第二章热工转换的基本概念和基本定律

1、 (界面界面)：系统与外界的分界：系统与外界的分界面。面。surroundings系统系统与与外界外界的作用都通过的作用都通过边界边界功和热的交换功和热的交换固定、活动固定、活动fixed 、 movablereal 、imaginary以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分： 有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系 热力系与外界可以有能量和物质的交换，而热力系与外界可以有能量和物质的交换，而物质的交换总伴随着能量的

2、交换。物质的交换总伴随着能量的交换。 按照热力系与外界相互作用情况，可分为：按照热力系与外界相互作用情况，可分为： 闭口系闭口系与外界无物质交换的系统。此时，与外界无物质交换的系统。此时，热力系内物质的质量保持不变，称为控制质量热力系内物质的质量保持不变，称为控制质量（CM）。）。 开口系开口系与外界有物质交换的系统。把研与外界有物质交换的系统。把研究对象规划在一定的空间范围内，该空间范围究对象规划在一定的空间范围内，该空间范围称为控制容积（称为控制容积（CV）。）。Open systemControl volumeClosed system Control mass 简单可压缩系简单可压缩系

3、热力系由可压缩流体构热力系由可压缩流体构成，与外界只有成，与外界只有热量和可逆体积变化功热量和可逆体积变化功的交换。的交换。热能所涉及的系统大多属于简单可压缩系统。热能所涉及的系统大多属于简单可压缩系统。 绝热系绝热系与外界无热量交换的系统。与外界无热量交换的系统。 孤立系孤立系与外界无任何物质和能量交换的与外界无任何物质和能量交换的热力系。热力系。 Adiabatic systemIsolated systemSimple compressible system热源热源与外界仅有热量的交换，且有限量与外界仅有热量的交换，且有限量的热交换不引起系统温度变化的热力系统。的热交换不引起系统温度变化

4、的热力系统。 根据热源温度的高低和作用，热源可分根据热源温度的高低和作用，热源可分为高温热源和低温热源，（热源和冷源）为高温热源和低温热源，（热源和冷源）Heat Resource1234mQW1 开口系开口系非孤立系相关外界非孤立系相关外界孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系A system in equilibrium experiences no changes when it is isolated from it surroundings.1、热平衡、热平衡Thermal equilibrium : if the tempera

5、ture is the same throughout the entire温差温差 Temperature differential热不平衡势热不平衡势Unbalanced potentials2、力平衡、力平衡Mechanical equilibrium : if there is no change in pressure at any point of the system with time The variation of pressure as a result of gravity in most thermodynamic system is relatively small

6、 and usually disregarded压差压差 Pressure differential力不平衡势力不平衡势Unbalanced potentials3、相平衡、相平衡Phase equilibrium : when the mass of each phase reaches an equilibrium level and stays there4、化学平衡、化学平衡Chemical equilibrium : if its chemical composition does not change with time. That is, no chemical reaction

7、s occur. 温差温差 热不平衡势热不平衡势 压差压差 力不平衡势力不平衡势 相变相变 相不平衡势相不平衡势 化学反应化学反应 化学不平衡势化学不平衡势平衡的平衡的本质本质：不存在不平衡势不存在不平衡势In an equilibrium state there are no unbalanced potentials稳定：稳定：参数不随时间变化参数不随时间变化稳定稳定但存在但存在不平衡势差不平衡势差去掉去掉外界影响，外界影响， 则则状态变化状态变化若以若以（热源（热源+铜棒铜棒+冷源）冷源）为系统，又如何为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡平衡：

8、时间上：时间上均匀均匀：空间上：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的 如果如果系统平衡系统平衡，可用，可用一组一组确切确切的参数（的参数（压力压力、温度温度）描述描述但平衡状态是但平衡状态是死态死态，没有能量交换，没有能量交换能量交换能量交换状态变化状态变化破坏平衡破坏平衡如何描述如何描述state propertiesVvmUumHhmSsm单位：单位：/kg 具有强度参数的性质具有强度参数的性质 Basic state properties 1.1.比体积和密度比体积和密度单位质量物质所占的体积称为比体积，也单位质量物质所占的体积称为比体积

