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 CH1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 p V图 T s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 pTv2 导出状态参数 HSUAG 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 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 Fowlerin1931 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 热力学第一定律 能量之间数量的关系 热力学第一定律 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 Fdx准静态容积功 W pdV容积功 推进功 技术功 轴功的关系 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 dvdS 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 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 自发过程是不可逆的 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 热二律推论之一 卡诺定理 给出热机的最高理想效率热二律推论之二 克劳修斯不等式 反映过程方向性热二律推论之三 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 热量由高温物体传向低温物体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气体自由膨胀混合过程摩擦生热燃烧反应 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 tC2 多热源间工作的一切可逆热机 tR多 同温限间工作卡诺机 tC3 不可逆热机 tIR 同热源间工作可逆热机 tR tIR tR tC 三种卡诺循环 T0 T2 T1 制冷 制热 T s T1 T2 动力 克劳修斯不等式 对任意循环 克劳修斯不等式 将循环用无数组s线细分 abfga近似可看成卡诺循环 可逆循环不可能 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 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 填空题 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 热力学第一定律的实质是 在热现象上的应用 能量的传递形式有三种 即 系统处于平衡状态的充要条件是 必须同时满足 简答题 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 内能和焓有何区别 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 向保持恒外压p2的气缸膨胀 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 kg K 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 开口系统不稳定流动的充放气过程 热力学第一定律和热力学第二定律的综合求解 热力学参数关系式的推导 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1000kg温度为0 C的水