高等工程热力学电子教案(2A).ppt

第二章：热力学基本定律,热力学第一定律的本质,热力学第一定律说明了功热变换的数量关系.热力学第一定律表达了能量在传递和转化过程中的守恒性，是自然界必须遵循的普遍规律之一。,热力学第二定律的意义,第二定律说明了能量不但有数量关系还有品质关系.第二定律表达了能量在传递和转化过程中的不可逆性，能量可以相互转化，但不同能量的转换能力是不同的。,能量与能量守恒的发现,18世纪，意大利外科医生高瓦尼(LuigiGalvani,1737-1798)发现，带电金属块可使死青蛙的腿抽动电创造了生命？物理学家伏达(AlessandroVolta,1745-1827)认识到这不过是由于电流的通过引起的，1800年发明了“伏达电极”，世界上第一个“化学电池”：电流从化学反应中产生；,热力学第一定律,能量与能量守恒的发现,19世纪30年代，法拉第(MichaelFaraday,1791-1867)发现了其逆效应，即电流可以驱动化学反应，电流也可以产生光和热；,能量与能量守恒的发现,1819年丹麦物理学家奥斯特(HansChristianrsted,1777-1851)发现电流还可以产生磁场；1822年，德国科学家塞贝克(ThomasSeebeck,1770-1831)发现了“热电效应”，由热效应可产生电流；,热力学第一定律,能量与能量守恒的发现,1831年，法拉第发现变化的磁场可以产生电流；所有这些发现将热、电、磁、化学反应交织在一起，也使人们认识到在这些变化中有一种不可消灭的“能量”在传递。,能量与能量守恒的发现,1787年，拉瓦锡(A.L.Lavoisier)提出热质(Caloric)一词，后来进一步发展为热质说焦耳(JamesPrescottJoule,1818-1889),生于曼彻斯特市郊酿酒厂老板家庭，没有受过正规教育；他20岁研制磁电机，试图代替父母酿酒厂中的蒸气机但没有成功，但发现了电流可以作机械功，也产生热。,热力学第一定律,能量与能量守恒的发现,1840年，焦耳开始研究电流热效应，1844年要求在英国皇家学会宣读论文但遭拒，1847年在牛津的科学技术促进协会上介绍了实验结果，1849年6月21日作了一个热功当量的总结报告。1850年，实验结果已使科学界公认能量守恒。,做功使系统温度升高，散热使系统平衡，发现在热力过程中，热功总量是不变的，热可以变成功，功可以变为热。,焦耳汤母逊实验,1.1.第一定律的实质,热力学第一定律的实质是能量守恒定律。是能量守恒定律在热力学领域的具体应用。它表明，热过程中热能可以转变为功，功也可转变为热，但在转变过程中热功数量的总和是不变的。,1.2.热力学第一定律的一般表达式,能量守恒一般可写成：进入系统的能量流出系统的能量系统内部能量的增量对于一个封闭系统闭循环过程称为系统的内能，也称系统的热力学能。,内能工质微观粒子所具有的能量，包括：内动能，内位能,内动能与温度有关内位能与分子间距有关（d）因此：U=U（T，v）单位：kJ，J内能是状态参数；单位质量工质的内能称比内能（强度量）(kJ/kg)闭系的能量守恒定律表达式：(第一定律的表达式）,一个气缸活塞系统是一个典型的闭口系统,如果给气缸供热:dQ活塞移动对外做功：dW活塞内气体增加的内能为：dU由能量守恒定律得：,对于可逆过程dw=pdVdQ=dU+pdV,1.3系统总能量,在参考坐标系中，热力系作为一个整体，由于宏观运动速度不同，或在重力场中高度变化，而储有外部能量。外部能量包括宏观动能：重力位能：系统总能量是内部能量与外部能量之和,对单位工质：,一般情况下，只有内能，但在高速（如喷管）和高位情况下要考虑内外能。考虑了外能及内能作为总能之后，第一定律表达式为：,上式对任意系统都成立，是能量守恒定律的具体运用。,1.4稳定流动系统的能量方程,稳定流动系统是指热力系内各点参数不随时间变化的系统。特征：进出口工质状态不变；进出口工质流量相等；与外界交换能量不变。（）推动功、流动功考察如下图的一个稳定流动系统,（外界对系统作功为负）,把V1m1的流体压入系统，外界要做功（推动功）,同理，系统要将V2m2这段气体推出系统，要做功,进出口推动功（推功流体流动外界所需要的做的功）之和为流动功，是维持流动所需的。,（）稳定流动系统的能量方程,设在时间内，系统吸热，外界对系统作功sh。m1流进，m2流出，显然m1=m2=m由工质进入带入的能量：由工质流出带出的能量：系统除维持工质流动之外，还通过机器的轴向外输出轴功，如蒸汽机的叶轮。,因此系统与外界交换的总功为：,对稳定流动情况，进出系统能量之和为零*：,为方便计算，引进一状态参数pV（称为焓）它是一个状态参数，由状态参数构成；焓是开口系中流入或流出工质所带的基本能量。,状态参数焓,于是：,对于一个微小过程：,对单位工质而言：,（）技术功,令技术功是技术上可以利用的能量所以：进行变换：,比较闭系的能方程：t（p）技术功与流动功均是膨胀功转化而来t（p）等于膨胀功减去流动功,对于可逆过程：,1.5能量方程式的应用,第一定律的能量方程式，是能量守恒定律应用于热力过程的数学描述，是一切过程必须遵守的，但对不同的过程，有不同的形式：下面以几种典型设备为例进行具体分析。,（）热力发动机*,主要是叶轮式机械（包括：内燃机、蒸汽机、燃气轮机等）由时间短，进出口的高差不大，速度变化不大，传热散热可忽略，所以基本方程,可简单写为：,这说明，对外轴功来源于工质进出口焓降。,透平机原理图,*,（）压气机,对于耗功机械，如压气机，水泵等，有少量放热。（略有散热）,所以:,如果不考虑散热Wsh=-(h2-h1)（应取负值）。,(2)喷管,喷管是使气体加速的设备，主要是一个变截面的流道，对稳流，高速情况，散热可忽略：q,气流流过喷管时无净功输入输出sh高度差,所以,因此有,（）热交换器,取间的流体分析,方程变为*：,换热器表面两边的流体各构成一个开系,对34的流体同样可