清华大学工程热力学课件-第4章讲课稿

1、清华大学工程热力学课件-第4章 II. II. 活塞活塞有有摩擦，导热，准静态等温摩擦，导热，准静态等温B2pbar3B80Vcm210FcmA10pbar3A20Vcm解：解：1）活塞移动距离活塞移动距离LAAAAp VpVBBBBp VpVABppAABBABp Vp VVV10202802080 xx335.56xcm3.556xLcmFA、B的质量和的质量和T均未变均未变I. II. 活塞移动距离活塞移动距离L相等相等II. II. 活塞活塞有有摩擦，导热摩擦，导热, ,准静态等温准静态等温 （续）（续）解：解：2） QA，WAAAAQUW AAAAlnVm RTVBBBQUW 20.

2、43JAAAAlnVp VVBBBBlnVp VV9.41J ABWW摩擦耗功摩擦耗功11.02ABWWWJ摩A+BA+BA+BQUW 3）QA+B0II. II. 活塞活塞有有摩擦，导热摩擦，导热, ,准静态等温准静态等温 （续）（续）解：解：4） SA, SA , SA+B AAAAvAAlnlnTvSmcRTv 讨论：讨论：020.43TAAAAAlnp VVTVABBBBBlnp VVSTV09.41T A+BABSSS 011.02T并非巧合并非巧合 SAB由摩擦由摩擦不可逆引起不可逆引起11.02WJ摩0A BSTW摩计算练习题（计算练习题（2 2）教材教材313题题氧气瓶，氧气瓶

3、，V=0.04m3, p1=147.1bar , t1=t0=20迅速放气至迅速放气至 p2=73.55bar求：求：此时此时T2，放出的质量，放出的质量 mp2 ,V已知，求已知，求T2取氧气瓶为取氧气瓶为开口系开口系，试用开口系能量方程求试用开口系能量方程求T2111pVm RTm1m2 m取氧气瓶为开口系取氧气瓶为开口系开口系能量方程开口系能量方程cvoutoutininnetdQUmhm hWf(T2)cvoutoutdUmh 2v21v1outoutm c Tm c Tmh 有无过程方程？有无过程方程？Tpvs？是否可逆不能确定是否可逆不能确定取氧气瓶为开口系取氧气瓶为开口系气体减少

4、气体减少cvoutoutdUmh cvdd()Umuu, h, m指瓶中气体状态指瓶中气体状态outhhoutdmm d()dmuh mdddm uu mh md()d()dm uhumpvm对于理想气体，且对于理想气体，且cv=ConstvddmcTRT mvddcmTmR T取氧气瓶为开口系取氧气瓶为开口系mvVd()d0mvVdd0m vv m绝热钢瓶放气，瓶内气体遵循绝热钢瓶放气，瓶内气体遵循ln(1)lnConstTkvvddcmTmR Tddmvmv dd1d1vcvTTvR TkTdd(1)0TvkTv1ConstkTvConstkpv 此结论可直接用此结论可直接用计算练习题（计

5、算练习题（3 3）QUW 一小瓶氦气，初温为一小瓶氦气，初温为TA，小瓶绝热，保温箱，小瓶绝热，保温箱初为初为真空真空，由于小瓶漏气，某时刻，小瓶内，由于小瓶漏气，某时刻，小瓶内氦气温度为氦气温度为TA，箱内氦气温度为，箱内氦气温度为TB。氦气为。氦气为理想气体，试分析理想气体，试分析TA，TA，TB的相对大小。的相对大小。TBTA解：预将解：预将TA，TA，TB 联系起来联系起来 取保温箱为系统较好取保温箱为系统较好0计算练习题（计算练习题（3 3）（续）（续）0UTBTA解：取保温箱为系统解：取保温箱为系统AvABvBABvA()0mc Tm c Tmmc TAAAABB()mTTTTm小

6、瓶内气体遵循小瓶内气体遵循Constkpv 1AAAAkkTpTpAAppAATTAB0TTABTTAABTTT焓焓第三章第三章 完完End of Chapter Three第四章第四章 热力学第二定律热力学第二定律Second Law of Thermodynamics自发过程的方向性自发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不需要任何外界作用而自动进 行的过程。行的过程。自然界自发过程都具有方向性自然界自发过程都具有方向性l 热量由高温物体传向低温物体热量由高温物体传向低温物体l 摩擦生热摩擦生热l 水自动地由高处向低处流动水自动地由高处向低处流动l 电流自动地由高电势

