热工基础与应用 (第4版)课件：热能转换的基本概念和基本定律

热能转换的基本概念和基本定律热能转换的基本概念一、热力系统与工质(一)热力系统

人为划定的一定范围内的研究对象称为热力系统，简称热力系或系统。热力系以外的物体称为外界；热力系与外界的交界处称为边界。

1、定义§1-1热力系统、状态及状态参数系统固定边界移动边界系统（二）、工质：用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。2、分类闭口系：与外界无物质交换的系统CM

开口系：与外界有物质交换的系统CV

按物质交换简单可压缩系：热力系与外界只有热量和可逆体积变化功的交换。孤立系：与外界无任何能量和物质交换的热力系。绝热系：与外界无热量交换的系统。热源：与外界仅有热量的交换，且有限热量的交换不引起系统温度变化的热力系统。按能量交换工质理想气体

实际气体

蒸气

二、平衡状态1、定义：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。2、实现条件：Δp=0ΔT=0(Δμ=0)。

(一)热力状态

热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。(简称状态)(二)热力状态

三热力状态参数、基本状态参数

（一）热力状态参数

1、定义：描述系统状态的宏观物理量

2、分类：广延量参数：有关，如H、U、S等，具有可加性

强度量参数：无关，如p、T、v、u、h

等

按与所含工质的量有关否基本状态参数：可以直接或易测的状态参数。如p、v和T。非基本状态参数：不能直接或易测的状态参数。如H、s、u

等

按是否直接或易测或3、数学特征：，（二）基本状态参数

1、比体积：比体积就是单位质量的工质所占的体积。即

2、压力：压力即物理学中的压强，单位是Pa。

绝对压力：p

大气压力：

：表压力

：真空度

3、温度：俗称是物体冷热程度的标志。

B．科学定义：温度是决定系统间是否存在热平衡的宏观物理量。C．温标：温度的数值表示

经验温标建立的三要素：

热力学温标：理论温标，符号T

单位

K

新摄氏温标：

符号t

单位℃。

t（℃）=T（K）-273.15

热平衡A．热力学第零定律

:如果两物体和第三个物体处于热平衡，则这两个物体之间必然处于热平衡。

国际实用温标：（ITS—90）

国际实用温标指包括水的三相点在内的若干固定点的温度，如下表所示

国际实用温标的固定点

同时，又把平衡氢三相点以上的温度分了三个区间，并给出了相应的温度计算公式：①-259.34℃～630.74℃――用铂电阻温度计测量，电阻丝是无应力的和退火的。公式（略）。②630.74℃～1064.43℃――用铂铑（10％）－铂热电偶测量，电动势与温度关系为

式中：由630.74±0.2℃的银凝固点与金凝固点温度确定。③1064.43℃以上――由普朗克辐射定律定义，用1064.43℃作参考温度，取

。3、状态方程式描述平衡态基本状态参数间关系表达式称为状态方程式。

2、状态参数坐标图状态参数坐标图四、状态参数坐标图和状态方程式

1、独立的状态参数：简单可压缩系统

2。

一、热力过程

定义：热力系从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和。（一）准平衡(准静态)过程

准平衡过程的实现定义：由一系列平衡态组成的热力过程实现条件：破坏平衡态存在的不平衡势差(温差、力差、化学势差)应为无限小。即Δp→0ΔT→0(Δμ→0)

§1-2热力过程、功量及热量

（二）可逆过程定义：当系统完成某一热力过程后，如果有可能使系统再沿相同的路径逆行而回复到原来状态，并使相互中所涉及到的外界亦回复到原来状态，而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程。

实现条件：准平衡过程加无耗散效应的热力过程才是可逆过程。力学例子：

二、可逆过程的功量和热量

一、体积变化功可逆过程的体积变化功

或

符号规定

系统对外作功：+

外界对系统作功：-可逆过程的热量（二）热量

或符号规定

吸热：+

放热：-

§1-3热力循环

1、定义：

工质从某一初态出发经历一系列热力状态变化后又回到原来初态的热力过程．即封闭的热力过程,简称循环。

2、分类

:按性质

可逆循环:全部由可逆过程构成。

不可逆循环:只要存在不可逆过程。按目的

正循环(即动力循环)：对外输出动力。

逆循环(即制冷循环或热泵循环）：制冷或制热。

3、能量利用经济性

能量利用经济性

动力循环：制冷循环：制热（热泵）：热力学第一定律

§2-1热力学第一定律及其实质热力学第一定律：热能可以转变为机械能，机械能可以转变为热能，在它们的传递和相互转换过程中，总量保持不变。

热力学第一定律的实质：“量”守恒

§2-2热力学能和总储存能一、内部储存能——热力学能：工质微观粒子所具有的能量。

热力学能分子运动所具有的内动能分子间由于相互作用力所具有的内位能

维持一定分子结构的化学能和原子核内部的核能

热力学能U

是状态参数；

比热力学能

u＝U/m

二、外部储存能

或

或三、总储存能

比储存能

§2-3热力学第一定律的一般表达式

一、一般的关系式为：

进入系统的能量—流出系统的能量＝系统能量的增量入—出＝增量

二、一般表达式：

出：

或

增量：入：§2-4闭口系的能量方程——热力学第一定律基本表达式

一、能量方程：

三、其他形式：

二、分析：

外热能

内热能或微元：

或可逆：

或或机械能

体积变化功热能§2-5稳定流动系统的能量方程

一、稳定流动系统

1、定义：稳定流动系统是指热力系统内各点状态参数不随时间变化的流动系统。2、实现条件：(1)进出系统的工质流量相等且不随时间而变；(2)系统进出口工质的状态不随时间而变；

