能量转换的基本概念和基本定.ppt

热工基础 巫英伟 西安交通大学Telmail wyw810 第二章能量转换的基本概念和基本定律 一 工质 热源及热力系统 2 热源 工质从中吸取热能的物体 冷源 接受工质排出热能的物体 热源 冷源 工质 1 工质 在热机中热能不断的转变为机械能所借助的媒介物 第一节基本概念 水蒸汽内燃机中的燃气制冷剂常用的气态物质等 外界 系统以外与之相关的所有有关物体 3 热力系统 具体制定的 用界面分离出来的研究对象 边界 界面 系统与外界的分界面 系统与外界的作用都通过边界 界面的性质 它可以是真实的 也可以假想 可以固定也可以移动 边界示意图 假想 闭口系 系统与外界只有热或功的能量交换而无物质交换 开口系 系统与外界既有能量又有物质交换 孤立系 系统与外界无任何相互作用 既没有物质穿过边界 也不与外界发生任何形式的能量交换 绝热系 系统与外界无热交换 绝对的绝热系和孤立系实际上不存在 是两种理想模型 1 开口系 非孤立系 相关外界 孤立系 1 2 闭口系 1 2 3 绝热闭口系 1 2 3 4 孤立系 A B A B部落为系统 孤立系 热力系示例 A B两部落 鸡 犬之声相闻 民至老死不相往来 A部落为系统 闭口系 闭口系统 闭口系统 开口系统 孤立系统 热力系示例 锅炉 汽轮机 发电机 给水泵 凝汽器 过热器 交换功 质量 交换热 质量 既交换功 也交换热 质量 热力系统选取的人为性 二平衡状态及基本状态参数 1 平衡状态在没有外界影响的条件下 热力系的宏观性质不随时间变化的状态称为平衡状态 平衡态 若系统的各部分之间没有热量传递 则系统处于热平衡 若系统的各部分之间没有相对位移 则系统处于力平衡 处于平衡态的热力系 各处应具有均匀一致的温度 压力等宏观物理量 实现热力平衡态的条件 无化学反应等其它不平衡势 温度平衡 热平衡 压力平衡 力平衡 处于平衡态的热力系可用确定的压力 温度等宏观的物理量来描述 2 状态参数及其特点 状态参数 描述热力系统所外状态的宏观物理量 状态参数的特征 只取决于状态 与过程 路径 无关 数学特征 强度量状态参数 与系统内所含工质数量无关的状态参数 广延量状态参数 与系统内所含工质数量有关的状态参数 状态参数的分类 基本状态参数 可以直接测量的物理量 如常用的三个状态参数压力 温度和比容 复合状态参数 焓是包括内能 压力和比容的参数 导出状态参数 通过分析和推导得出的参数 如内能 熵 3 基本状态参数 1 比体积单位m3 kg密度 2 压力 压强 单位 Pa压力的国际制单位 1MPa 103kPa 106Pa其它非国际制压力单位 标准大气压atm 1atm 101325Pa工程大气压at kg cm2 1at 9 8067 104Pa巴bar 毫巴mbar1bar 1000mbar 105Pa毫米汞柱mmHg 1mmHg 133 32Pa毫米水柱mmH2O 1mmH2O 9 8067Pa 1Pa 1N m2 压力的测量 1 当p pb时 p pb pgpg称为表压 压力表 当p pb时 p pb pvpv称为真空度 真空表 压力的测量 2 p pb pg pb ghp pb pv pb ghpg 表压pv 真空度 3 温度 物体冷热程度的标志 系统热平衡的物理特征量 热力学第零定律 当物体C同时与物体A和B接触而达到热平衡时 物体A和B也一定热平衡 这一事实说明物质具备某种宏观性质 若两个热力系分别与第三个热力系热平衡 那么这两个热力彼此处于热平衡 这一宏观物理性质称为温度 温度的数值表示方法称为温标 温度的单位有摄氏度温标 热力学温标 华氏温标 温标 经验温标建立的三要素 依赖于测温物质的性质 华氏温标 英制单位 单位为 热力学温标和摄氏温标两种温标的温差是相等的 摄氏温标 用t表示 单位为 热力学 开尔文或绝对 温标 用T表示 单位为K 基准点选取的原则 热力学温标的起点定为绝对零度 273 15 基准点 水的三相点 0 01 273 16K 23 例题1如图 已知大气压pb 101325Pa