热力学基本定律.ppt

第二章热力学基本定律,ThebasicLawofThermodynamics,本章教学要求,掌握热力学第一定律的实质熟悉能量传递的两种形式掌握封闭系统和稳定流动系统能量方程弄清体积功、技术功、轴功之间的区别和联系掌握热力学第二定律的实质掌握卡诺循环和卡诺定理掌握克劳修斯不等式和孤立系统熵增原理，并能应用它们判断循环进行的方向、条件和限度,2-1热力学第一定律的本质,本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用,18世纪初，工业革命，热效率只有1%,1842年，J.R.Mayer阐述热一律，但没有引起重视,1840-1849年，Joule用多种实验的一致性证明热一律，于1850年发表并得到公认,要想得到功，必须花费热能或其它形式的能量,热力学第一定律又可表述为：第一类永动机是不可能制成的,对任一热力系统，热力学第一定律可表示为：进入系统的能量离开系统的能量系统储存能的增量,Q,Perpetualmotionmachineofthefirstkind,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,Wnet,Qout,电加热器,2.2能量的传递形式,热力系在实施热力过程时，与外界发生能量交换主要是作功和传热两种形式。功是热力系与外界交换机械能的量度；热量是热力系与外界交换热能的量度。,2.2.1功,1.功：在力学中，把物体通过力的作用而传递的能量称为功，功等于力F和物体在力的作用方向上的位移x的乘积，即,功在热力学中的定义：在热力过程中，系统与外界相互作用而传递的能量，若其全部效果表现为使外界物体改变宏观运动状态，则这种传递的能量为功。,2.功的符号和单位：用符号W表示，单位J或kJ。单位物质所做的体积变化功用w表示，单位J/kg或kJ/kg。,功量为负,功量为正,外界,系统,3.可逆过程的体积变化功和p-v图：体积变化功：可压缩系统通过体积的变化（膨胀或压缩）来和外界交换的功量。(2)规定：功是传递过程中的一种能量形式。它是伴随着相互作用而产生的，不是系统所含有的能量，所以我们不能说一个系统具有多少功。,注意：膨胀过程中，dv0，w0，系统对外作功；但dv0仅是w0的必要条件，而非充要条件。,(3)功的计算：,单位工质：,可逆过程的体积变化功w的大小可以在p-v图上用过程曲线下面的面积表示，如图所示。单位质量气体的膨胀功为：,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。,2.2.2热量,1.热量：热力系与外界之间仅仅由于温度不同而通过边界所传递的能量。,2.热量符号和单位：用符号Q表示，单位J或kJ。单位物质所做的体积变化功用q表示，单位J/kg或kJ/kg。是一个过程量系统吸热系统放热,热量为正热量为负,3.热量的计算和T-s图：,单位工质：,熵（S）：状态参数，是可逆过程有无热量传递的标志性参数。单位质量物质的熵称为比熵，用s表示。比熵增大,系统吸热；比熵减小，系统放热。,T,S,Q,T-s温熵(示热)图,1,2,2.2.3储存能,储存能物质本身具有的能量。,储存能,外部储存能,内部储存能（内能）,动能,位能,与系统整体宏观运动有关,内能的组成,内动能内位能化学能chemicalenergy核能nuclearenergy,内能,移动translation,转动rotation,振动vibration,内能的导出,对于循环1a2c1,对于循环1b2c1,状态参数,p,V,1,2,b,a,C,U=f(T,v),内能U的物理意义,dU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。,U代表储存于系统内部的能量内部储存能（内能、热力学能）,内能的说明,内能是状态量,U:广度参数，Umu。法定单位：焦耳Ju:强度参数J/kg,内能总以变化量出现，内能零点人为定,系统的总能量,外部储存能：,宏观动能kineticEk=mc2/2宏观位能potentialEp=mgz,机械能,系统总能：,E=U+Ek+Ep,e=u+ek+ep,2.3封闭系统的能量方程,W,Q,U,能量方程参与能量转换的各项能量之间的关系式,取气缸内气体为系统，为典型的闭口系。气体从状态12，吸热Q，对外做功W。研究气体的变化过程，位能变化可以忽略；对于不做长距离流动的情况，动能变化也可以忽略，故系统的储存能量中只有内能发生变化。根据热一律，有：Q=U+W,一般式,Q=dU+WQ=U+W,q=du+wq=u+w,单位工质,适用条件：1）任何工质2)任何过程,0，表示热源对系统加热，系统吸热0，表示系统内能增加，0，表示系统对外作功，0,输出的轴功是靠焓降转变的,例2：压缩机械Compressor,火力发电核电,飞机发动机轮船发动机移动电站,压气机,水泵,制冷空调,压缩机,压缩机械,1)体积不大,2）流量大,3）保温层,q0,ws=-h=h1-h20,输入的轴功转变为焓升,例3：换热设备HeatExchangers,火力发电：,锅炉、凝汽器,核电：,热交换器、凝汽器,制冷空调,蒸发器、冷凝器,换热设备,热流体放热量：,没有作功部件,热流体,冷流体,h1,h2,h1,h2,冷流体吸热量：,焓变,例4：绝热节流ThrottlingValves,管道阀门,制冷空调,膨胀阀、毛细管,绝热节流,绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等,h1,h2,没有作功部件,绝热,喷管目的：,压力降低，速度提高,扩压管目的：,动能与焓变相互转换,速度降低，压力升高,动能参与转换，不能忽略,例5：喷管和扩压管,NozzlesandDiffusers,热一律小结Summary,1、本质：能量守恒与转换定律,2、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，可逆过程,任何工质，任何稳流过程,循环过程热力学第一定律的表达式焦耳定律：如果热力系经过一循环过程后回到原态。那么，在整个循环中，系统从外界吸收（或放出）的热量等于其对外完成（或获得）的功量。一般可写为闭口系统循环过程热力学第一定律的表达式。,3、可逆过程时两个热力学微分关系式,适合于闭口系统和稳流开口系统,4、u与h,U,H广度参数u,h比参数,U系统本身具有的内部能量,H不是系统本身具有的能量，开口系中随工质流动而携带的，取决于状态参数的能量,5、四种功的关系,可逆过程,闭口系过程,开口系过程,热力学第一定律讨论课,思考题,工质膨胀是否一定对外作功？,做功对象和做功部件,定容过程是否一定不作功？,开口系，技术功,定温过程是否一定不传热？,相变过程（冰融化，水汽化）,气体边膨胀边放热是可能的,对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能,例.空气在某压气机中被压缩。压缩前后空气的参数为：假定在压缩的过程中，1kg空气的热力学能增加146KJ，同时向外放出热量50KJ，压气机每分钟生产压缩空气10kg。计算：(1)压缩过程中对每公斤气体所做的功？(2)每生产1