第2章基本定律和能量可用性上.ppt

1 第二章热力学基本定律和能量的可用性 2 2 1热力学第一定律 一 热力学第一定律一般表达式 运动是物质存在的形式 是物质固有属性 物质的运动形态是多样化的 能量也有不同的形式 在一定条件下可以从一种形式转换到另一种形式 物质不能创造也不能消灭 所以能量也是不能创造和消灭的 在能量形式的转换中能量的总量是守恒的 能量转换及守恒定律是人类长期生活和生产实践的经验总结 是自然现象的基本规律之一 能量转换及守恒定律 自然界中的一切物质都具有能量 能量有不同形式 能从一种形式转化为另一种形式 在转换中 能量的数量保持不变 3 对于孤立系 能量转换及守恒定律的普遍叙述 系统的总能量E为 物系储存的总能量 热力学能 内部储存能 外部储存能 宏观动能 重力势能 由于 系统的能量变化 外界的能量变化 4 省略下标sys 移项得 热力学第一定律的一般表达式 或 系统和外界交换的能量 作功 传热 5 二 闭口系统热力学第一定律表达式 传入系统的热量等于系统储存能的变化及系统与外界交换功量之和 静止闭口系统中 所以静止闭口系统的热力学第一定律表达式为 简单可压缩系统 与外界只有体积功交换 可逆 6 第一定律第一解析式 功的基本表达式 热 讨论 1 对于循环 2 对于定量工质吸热与升温关系 还取决于W的 大小 例2 1 含容器热容能量方程 7 2 2开口系统热力学第一定律表达式 一 变质量系统基本方程 对于变质量系统 状态方程为 如质量为m的理想气体 状态方程为 变质量系统的理想气体状态方程的微分形式 同样 在变质量系统中 气体的热力学能及焓不仅与温度 压力等参数有关 而且还随质量m变化而变化 因此 8 以质量流率的形式来表示 或 如控制体的出 入口有多个 进入系统的微元质量 离开系统的微元质量 控制体积质量守衡 进入控制体的质量流率 离开控制体的质量流率 控制体中的质量变化率 9 在变质量系统中 变质量系统基本方程 10 单位质量的吉布斯函数也称为化学势 热力学能变化 换热 膨胀功 系统的质量改变 变质量系统基本方程 11 二 开口系统热力学第一定律表达式 流入系统的能量 流出系统的能量 系统内部储能增量 ECV 12 通除 不计控制体宏观位能及动能的变化 热流率 轴功率 进入控制体的质量流量 离开控制体的质量流量 控制体中储存能的变化率 13 开口系统热力学第一定律表达式 单股流体进出的稳态稳流系统 1kg气体的能量方程为 稳态稳流能量方程 可改写成 推广到多股气流的情况 则 稳流能量方程 心脏 14 三 喷管内气体流动简析 工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能 特别是喷管 扩压管及节流阀内流动过程的能量转换情况 又 压水堆核电厂蒸汽发生器出口接管内装有七只渐缩渐扩喷管 限制蒸汽管道被裂时的蒸汽流量 防止堆芯由于过冷引起超临界 15 16 1 喷管内流动的基本方程 质量守恒方程 连续性方程 过程方程 稳定流动能量方程 绝热滞止 声速方程 17 注意 1 声速是状态参数 因此称当地声速 2 马赫数 亚声速 声速 超声速 2 促使流速改变的力学条件和几何条件 力学条件 喷管 2 的能量来源是压降 即技术功 转换成机械能 讨论 1 异号 18 几何条件 讨论 1 cf与A的关系还与Ma有关 对于喷管 渐缩喷管 与 异号 与 同号 渐扩喷管 截面上Ma 1 cf c 称临界截面 截面上速度达当地音速 称临界压力 临界温度及临界比体积 19 2 当促使流速改变的压力条件得到满足的前提下 a 收缩喷管出口截面上流速cf2 max c2 出口截面上音速 b 以低于当地音速流入渐扩喷管不可能使气流可逆加速 c 