9、，也称为比容。称为比容。若以若以m m表示质量，表示质量，V V表示所占体积，则比体表示所占体积，则比体积积Vvm比体积的倒数称为密度，以比体积的倒数称为密度，以表示，则有表示，则有密度密度表示单位体积所含的物质质量。表示单位体积所含的物质质量。2.2.压力压力 单位面积上所受的垂直作用力称为单位面积上所受的垂直作用力称为压力压力( (压强压强) )，以以P P表示。如用表示。如用A A表示面表示面积，积，F F表示垂直于表示垂直于A A的均匀作用力则的均匀作用力则压力压力 压力单位为压力单位为Pa。 1Pa1Nm2 压力常用压力表或真空表来测定。压力常用压力表或真空表来测定。 常用的测压计有

10、弹簧管式测压计和常用的测压计有弹簧管式测压计和U形管形管测压计。测压计。 不论哪种测压计，实际都是测定压差的差不论哪种测压计，实际都是测定压差的差压计。通常，压计。通常，测压计指示被测物质与环境大测压计指示被测物质与环境大气之间的压差。气之间的压差。 指压力表所处环境指压力表所处环境注意注意： 环境压力环境压力一般为一般为大气压大气压，但不一定。但不一定。环境压力环境压力Environmental pressure大气大气压力压力 Atmospheric pressurebarometric 压力分为压力分为绝对压力和相对压力绝对压力和相对压力。 绝对压力是指气体的真实压力。绝对压力是指气体的

11、真实压力。 测量压力的仪表通常总是处于大气环境中，测量压力的仪表通常总是处于大气环境中，因此不能直接测得绝对压力，而只能测出绝对压因此不能直接测得绝对压力，而只能测出绝对压力和当时当地的大气压力的差值力和当时当地的大气压力的差值相对压力。相对压力。 当气体的绝对压力高于大气压力时，压力计当气体的绝对压力高于大气压力时，压力计所指示的是绝对压力超出大气压力的部分，称为所指示的是绝对压力超出大气压力的部分，称为表压力或表压（表压力或表压（PgPg）：当当 p pb表压力表压力 peebppp当当 p 有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程Relaxation time例：例

12、：活塞式内燃机活塞式内燃机 2000转转/分分 曲柄曲柄 2冲程冲程/转，转，0.15米米/冲程冲程活塞运动速度活塞运动速度=2000 2 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度（声速）压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间驰豫时间）一般的工程过程都可认为是一般的工程过程都可认为是准静态过程准静态过程 系统经历某一过程后，如果能使系统经历某一过程后，如果能使系系统统与与外界外界同时同时恢复到恢复到初始状态初始状态，而不留，而不留下任何痕迹，则此过程为下任何痕迹，则此过程为可逆过程可逆

13、过程。注意注意可逆过程只是指可能性，并不可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程是指必须要回到初态的过程。准静态过程准静态过程 + 无耗散效应无耗散效应 = 可逆过程可逆过程无不平衡势差无不平衡势差通过摩擦使功通过摩擦使功变热的效应变热的效应(摩阻，电阻，摩阻，电阻，非弹性变性，非弹性变性，磁阻等）磁阻等） 不平衡势差不平衡势差不可逆根源不可逆根源 耗散效应耗散效应 耗散效应耗散效应irreversibilityDissipative effectHeat transfer不等温传热不等温传热T1T2T1T2Q节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）p1p2p1p2Frequently

14、encountered irreversibilitiesThrottler混合过程混合过程自由膨胀自由膨胀真空真空Frequently encountered irreversibilitiesUnrestrained expansionMixing process 可逆过程的功与热可逆过程的功与热完全完全可用可用系统内系统内工质工质 的的状态参数状态参数表达，可不考虑系统与外界表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。的复杂关系，易分析。 实际过程不是可逆过程，但为了研究方实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按便，先按理想理想情况（情况（可逆过程可逆过程）处理，）处理， 用系统参

