绝热线进行分割对其中微元循环a-b-c-d-a：adcbδQ1δQ2对吸热和放热过程积分求和：吸放热均用δQrev表示，热源温度均用Tr表示，则：

vp12BA热力学第二定律的数学表达式状态参数熵s的导出δQrev/Tr的积分与路径无关，一定是某状态参数的全微分取名为熵，用S表示：热力学第二定律的数学表达式对任意不可逆循环1-A-2-B-1，用一组可逆绝热线进行分割对其中微元循环a-b-c-d-a，因其不可逆，则有：考虑吸放热的正负号：对吸热和放热过程积分求和：oadcbδQ1δQ2vp12BA热力学第二定律的数学表达式克劳修斯积分不等式可逆循环：克劳修斯积分不等式=0可逆循环<0不可逆循环>0循环不可能热力学第二定律的数学表达式之一不可逆循环：热力学第二定律的数学表达式熵的物理意义定义：熵热源温度=工质温度克劳修斯不等式可逆时熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小熵的物理意义比熵热力学第二定律的数学表达式不可逆过程

S与传热量的关系任意不可逆循环pv12ab=可逆>不可逆热力学第二定律的数学表达式S与传热量的关系=可逆>不可逆<不可能热二律表达式之二对于循环克劳修斯不等式除了传热，还有其它因素影响熵不可逆绝热过程不可逆因素会引起熵变化=0总是熵增针对过程δQ=0dS>0课程介绍状态参数熵及孤立系统的熵增孤立系统的熵增原理熵流和熵产对于任意微元过程有：=：可逆过程>：不可逆过程定义熵产：纯粹由不可逆因素引起结论：熵产是过程不可逆性大小的度量。熵流：永远孤立系统的熵增原理熵流、熵产和熵变任意不可逆过程可逆过程不可逆绝热过程可逆绝热过程不易求ΔS≥

0

<

0ΔSf

≥

0

<

0ΔSg

>

0ΔSg

=

0ΔS=ΔSf

≥

0

<

0ΔSg

>

0ΔSf

=

0ΔS>

0ΔS=

0ΔSf

=

0ΔSg

=

0孤立系统的熵增原理熵变的计算方法理想气体仅可逆过程适用?1234任何过程Ts孤立系统的熵增原理熵变的计算方法非理想气体：查图表固体和液体：通常常数例：水熵变与过程无关，假定可逆：cp

=cv=cc=4.1868kJ/(kg.K)孤立系统的熵增原理熵变的计算方法假想蓄热器RQ1Q2WT2