U型管内汞柱高度差H 300mm 气体表B读数为0 2543MPa 求 A室压力pA及气压表A的读数pgA 24 解 25 例题2定义一种热力新的线性温度标尺 牛顿温标 单位为牛顿度 符号为oN 水的冰点和汽点分别是100oN和200oN 1 试导出牛顿温标TN与热力学温度T的关系式 2 热力学温度为0K时 牛顿温TN度是多少 三状态方程 坐标图 1 状态方程基本状态参数之间的函数关系式称为工质的状态方程 由状态公理得 只有两保独立变量 F p v T 0或p p T v v v p T T T p v 2 坐标图二个独立变量时 可以用平面图表示 而平面上的任意一点则代表了一个平衡状态 所有的状态都可以在平面上找到 四准平衡态过程和可逆过程 1 准平衡态 准静态 过程 定义 由一系列偏高平衡态不远的状态组成的热力过程称为准平衡态过程 准平衡态过程的实现过程过程进行得非常缓慢 平衡破坏后能自动恢复平衡 且恢复需时间 弛豫时间 很短 过程中随时都不致远离平衡状态 准平衡态过程就可在p v图上用连续曲线表示 实现准平衡态过程的条件是 热平衡 T 0力平衡 p 0 在状态参数坐标图上 准平衡过程可以近似地用连续的实线表示 只有工质与外界的压差和温差均为无限小的过程才是准平衡过程 2 可逆过程 理想过程 定义如果系统完成某一热力过程后 再沿原来路径逆向返回原来的状态 并使相互作用中所涉及到的外界也回复到原来的状态 而不留下任何变化 则这一过程为可逆过程 可逆过程 准平衡态过程 无耗散效应 耗散效应 通过摩阻 电阻 磁阻等使功变为热的效应 可逆过程不仅要求工质内部是平衡的 而且要求工质与外界的作用可以无条件地逆复 过程必须是准平衡过程作机械运动时不存在摩擦传热无温差 可逆过程与准静态过程的关系 准静态着眼于系统内部平衡 可逆着眼于系统内部及系统与外界作用的总效果 不但要求工质内部平衡 也要求工质与外界的作用可以无条件的逆向恢复 不存在能量损耗 可逆过程必须满足的条件 可逆 准静态 没有摩擦耗散效应 五功和热量 功和热量是热力过程中系统与外界交换的不同形式的能量 1 功 膨胀功或体积功 W 表示系统与外界交换的膨胀功 外界得到的膨胀功量 根据功的定义 功可表示为Fdx或 Fdx对于热力系F dx pA dx pdV 单位工质 气体工质在气缸中作可逆膨胀时 作的膨胀功为 可以用p v图上的过程曲线下面的面积来表示 如图所示 p v图也叫示功图 膨胀功和压缩功都是通过工质容积的变化和外界交换的功量 统称为容积变化功 功的大小不仅与过程的初 终状态有关 还与工质所经历的过程有关 所以说功不是状态参数 只是一个过程量 压缩 膨胀 有用功Wu 无用功Wr和耗散功Wl 闭口系膨胀过程中用推动大气所消耗的功称为无用功Wr 过程中由于耗散效应所消耗的功称为耗散功Wl 则有用功Wu为 Wu W Wr Wl Wr p0 V2 V1 p0 V 可逆过程时Wl 0 2 热量 热量是系统与外界之间在温差的推动下 通过微观粒子无序运动的方式与外界交换的能量 Q 表示系统与外界交换的热量 若过程可逆则 Q TdSQ 12TdS q Tdsq 12Tds 说明 只有可逆过程的功和热量才可以用上式计算 系统对外作功取正 外界对系统做功取负 功和热量不是状态参数 属于过程量 w q是指微元量 不是全微分 符号约定 系统吸热取正 系统放热取负 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 即封闭的热力过程称为热力循环 简称循环 六热力循环 2 分类 3 能量利用经济性 动力循环 制冷循环 制热 热泵 本节所介绍的不是工程热力学基本概念的全部 在以后的章节中还将出现新的基本概念 到时将一一论述 热力系 工质 平衡状态 状态参数 热力过程 功及热量 热力循环 小结 问答题 1 基本状态参的哪几个 为什么称他们为基本状态参数 2 什么是平衡态 实现平衡态的条件是什么 3 什么是可逆过程 实现可逆过程的条件是什么 4 可逆过程的膨胀功w 技术功wt如何计算 如何在p