15、数加以分析，然后考虑不可逆用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以因素加以修正。修正。 由于可逆过程是不引起任何热力学损失的由于可逆过程是不引起任何热力学损失的理想过程，即它是一切实际过程的理想过程，即它是一切实际过程的理想极理想极限限。可以根据理想过程分析评价热力设备。可以根据理想过程分析评价热力设备和装置的质量和效率，从而提出改善的途和装置的质量和效率，从而提出改善的途径。径。功是在力的推动下，通过功是在力的推动下，通过宏观有序（有规则）运动的方式传递的能宏观有序（有规则）运动的方式传递的能量。量。功的功的力学力学定义定义: 力力 在力方向上的位移在力方向上的位移若系统在力若系统在力F

16、的作用下沿力的方向产生微的作用下沿力的方向产生微小位移小位移dx，则该力所完成的功为：，则该力所完成的功为：FdxW 若系统移动有限距离，则完成的功为：若系统移动有限距离，则完成的功为：功的符号是功的符号是W，热力学中规定：热力学中规定：系统对外作功取为正，而系统对外作功取为正，而外界对系统作功时取为负外界对系统作功时取为负。在国际单位制中，功的单位为焦耳在国际单位制中，功的单位为焦耳(J)，定，定义为义为 1J=1N.m 21FdxW 单位时间内完成的功称为功率，其单单位时间内完成的功称为功率，其单位为瓦（位为瓦（W），定义为），定义为 lW1J/s 在工程热力学中，热和功的相互转换在工程热

17、力学中，热和功的相互转换常常是通过气体的常常是通过气体的容积变化功容积变化功(膨胀功或膨胀功或压缩功压缩功)来实现的，因此容积变化功具有来实现的，因此容积变化功具有持别重要的意义。持别重要的意义。 可逆过程可逆过程容积变化功的推导：容积变化功的推导： 如图所示，取气缸一活塞机构中的气体为系统。如图所示，取气缸一活塞机构中的气体为系统。系统从状态系统从状态1变化到状态变化到状态2时时：pdVdxApdxFWre.21pdVWre 在系统内工质的质量为在系统内工质的质量为1千克，则系统所作千克，则系统所作的功为：的功为： 在在P-V图上可逆过程线图上可逆过程线12下面的面积，下面的面积，即为即为W

18、，因此，因此P-V图也叫示功图。图也叫示功图。pdvdxApdxFwre.21pdvwre式中：式中：c为工质的比热容。为工质的比热容。 21mcdTQmcdTQ热量是否可以用类似于功的式子热量是否可以用类似于功的式子表示表示？引入引入“熵熵”能量传递方式能量传递方式 容积变化功容积变化功 传热量传热量性质性质 过程量过程量 过程量过程量推动力推动力 压力压力 p 温度温度 T标志标志 dV , dv dS , ds公式公式pdvw Tdsq pdvw Tdsq条件条件 准静态或可逆准静态或可逆 可逆可逆revQdSTreversiblerevqdsT比参数比参数 kJ/kg.Kds: 可逆过

19、程可逆过程 qrev除以传热时的除以传热时的T所得的所得的商商 广延量广延量 kJ/K1 1、熵熵是是状态参数状态参数 3、熵熵的物理意义：的物理意义：熵熵体现了体现了可逆过程可逆过程 传热的传热的大小大小与与方向方向2、符号符号规定规定系统系统吸热吸热时时为为正正 Q 0 dS 0系统系统放热放热时时为为负负 Q 0 dS 0输出的轴功是靠焓降转变的输出的轴功是靠焓降转变的火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机压气机水泵水泵制冷制冷空调空调压缩机压缩机sqhw 1) 体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0ws = -h = h