使气流从亚音速加速到超音速必须采用渐缩渐扩喷管 渐缩渐扩喷管 3 背压pb 喷管出口截面外工作环境的压力 正确设计的喷管其出口截面上压力p2等于背压pb 但非设计工况下p2未必等于pb 20 3 流速计算及分析 计算式 注意 a 公式适用范围 绝热 不作功 任意工质 b 式中h J kg cf m s 流速分析 cf max不可能达到 从1下降到0的过程某点达 临界点 此点压力与p0之比称为临界压力比 cr 21 2 几何条件 约束 临界截面只可能 发生在dA 0处 收缩喷管 出口截面 缩放喷管 喉部截面 讨论 1 3 背压pb对流速的影响 a 收缩喷管 b 缩放喷管 22 4 流量计算及分析 1 计算式 4 流量分析 图中 收缩喷管 缩放喷管 结合几何条件和质量守恒方程 23 T s o 2s 1 T2s 2 s1 s2 T2 h s o 1 h2s 2 s1 s2 h2 2s x 1 5 摩阻对流速的影响 定义 喷管速度系数 一般在0 92 0 98 24 6 背压变化对喷管内流动过程的影响 1 收缩喷管 背压pb pb 出口截面压力p2 p2 运行工况 25 2 缩放喷管 若pb pb 膨胀不足 离开喷管后自由膨胀 pb pb 过度膨胀 产生激波 主蒸汽管发生破裂事故 压力下降至大气压 但由于缩放喷管喉部截面为临界截面 压力保持临界压力约4MPa 降低了蒸汽发生器二回路侧卸压速率 限制蒸汽流量防止堆芯由于过冷引起超临界 26 四 绝热节流 1 定义 由于局部阻力 使流体压力降低的现象 节流现象特点 1 p2s1 I T0sg3 h1 h2 但节流过程并非等焓过程 4 T2可能大于等于或小于T1理想气体T2 T1 2 节流后的温度变化 焦耳 汤姆逊系数 节流 取决于 27 节流时状态在致冷区则T下降 节流时状态在致温区则T上升或下降取决于 p的大小当气体温度T Ti max或T Ti min 节流后T上升如 常温节流后T上升 T2 T1 实验转回曲线 Timax Timin p0 致温区 致冷区 h1 h3 h2 转回温度 节流后温度不变的状态的温度 28 水蒸气节流过程 1 节流后温度稍有下降 2 但少作功 p1 1 T1 T1 h s o 1 h2 2 s1 s2 h2 2 x 1 29 2 3非稳态流动过程 分析非稳态系统热力过程的基本任务 找出过程中系统状态参数之间的关系 计算系统与外界交换的热量 功量和质量 求解非稳态流动问题广泛采用的方法 对控制体积写出微分形式的能量平衡一般关系式 结合质量平衡方程和气体的特性方程 确定控制体积中参数的变化规律以及热量和功量 由多个子系统组成的复杂热力系 还需各个子系统之间约束关系作为补充方程 迁移质量在离开系统时的状态为该时刻系统状态 进入系统的工质的状态则由外界条件决定 有时对非稳态问题也可用控制质量法 求解非稳态流动问题的几点说明 例2 2 ppt 例2 3 ppt A4332771 A4333771 2010 03 14 30 只要Q 不大于Q 并不违反第一定律 2 4过程的方向性与热力学第二定律 热力学第一定律指出 能量不能产生也不会消灭 但可以从一种形式转变为另一种形式 其能量平衡关系式就是热力学第一定律表达式 热力学第一定律只说明能量形式的变化及变化时数量关系 并未指明能量转变的方向 也没有提供能量转变及传递的条件 31 重物下落 水温升高 水温下降 重物升高 只要重物位能增加小于等于水降内能减少 不违反第一定律 电流通过电阻 产生热量 对电阻加热 电阻内产生反向电流 电能不大于加入热能 不违反第一定律 不计摩擦 抽去隔板和放下隔板不违反第一定律 32 热力学第二定律概括了人类对热力过程方向性的经验 是基本的自然定律 