(3)系统与外界交换的功和热量等所有能量不随时间而变。二、流动功

开口系统中工质流入和流出系统所作的推动功的代数和。

推动功：同理：或

流动功：三、稳定流动系统的能量方程

引入焓H：

或

或

对于微元过程：四、技术功及稳流能量方程的其他形式从而有

或

可逆过程：

或或五、焓

定义式比焓

物理意义：焓是开口系统中流入（或流出）系统工质所携带的取决于热力学状态的总能量。§2-6能量方程的应用

一、叶轮式机械1、动力机（汽轮机，燃气轮机）：

能量方程

化简：

同理可得

确立系统：稳定流动系统（sssf）叶轮式动力机叶轮式耗功机械

2、耗功机械（叶轮式压气机机，水泵）

三、热交换器

确立系统：sssf能量方程

化简：

设备示意简图

或

四、

(绝热)节流

确立系统：准sssf例1进入汽轮机新蒸汽的参数为，，，；出口参数为：，，；蒸汽的质量流量。试求(1)汽轮机的功率；(2)忽略蒸汽进、出口动能变化引起的计算误差。

依题意：q＝o，∆z＝0，故有解（1）取汽轮机进、出口所围空间为控制容积系统，如图所示，则系统为稳定流动系统。从而有

（2）忽赂工质进出口动能变化，单位质量工质对外输出功的增加量(或减少量)功率

忽略工质进出口动能变化引起的相对误差例2空气在一活塞式压气机中被压缩。压缩前空气的参数是：，；压缩后空气的参数是：，。设在压缩过程中每千克空气的热力学能增加，同时向外放出热量，试求（1）压缩过程中对每千克空气所做的功；（2）每生产压缩空气所做的功；（3）若该压气机每分钟生产压缩空气，带动此压气机要用多大功率的电动机？则系统为闭口系，能量方程为：解（1）（2）系统可视为稳定流动系统（如图所示）则能量方程为：由：得：由（1）知：（3）带动此压气机的电动机功率

热力学第二定律§3-1热力过程的方向性温差传热过程√×2、自由膨胀

气体自由膨胀

√×1、温差传热一、方向性

3、摩擦生热√×4、电容－电感电路电容－电感电路√×二、热力学第二定律的任务

研究热力过程的方向性，以及由此而引起的非自发过程的补偿和补偿限度是热力学第二定律的任务。§3-2热力学第二定律的表述克劳修斯的说法：不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。开尔文的说法：不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其他变化。其他说法，如：

第二类永动机是造不成的。热力学第二定律各种表述的等效性：热源：失去

冷源：失去

总效果：从单一热源吸热全部转变为功外界：得到§3-3卡诺循环和卡诺定理一、卡诺循环与概括性卡诺循环

卡诺循环由两个定温和两个绝热可逆过程组成，如右图。1、卡诺循环的组成2、卡诺循环的热效率（一）卡诺循环

（二）、概括性卡诺循环

1、组成

（理想气体）两个定温+吸热和放热变化率相同的过程+回热

2、热效率二、卡诺定理定理1：

假设且由，得

令B机逆转成为一制冷机，使A、B构成一联合热机：

热源：得到外界：得到

冷源：失去违反热力学第二定律的克劳修斯的说法，不可能

同理：不可能只有

反证法证明定理1

定理2：（三）、卡诺循环卡诺定理的意义1、

2、，应尽量减少不可逆

3、

不可能，不可能；

4、5、

热量有效能（热火用）：热量无效能（热火无）：

三、变温热源（多热源）的可逆循环

定义：

所谓平均吸热温度(或平均放热温度)是工质在变温吸热(或放热)过程中温度变化的积分平均值。吸热量：同理，平均放热温度：热效率用平均温度可表示为：平均吸热温度：§3-4状态参数熵考虑到Q

的正、负号

微元可逆循环a-b-c-d-a

整个可逆循环1-A-2-B-1

即：

或

一.克劳修斯不等式

考虑到Q

的正、负号

微元不可逆循环a-b-c-d-a

整个不可逆循环1-A-2-B-1

即：

克劳修斯不等式

热力学第二定律的数学表达式之一

§3-5克劳修斯不等式和不可逆过程的熵变产解：（1）作热机时（2）作制冷机时，按题设工作参数有例1：某热机从的热源吸热，向的冷源放热。此循环满足克劳修斯不等式吗？是可逆循环还是不可逆循环？若将此热机作制冷机用，从的冷热源吸热时，是否可能向的热源放热？

二、不可逆过程的熵变

对于不可逆过程1-A-2,构成循环1-A-2-B-1：

微元过程：

或

热力学第二定律的数学表达式之一三、熵流和熵产

熵流

熵产

§3-6熵增原理

一、孤立系的熵增原理

孤立系：

孤立系的熵增原理：孤立系统的熵可以增大或保持不变，但不可能减少。

热力学第二定律的数学表达式之一熵增原理的应用：

解（1）（2）例2：某热机从的热源吸热，向的冷源放热。此循环可行吗？是可逆循环还是不可逆循环？若将此热机作制冷机用，从的冷热源吸热时，是否可能向的热源放热？例3

设两恒温物体A和B，温度分别为1500K和500K。试根据熵增原理计算分析下面两种情况是否可行？若可行是否可逆？（1）B

向A传递热量1000kJ;

（2）A向B传递热量1000kJ

解

（1）（2）同理，对于A放出热量和B得到热量的情况，有例4

将0.5kg温度为1200℃的碳钢放入盛有4kg温度为20℃的水的绝热容器中，最后达到热平衡。试求此过程中不可逆引起的熵产。碳钢和水的比热容分别为