7、流向低电势电流自动地由高电势流向低电势Spontaneous process热功转换过程热功转换过程功量功量热过程具有方向性、条件、限度热过程具有方向性、条件、限度摩擦生热摩擦生热热量热量100%热量热量火力发电功量功量40%放热放热4-1 4-1 热二律的表述与实质热二律的表述与实质 热功转换热功转换 传传 热热 热二律的热二律的表述表述有有 60-7060-70 种种 1851年年 开尔文普朗克表述开尔文普朗克表述 热功转换的角度热功转换的角度 1850年年 克劳修斯表述克劳修斯表述 热量传递的角度热量传递的角度开尔文普朗克表述开尔文普朗克表述 (1851年年 ) 不可能从不可能从单一热源

8、单一热源取热，并使之完全取热，并使之完全转变为转变为有用功有用功而不产生而不产生其它影响其它影响。KelvinPlanck Statement It is impossible for any device that operates on a cycle to receive heat from a single reservoir and produce a net amount of work.开尔文普朗克表述开尔文普朗克表述(1851年年 ) 不可能从不可能从单一热源单一热源取热，并使之完全取热，并使之完全转变为转变为有用功有用功而不产生其它影响而不产生其它影响。 热机不可能将从热机不

9、可能将从热源热源吸收的热量全部转变吸收的热量全部转变为有用功，而必须将其中的一部分传给为有用功，而必须将其中的一部分传给冷源冷源。理想气体理想气体 T 膨胀膨胀 q = = wKelvinPlanck Statement理想气体理想气体 T 过程过程q = wT s p v 1 2 热机：连续作功热机：连续作功 构成循环构成循环1 2 有吸热，有放热有吸热，有放热Heat reservoirs Thermal Energy Source Heat Thermal Energy Sink热源热源冷源冷源:容量无限大，取、放热其温度不变容量无限大，取、放热其温度不变 但违反热但违反热力学力学第二定

10、律第二定律Perpetual-motion machine of the second kind第二类永动机：设想的从第二类永动机：设想的从单一热源单一热源取热并取热并 使之完全变为功的热机。使之完全变为功的热机。这类永动机这类永动机并不违反热力并不违反热力 学第一定律学第一定律第二类永动机是不可能制造成功的第二类永动机是不可能制造成功的环境是个大热源环境是个大热源克劳修斯表述克劳修斯表述 (1850年年 ) 不可能将热从低温物体传至高温不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化物体而不引起其它变化。 It is impossible to construct a device that

11、 operates in a cycle and produces no effect other than the transfer of heat from a lower-temperature body to a higher-temperature body.Clausius statement克劳修斯表述克劳修斯表述 (1850年年 ) 不可能将热从低温物体传至高温不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化物体而不引起其它变化。 热量不可能自发地、不付代价热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体地从低温物体传至高温物体。空调空调,制冷制冷代价：耗功代价：耗功Clau

12、sius statement两种表述的关系两种表述的关系 开尔文普朗克开尔文普朗克 表述表述 完全等效完全等效!克劳修斯克劳修斯表述表述违反一种表述违反一种表述,必违反另一种表述必违反另一种表述!证明证明1 1、违反、违反开表述开表述导致违反导致违反克表述克表述 Q1 = WA + Q2反证法：反证法：假定违反假定违反开氏表述开氏表述 热机热机A从单热源吸热全部作功从单热源吸热全部作功Q1 = WA 用热机用热机A带动制冷机带动制冷机B 对于制冷机对于制冷机B Q1 -Q2= WA = Q1 Q1 -Q1 = Q2 违反违反克氏表述克氏表述 T1 热源热源AB冷源冷源 T2 T1 Q2Q1WA

13、Q1证明证明2 2、违反、违反克表述克表述导致违反导致违反开表述开表述 WA = Q1 - Q2反证法：反证法：假定违反假定违反克氏表述克氏表述 Q2热量自发地从冷源传到热源热量自发地从冷源传到热源热机热机A从热源吸热从热源吸热Q1 冷源无变化冷源无变化 从热源吸收从热源吸收Q1-Q2全变成功全变成功WA 违反违反开氏表述开氏表述T1 热源热源A 冷源冷源 T2 100不可能不可能热二律否定第二类永动机热二律否定第二类永动机 t =100不可能不可能卡诺循环卡诺循环 理想可逆热机循环理想可逆热机循环卡诺循环示意图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卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率T1T2Rcq1q2w122111qqqqq Carnot efficiency t,c只取决于只取决于恒温热源恒温热源T1和和T2 而与工质的性质无