20、1 - h2100不可能不可能 t =100不可能不可能法国工程师卡诺法国工程师卡诺 ( (S. Carnot) )，1824年提出年提出卡诺循环卡诺循环热二律奠基人热二律奠基人效率最高效率最高卡诺循环示意图4-1绝热压缩绝热压缩过程，对内作功过程，对内作功1-2定温吸热定温吸热过程，过程， q1 = T1(s2-s1)2-3绝热膨胀绝热膨胀过程，对外作功过程，对外作功3-4定温放热定温放热过程，过程， q2 = T2(s2-s1)Carnot cycleCarnot heat enginet1wq2212t,C121111TssTT ssT 卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率122111qqq

21、qq Carnot efficiency2t,C11TT Constant heat reservoirT0T2制冷制冷2212Cqqwqq221202122102()()()T ssTT ssT ssTT0211TTTss2s1T2 c Carnot principles2tC13001170%1000TT t1120060%2000wqt150075%2000卡诺热机卡诺热机只有只有理论理论意义，意义，最高理想最高理想实际上实际上 T s 很难实现很难实现 回热和联合循环回热和联合循环 t 可达可达50%热二律推论之一热二律推论之一 卡诺定理卡诺定理给出热机的给出热机的最高理想最高理想热二

22、律推论之二热二律推论之二 克劳修斯不等式克劳修斯不等式反映反映方向性方向性 定义定义熵熵Clausius inequality LLHHHLHLTQTQTTQQHLHLcTTQQ11 0 LLHHTQTQ热源温度热源温度工质在循环中工质在循环中的换热量，的换热量，绝对值绝对值 0 LLHHTQTQ 0 TQ微元卡诺循环微元卡诺循环 0 LLHHTQTQ 对于构成循环对于构成循环lA一一2一一BI的无数个微元卡诺循环的无数个微元卡诺循环均有类似的表达式，将它们相加得：均有类似的表达式，将它们相加得：TdQTdQTQ的积分与路径无关的积分与路径无关 0 2B11A2TQTQ 0 TQ为某一状态参数

23、的恰当为某一状态参数的恰当微分微分TQ 1B22B11A2TQTQTQ 下标下标re表示可逆，强调是可逆过程的换热量。表示可逆，强调是可逆过程的换热量。 T为热源温度。为热源温度。 TQdSreTQdSre0reQ0reQ可逆过程的熵变可逆过程的熵变 21122112TqsssTQSSSrere微元非卡诺循环微元非卡诺循环HLHLcHLTTQQQQ111HLHLcHLTTQQQQ111LLHHTQTQ换热量，绝对值换热量，绝对值0LLHHTQTQ 0 2B11A2TQTQ对于全部循环对于全部循环 0 TQ 0 TQ结合可逆结合可逆循环循环克劳修斯不等式克劳修斯不等式 0 0 2C11B22C1

24、1A2TQTQTQTQ 1A21B2TQTQ过程过程1B2为可逆过程，有为可逆过程，有2112BTQSS 1A21B2TQTQ2112ATQSSTQdSgdSTQdS熵产熵产gfgdSdSdSTQdS熵流熵流熵产熵产 不可逆过程中熵的变化由两部分构成：不可逆过程中熵的变化由两部分构成：与外界热交换引起的与外界热交换引起的 ，称之为熵流，称之为熵流，dSf由于不可逆因素引起的熵产由于不可逆因素引起的熵产dSg。gfgdSdSdSTQdSTQ0/667. 0 30080010002000KkJTQ0/333. 0 30050010002000KkJTQ热二律推论之一热二律推论之一 卡诺定理卡诺定理

25、给出热机的给出热机的最高理想效率最高理想效率热二律推论之二热二律推论之二 克劳修斯不等式克劳修斯不等式反映反映方向性方向性热二律推论之三热二律推论之三 熵熵反映反映方向性方向性定义：定义：熵熵reQdST热源温度热源温度=工质温度工质温度比比熵熵reqdsT0dS 0Q0dS 0Q0dS 可逆时可逆时0Q熵变表示可逆熵变表示可逆过程中热交换过程中热交换的方向和大小的方向和大小熵的物理意义熵的物理意义0 rTQ克劳修斯不等式0TQ可逆循环可逆循环pv12ab1 22 10abQQTT1 21 2abSS 熵变与路径无关熵变与路径无关,只与初终态有关只与初终态有关2121SS 可逆不可逆Entro

