工程热力学第9讲-第一部分复习-热一律和热二律应用.ppt

工程热力学工程热力学 第五讲 山东大学机械工程学院 过程装备与控制工程研究所 过程装备与控制工程专业 本讲内容 1 复习 Ch1 基本概念 Ch2 基本定律 2 练习 3 测验 复习复习 CH1 CH1 基本概念基本概念 理解并掌握基本概念： 系统、边界、外界、封闭系统、敞开系统、简单热 力系统、绝热系统、孤立系统； 状态、状态参数、基本状态参数、导出状态参数、 强度参数、广度参数、平衡状态、自由度、状态方 程； 过程、准静态过程、可逆过程、循环、正循环、逆 循环、可逆循环、不可逆循环； 压力、绝压、表压、真空度、温度、温标、比容； 过程量、状态量， pV 图、Ts 图等等。 掌握热力学第零定律 热力系统_基本概念 热力系统(热力系、系统)： 作为研究对象的人为指定范围内的物质。 边界（控制面）： 系统和外界之间的分界面。 边界的作用：系统与外界通过边界交换能量和质量。 边界的特性： 可以是固定的，也可以是运动的； 可以是真实的，也可以是假想的。 外界： 系统之外的物质。 热力系统_系统分类 以系统与外界关系划分： 有 无 是否传质 开口系 闭口系 是否传热 非绝热系 绝热系 是否传功 非绝功系 绝功系 是否传热、功、质 非孤立系 孤立系 状态和状态参数_基本概念 状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 状态参数：描述热力系状态的物理量 状态确定，则状态参数也确定，反之亦然。 状态参数的分类：( 是否可以直接测量 ) 1、基本状态参数： p T v 2、导出状态参数：H S U A G 状态参数的特征 状态参数的积分特征：点 函数 状态参数的变化量与路径 无关，只与初终态有关。 状态参数的微分特征：全 微分 设 z =z (x , y) 1 2 a b 可判断是否是状态参数 强度参数与广延参数 强度参数：与物质的量无关的参数 如压力 p、温度T、速度c、高度z 广延参数：与物质的量有关的参数可加性 如质量m、摩尔数n、容积 V、熵S、 内能 U、焓 H、动能Ek、位能Ep 比参数： 比容比内能比焓 比熵 单位：/kg /kmol 具有强度参数的性质 热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931） 如果两个系统分别与第三个系统处于 热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。 热力学第零定律是温度 测量的理论基础。 B 温度计 热力学第零定律 平衡状态 定义： 在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统 的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。 平衡的本质：不存在不平衡势 平衡的条件： 1、热平衡 2、力平衡 3、相平衡 4、化学平衡 温差 热不平衡势 压差 力不平衡势 相变 相不平衡势 化学反应 化学不平衡势 稳定不一定平衡，但平衡一定稳定 平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的 准静态过程和可逆过程 既是平衡，又是变化。 准静态过程既可用状态参数描述，又可进行热功转换。 只有准静态过程才能在坐标图中用连续实线表示，才可以用 热力学方法分析。 准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程 热力循环 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。 意义：要实现连续作功，必须构成循环。 分类： 正循环，逆循环 CH2 CH2 基本定律基本定律 掌握热力学第一定律的实质 掌握能量传递的三种形式 掌握三种功的相关知识 掌握三个能量方程 掌握热力学第二定律的实质 掌握循环热效率 掌握卡诺循环、卡诺定理 深刻理解熵的定义式及其物理意义，系统熵变的构成，熵 产的意义，熟练地掌握熵变的计算方法。 掌握克劳修斯不等式、孤立系统熵增原理,并掌握其应用。 热力学基本定律 能量转换方向 只有同时满足热力学第一定律和第二 定律的过程才能进行! 热力学第二定律热力学第二定律 热力学第一定律热力学第一定律 能量之间数量的关系 热力学第一定律 = 进入系统的 能量 离开系统的 能量 系统内部储存能量的 增量 - 进入或离开系统的能量主要有三种形式： 1）作功 2）传热 3）随物质进入或离开系统而带入或带出其本身所具有的 能量。 