它不能从任何其它定律推导出来 热力学第二定律存在着各种不同的表达形式 每一种说法都是根据观察客观事物的经验总结 热力学第二定律的各种表达形式都是等效的 开尔文 普朗克说法 从一个热源吸取热量 而使之全部变成机械能的循环发动机是制造不出来的 克劳修斯说法 热量不可能自发地从低温物体传向高温物体 喀喇氏说法 从系统的一个给定状态出发 在其邻近的区域内必然有这样的状态 它们是不能从给定的状态经绝热过程而达到的 喀喇氏说法虽抽象 但更具有普遍意义 33 等效性证明 取i j为可逆绝热过程 i h为绝热过程 h j为定容过程 构成循环i h j i 循环净热量 但 违反开尔文 普朗克说法 热力学第二定律的实质 表达了自然界中自发过程的方向性与不可逆性 自发过程 可行 自发过程的逆过程 必须有补偿过程同时存在 故自发过程不可逆 34 自发过程方向性 各种过程总是朝着一个方向 孤立系统总是从不平衡态朝平衡态方向 进行 不能自发地反向进行 孤立系统达到平衡后 一切宏观变化停止 自发过程不可逆性 当系统达到平衡态后 在无外界影响的条件下 决不会自发地变为非平衡态 从微观角度看 在某一瞬间 也许会发生如能量倒转传递这样的事件 从宏观角度看 自然界一切热过程具有方向性与不可逆性是完全正确的客观真理 从有限时间 宏观很短 但微观上足够长的时间间隔 和具有大量粒子 占有一定的体积体系来看 由宏观观察所得到的热力学第二定律的结论在指导工程实际中是完全正确的 35 2 5熵方程和孤立系熵增原理 等号适用于可逆循环 不等号适用于不可逆循环 克劳修斯不等式 热量的符号以工质为基准 一 克劳修斯积分与熵 热源温度 由克劳修斯不等式可导得状态参数熵的定义式 36 据定义 系统与外界交换热量 据理想气体的熵变计算式 考察自由膨胀 无热 质交换 不可逆使系统熵增加 二 系统熵变化的原因 熵是广延性质的参数 系统与外界交换质量 37 三 闭口系熵方程 或 等号适用于可逆过程 不等号适用于不可逆过程 热 熵流 吸热为正 放热为负 熵产 不可逆时永远为正 可逆时为零 熵流和熵产 38 闭口系 定质量系统 的熵方程 讨论 1 系统的熵增 或熵变 只取决于系统的初 终态 但熵流和熵产不只取决于系统的初 终态 与过程有关 而且熵产永远不小于零 2 对于任何可逆过程 3 对于任何绝热过程 或 4 系统与外界传递任何形式可逆功时 都不会引起系统熵的变化 也不会引起外界熵的变化 39 三 开口系熵方程 流入控制体的熵 流出控制体的熵 控制体熵产 控制体熵的变化 40 稳态稳流 绝热稳定流动 例2 6 ppt 例2 5 ppt 41 对于孤立系统 或 孤立系统熵增原理表达式 也是热力学第二定律的数学表达式 孤立系统内进行的一切实际过程虽然使孤立系统的总能量保持不变 但使熵增加 熵增原理 讨论 1 熵增原理可作为过程方向性的表述 对于绝热的闭口系统或者具有相互热作用的复合系统组成的孤立系统 熵是绝对不会减少的 因此使孤立系统和闭口绝热系熵减少的过程是不可能发生的 四 孤立系熵增原理 2 熵增原理是个不守恒定律 只有在可逆过程中 孤立系统的熵才守恒 42 3 正是由于发生了不可逆过程 才使孤立系统的熵增大 不可逆的程度愈大 熵的增加也愈大 因此 可以用孤立系统的熵增来度量过程不可逆的能量耗散效应 4 当孤立系统的熵达到最大值时 系统达到平衡 孤立系统总是由不平衡状态向平衡状态过渡 其熵值不断增大 达到平衡时 一切变化停止 熵也达到最大值 例2 4 ppt 管内流动方向 考虑器壁热容放气过程 43 用一组等熵线分割循环 可逆小循环不可逆小循环 可逆小循环部分 不可逆小循环部分 o p v B 1 2 A 克劳修斯积分不等式 回顾 克劳修斯积分不等式 44 可逆部分