v图上表示可逆过程的膨胀功w和技术功wt 5 写出绝对压力p 表压pg 真空度pv之间的关系式 测量容器中的压力时 压力表上的读数不变 容器中的压力是否会发生变化 第二节热力学第一定律 一热力学第一定律的实质 热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象中的应用 热是一种能量 机械能可以转变为热能 热能也可以转变为机械能 在转变过程中保持量的守恒 二热力学能和系统的总能量 1 热力学能 1 外部储存的能量 系统由于宏观运动所具有的能量 动能Ek势能Ep 2 内部储存能量 系统内部分子运动的内动能 相互作用的内位能及维持分子结构的化学能和原子核内部的原子能等 这些能量总称为热力学能 热力系所储存的能量可分为外部能量和内部能量 在无化学反应和核反应的简单可压缩系统中 由热力学能所包含的能量形式可知 热力学能是状态参数 比热力学能可表示为 根据状态参数的特点可有 热力学能U单位 J或kJ比热力学能u U m单位 J kg或kJ kg 2 系统的总能量 三热力学第一定律的能量方程式 根据热力第一定律 对于一个任意热力系统 能量方程可写成 进入系统的能量 离开系统的能量 系统能量的增加 2 9 1 闭口系统的能量方程式 当宏观的动能的势能的变化可以忽略不计或系统静止时 E U 则第一定律的方程式可写成 Q与W正 负号的规定 系统吸热Q为正 放热Q为负 系统对外作功W为正 外界对系统作功W为负 能量方程式 2 27 常写成 上式的适用条件是 任何过程 任可工质 对于可逆过程 闭口系任何工质 可逆过程的能量方程式可写成 对于一个循环 2 开口系统的能量方程式 1 稳定流动系统的能量方程 稳定流动 流动过程中开口系内部的状态参数 热力学参数和动力学参数 不随时间变化的流动称为稳定流动 稳定流动时必有 稳定系统的能量分析 进入系统的能量 离开系统的能量 系统能量的增加 ECV 0 进入系统的能量 离开系统的能量 系统能量的增加 由于m1 m2 m 整理上式得 对上式两边同除以m得 3 焓的定义及物理意义 2 推动功和流动功 推动功 由于工质移动而传递的功称为推动功 pV 流动功 用于维持流动所需要的功 pV p2V2 p1V1 定义 H U pV或h u pv单位 J kJ或J kg kJ kg 焓的物理意义 随着工质移动的能量 4 技术功 比较式 2 28a 和 2 32 若为可逆过程 引入技术功后稳定系统能量方程式可写为 若过程可逆 5 一般开口系统的能量方程 进入系统的能量 离开系统的能量 系统能量的增加 esy CV 在d 间内 代入能量方程 整理后得 四稳定系统能量方程式的应用 1 动力机 蒸汽轮机和燃气轮机 2 压气机 压气机的耗功为wc 3 换热器 4 管道 5 节流 1 燃气在喷管出口的流速c3 2 每干克燃气在燃气轮机中所作的功 3 当燃气质量流量为5 6kg s时 燃气轮机输出的功率 燃气轮机装置如图所示 已知在截面1处h1 286kJ kg的燃料与空气的混合物以20m s的速度进入燃烧室 在定压下燃烧 相当于从外界获得热量q 879kJ kg 燃烧后的燃气在喷管中绝热膨胀到3 h3 502kJ kg 流速增加到c3 然后燃气推动叶轮转动作功 若燃气推动叶轮时热力状态不变 只是流速降低 离开燃气轮机的速度c4 150m s 试求 例题 解 1 取1 3截面为热力系统 2 取3 4截面为热力系统 又由 若燃气推动叶轮时热力状态不变 3 功率为P P qmwsh34 5 6 652 3651 2kW 试分析有无其它的解题思路 问答题 1 热力学第一定律的实质是什么 2 工程热力学中 热力学能包含哪几项能量的形式 3 写出稳定流动系统的能量方程式 当用于锅炉 汽轮机及节流过程时方程的简化形式 在以上三种过程中膨胀功的表现形式 4 说明焓的定义式及物理意义 5 写出技术功的定义式 可逆过程的技术功在p v图上如何表示 6 给一不可压缩的流体绝热的情况下加压 热力学能和焓如何变化 第三节热力学第二定律 