26、py change 0dSpv12ab121212S-SSTQ212112QSSST热二律表达式之一热二律表达式之一对于循环对于循环克劳修斯不等式克劳修斯不等式QST 除了传热除了传热,还有其它因素影响熵还有其它因素影响熵不可逆绝热过程不可逆绝热过程0dS 0Q不可逆因素会引起熵变化不可逆因素会引起熵变化=0总是熵增总是熵增针对过程针对过程=：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程定义定义fQdST熵产：纯粹由不可逆因素引起熵产：纯粹由不可逆因素引起g0dS gfdSdSdS结论：结论：熵产是过程不可逆性大小的度量熵产是过程不可逆性大小的度量。QdST熵流：熵流：永远永远fgSSS 热二律

27、表达式之一热二律表达式之一Entropy flow and Entropy generation任意不可逆过程任意不可逆过程gfdSdSdSfgSSS 0S f0Sg0S可逆过程可逆过程f0SS g0S不可逆绝热过程不可逆绝热过程0Sf0Sg0S可逆绝热过程可逆绝热过程0Sf0Sg0S不易求不易求理想气体理想气体2221v11lndTvScRTv仅仅可可逆逆过过程程适适用用2221p11lndTpScRTp2221pv11dvdpSccvp任何过程任何过程非理想气体：非理想气体：查图表查图表固体和液体：固体和液体： 通常通常pvccc常数常数例：水例：水4.1868kJ/kg.Kc 熵变与过程

28、无关，假定可逆：熵变与过程无关，假定可逆：reQcmdTdSTT21lnTScmT热源（蓄热器）：热源（蓄热器）：与外界交换热量，与外界交换热量，T几乎不变几乎不变假想蓄热器假想蓄热器T111QST热源的熵变热源的熵变功源（蓄功器）：功源（蓄功器）：与只外界交换功与只外界交换功0S功源的熵变功源的熵变无耗散无耗散孤立系统孤立系统0fdS无质量交换无质量交换0giso dSdS结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变，结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变， 绝不能减小，这一规律称为孤立系统绝不能减小，这一规律称为孤立系统 熵增原理。熵增原理。无热量交换无热量交换无功量交换无功量交换=：可逆过程：可逆

29、过程：不可逆过程：不可逆过程热二律表达式之一热二律表达式之一传热方向传热方向(T1T2)QST 用用用用fgSSS 用用iso0S没有循环没有循环不好用不好用不知道不知道0TQ用克劳修斯不等式用克劳修斯不等式12isoTT122111QQSSSQTTTT 取热源取热源T1和和T2为孤立系为孤立系当当T1T2可自发传热可自发传热iso0S当当T1：不可逆过程：不可逆过程RIRqqqsT =：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程IRRss 相同相同初态初态s1相同相同2,IR2,Rssfgsss 0s 可逆绝热可逆绝热不可逆绝热不可逆绝热0s p1p2122解解 取取A和和B构成孤立系，如图

30、所示。构成孤立系，如图所示。由第一定律知，由第一定律知，B放出的热量放出的热量QB与与A得到的热量得到的热量QA在数值上相等，即在数值上相等，即 QB=QA=1000kJ考虑到考虑到B放热，则放热，则QB一一1000 kJ违反孤立系熵增原理，故不可行。违反孤立系熵增原理，故不可行。同理对于同理对于A放出热量放出热量B得到热量的情况，有得到热量的情况，有 不违反孤立系熵增原理，故可行。但由于不违反孤立系熵增原理，故可行。但由于Siso0，所以该过程为不可逆过程，不可逆，所以该过程为不可逆过程，不可逆是由不等温的温差传热造成的。是由不等温的温差传热造成的。解：（解：（1）方法）方法1：利用克劳修斯不等式来判断是否：利用克劳修斯不等式来判断是否可行。可行