与状态有关 与过程有关， 通过边界 本质：能量守恒与转换定律在热现象上的应用。 功 功的一般表达式： W = F dx 准静态容积功： W = p dV 容积功、推进功、技术功、轴功的关系： w wt (pv) c2/2 ws gz ws 热量 q=cdT 能量传递方式 容积变化功 传热量 性质 过程量 过程量 推动力 压力 p 温度 T 标志 dV , dv dS , ds 公式 条件 准静态或可逆 可逆 内能 内能U 代表储存于系统内部的能量，是温度和比容的函数， 是状态量 。 符号/性质/单位： U : 广延参数 kJ u : 比参数 kJ/kg 内能总以变化量出现，内能零点人为确定。 dU 的物理意义：代表某微元过程中系统通过边界交换的微 热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。 W Q dU = Q - W 热力学第一定律表达式和适用条件 任何工质，任何过程 任何工质，准静态过程 任何工质，任何稳流过程 或 忽略动、位能变化 任何工质，准静态过程 热力学第一定律应用要诀 选择适当的系统 掌握能量传递的三种形式 学会简化： 热力学问题经常可忽略动、位能变化 透平机械（蒸汽轮机、燃气机等）输出的轴功等于焓降。 压缩机械输入的轴功等于焓升。 换热设备(锅炉、凝汽器、热交换器等) 换热量等于焓差。 绝热节流过程前后等焓。 喷管和扩压管中动能与焓变相互转换。 能建立恰当的微分方程，并正确求解。 热力学第二定律 各种表述等价不是偶然的，说明共同本质。 热力学第二定律的实质： 1.自发过程是不可逆的。 2.要使非自发过程得以实现，必须伴随一个适当的自发过 程作为补充条件。 热力学第二定律的推论： 1.热二律推论之一：卡诺定理，给出热机的最高理想效 率 2.热二律推论之二：克劳修斯不等式，反映过程方向性 3.热二律推论之三：熵，反映过程的方向性 自发过程 自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。 举例： 1.热量由高温物体传向低温物体 2.水自动地由高处向低处流动 3.电流自动地由高电势流向低电势 4.气体自由膨胀 5.混合过程 6.摩擦生热 7.燃烧反应 8. 自然界过程的方向性表现在不同的方面 热力学第二定律 热二律的表述有 60-70 种。 传 热热功转换 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 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。 热量不可能自发地 、不付代价地从低温物 体传至高温物体。 完全等效 ! 违反一种表述,必违反另一种表述 ! 卡诺定理 卡诺定理：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。 推论一: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。 推论二:在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆热机， 其热效率总小于这两个热源间工作的可逆热机的效率。 即在恒温T1、T2下, 卡诺定理讨论 1、在两个不同 T 的恒温热源间工作的一切 可逆热机 tR = tC 2、多热源间工作的一切可逆热机 tR多 不可能 热源温度 热二律表达式之一 熵 熵是状态参数，状态一定，熵有确定的值； 熵的物理意义： 熵体现了可逆过程 熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小 熵的微观意义：系统内部分子的混乱程度 用途： 判断传热方向 计算可逆过程的传热量 熵的性质和计算 不可逆过程的熵变可以在给定的初、终 态之间任选一可 逆过程进行计算。 l 熵是广延量； 熵的变化只与初、终态有关，与过程的路径无关; 熵流和熵产 对于任意微元过程有： =：可逆过程 ：不可逆过程 定义熵流： 熵产：纯粹由不可逆因素引起的熵增 结论：熵产是过程不可逆性大小的度量。 永远热二律表达式之一 孤立系统熵增原理 孤立系统：无质量交换、 无热量交换、无功量交换 。 孤立系统熵增原理：孤立 系统的熵只能增大，或者 不变，绝不能减小。 热二律表达式之一 最常用的热二律表达式 =：可逆过程 ：不可逆过程 ：不可能过程 计算简化 常见简化关键词： 刚性容器定容 散热良好等温 保温良好绝热 快速来不及散热绝热 缓慢准平衡过程 突然非准平衡过程 缓慢、无摩擦可逆过程 练习练习 填空题 1.