一热力过程的不可逆性及热力第二定律的实质 说明热力过程进行的方向 条件 和限度等间题的规律 其中热力过程的方向性最为重要 1 常见的不可逆过程 1 摩擦使功变为热 3 有限温差传热 4 自由膨胀 5 混合过程 2 电阻使电能变为热 2 第二定律的实质 二热力学第二定律的表述 热力学第二定律应用范围极为广泛 诸如热量传递 热功转换 化学反应 燃料燃烧 气体扩散 分离 溶解 结晶 生物化学 生命现象 低温物理 气象等其他领域 针对各类具体问题 热力学第二定律有各种形式有表述 这里只介绍两种最基本的 表达形式 1 克劳修斯说法热量不可能自发地 不付代价地从低温物体传至高温物体 2 开尔文说法不可能制造出单一热源吸热 使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机 第二类永动机是不可能实现的 以上两种说法是一致的 如果违犯了开尔文说法 必将违犯克劳修斯说法 热机违犯了开尔文说法 最后联合循环的效果违犯了克劳修斯说法 三卡诺循环及卡诺定律 1 卡诺循环工作于温度分别为T1和T2的两个热源之间的正向循 由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成 卡诺循环的热效率为 1 热效率只与T1与T2有关 与工质无关 2 热效率只能小于1 第二类永动机不能实现 3 当T1 T2时 热效率为零 2 逆卡诺循环 3 概括性卡诺循环 4 多热源可逆循环 吸热量q1 面积ehgnme 放热量q2 面积elgnme 定义平均吸和放热温度 5 卡诺定理 定理一在相同温度的高温热源T1和相同温度低温热源T2之间工作的一切可逆循环 其热效率都相等 与可逆循环的种类无关 与采用哪一种工质也无关 定理二在相同温度的高温热源T1和相同温度低温热源T2之间工作的一切不可逆循环 其热效率必小于可逆循环的热效率 定理一证明 由于卡诺循环是这些可逆循环之一 所以A B两热机的热效率可用卡诺热机的热率表示 定理二证明 四状态参数熵 1 熵的导出 对任意可逆循环1A2B1 用绝热线a g b f等循环进行分割 当两条线非常接近时 吸热和放热可看成定温微无过程 对于微元卡诺循环abfga有 下标r表示热源参数 当考虑放热正负号时 上式可写成 积分上式 T是工质的温度 可逆时Tr T 式 5 6 称克劳修斯积分式 由式 5 6 可知 Qrev T具有状态参数的特性 定义为熵 对于状态参数熵有 2 不可逆过程熵的变化 对于不可逆循环1A2B1有 考虑放热正负号时 上式可写成 上式称为克劳修斯积争式 将式 2 49 和式 2 52 结合 可得 式 2 53 称为热力学第二定律数学表达式之一 现在分析不可逆过程1A2过程的熵变 为了计算1A2过程的熵变 增加可逆过程2B1 这形成一个不可逆循环 则 所以不可逆过程1A2的熵变为 将式 2 50 和 2 54 合并得过程的熵变 上面这些都可称为第二定律的数学表达式 3 熵流与熵产 对于闭口系 式 2 54 可以在右边加一项 使不等号变为等号 Sf Q称为熵流 它是由于系统与外界交换热量引起的 Sg称为熵产 它是由于不可逆因素引起的 Sf Q可正可负 也可等于零 Sg大于或等于零 绝热系与外界设有热量交换 故没有热量引起的熵流 则 五熵增原理 对于孤立系 由式 2 54 可得 上式的含义为 孤立系内部发生不可逆变化时 孤立系的熵增大 dSiso 0 极限情况 发生可逆变化 熵保持不变 dSiso 0 使孤立系熵减小的过程不可能出现 简言之 孤立系统的嫡可以增大或保持不变 但不可能减少 这一结论即孤立系统熵增原理 简称熵增原理 注意 熵增原理只适用于孤立系统 至于非孤立系 或者孤立系中某个物体 它们在过程中可以吸热也可以放热 所以它们的熵既可能增大 可能不变 也可能减小 熵增原理的实质 一 熵增原理阐明了过程进行的方向 即dSiso 0 二 熵增原理指出了热过程进行的限度 即dSiso 0 三 熵增原理揭示了热过程进行的条件 孤立系的热过程中有部分物体熵减小 必有部分物体的熵增大