如果一个过程是_过程，而且过程中不存在_ ，那么这个过程就是可逆过程。 2.热力学第一定律的实质是_在热现象上的应用。 3.能量的传递形式有三种，即_、_、_。 4.系统处于平衡状态的充要条件是，必须同时满足_、 _、_、_。 简答题 1.气体膨胀时一定对外作功，气体压缩时一定耗功。此 说法是否正确？请说明理由。 2.内能和焓有何区别？ 3.写出四类温标的换算关系。 计算题一 计算题二 冰在里氏（Re）0时溶化，而在80 时沸腾，绝对零度 对应的里氏温标是多少？ 解： 从冰点到沸点，里氏 80 Re的温差等价于摄氏100 的温差。 所以，从冰点到绝对零度273.15 等价于： (0-273.15)*(80/100)=-218.52 Re 计算题三 已知：单位质量氮气分别按下列过程膨胀，初态v1， 终态v2,试计算气体对外作功量。 1. 向保持恒外压p2的气缸膨胀。 2. 向真空膨胀。 2000，同济，每题5分 概念题 试述准静态过程与可逆过程的区别。对简单的可压缩系统， 容积功=pdv的使用范围是什么？ 答： （1）准静态过程主要针对系统内部而言，要求过程中系 统内部处处保持平衡状态；可逆过程则针对系统对外界的 影响而言，不仅要求过程中系统处处保持平衡状态而且还 要求系统与外界处处保持平衡。 （2）对简单的可压缩系统容积功=pdv的使用范围是准静 态过程。 2000，同济，每题5分 卡诺定理是否意味着“热效率越高的循环，其不可逆性就越 小”？为什么？ 答： 不正确。 因为热效率还与热源温度和冷源温度有关，热效率高 不一定不可逆性就小。 2000，同济，每题5分 概念题 试证明工作于两个热源之间的一切不可逆的制冷机，其制冷 系数必定小于工作于两个相同热源之间的可逆制冷机的制冷 系数。 1996，北航研究生试题，16分 5kg水与温度T=295K的大气处于热平衡，若利用可逆热泵使 水冷却到280K，水的比热4.1868kJ/kgK，求热泵需消耗的 最小功量。 1999，中国科学技术大学，15分 设热源温度 =1300K，冷源温度等于环境温度 =288K，热机 的工质吸热平均温度为 =600K，放热平均温度 =300K。已知 热机的热效率是以工质吸放热的平均温度作为卡诺循环效率 的80%，若热机从热源吸热100kJ 求： 吸放热量的可用能； 实际热机所做出的功； 热机和热源、冷源整个装置的熵的变化量； 整个装置的做功能力损失。 1998，中国科学技术大学，15分 有限质量三个材、质完全相同的物体，它们的比热容为常数 ，它们的温度分别为300K，300K，100K如无外来的功和热， 试由你在三个物体之间组成热机和制冷机运行。试问：直到 热机停止运行时，其中一个物体所能达到的最高温度是多少 ？并画出热机和制冷机运行方向图。 小结 从以上试题分析，各校研究生试题多具以下特点： 重要考试内容类型： 1. 开口系统不稳定流动的充放气过程； 2. 热力学第一定律和热力学第二定律的综合求解； 3. 热力学参数关系式的推导。 测验测验 节选自2003年清华大学工程热力学期中考试试卷 (热动21、22、23、建环2) 闭卷 自我检查 简要回答（每题3分） 1 系统经一任意过程，有人认为可以根据初终态的 熵的变化判断该过程是否为可逆过程，你认为如何 ？ 2 内能和焓的联系和区别是什么？为什么大部分热 工设备的能量计算要用焓这个参数。 3 一个闭口系统经历一个等压过程，其熵变为多少 ，某人不知下列四种答案哪一个正确？a)必为正； b)必为负；c)必为零；d)正、负、零均有可能。你 认为哪个正确，并说明理由。 简单计算说明题（每题5分） 1. 一个门窗打开的房间，若房内空气压力不变而温 度上升，试分析房间内空气的总焓将如何变化（空 气按理想气体定比热容考虑，h=cpT）。 2. 一台逆循环装置可供暖和制冷两用，已知耗功 5kW（即kJ/s），每小时从一大水池中取热 54000kJ。a) 如果装置的目的是冷却水池中的水， 则制冷系数为多少？b) 如果装置的目的是向建筑物 供热，则供热系数是多少？ 简单计算说明题（每题5分） 3两个质量和比热（cm）相同，温度分别为TA和 TB的固体进行热交换，请推导说明达到热平衡的过 程是一个不可逆过程。 4工作在恒温热源间的两个可逆热机串联运行， 第一个热机排出的能量进入第二个热机，假定第一 个热机的效率比第二个热机高20，最高和最低的 恒温热源温度分别为1000K和300K，求第一个热机 的排气温度是多少？ 计算题（本题10分） 1. 有1