第二章 热力学第一、第二定律

第二章

热力学基本定律辽宁工程技术大学第一节

热力学第一定律

一、第一定律的实质

能量守恒与转换定律在热现象中的应用（机械能和热能）

二、第一定律的表述

热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，它们之间的比值是一定的。

或：

热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。

第一类永动机不可能制成：不消耗能量而连续产生动力的机器经验总结，不能用数学的理论来证明。1.1热力系统储存能热力系统储存能内部储存能外部储存能储存于热力系统的能量称作热力系统储存能。宏观动能重力位能热力学能一、热力学能内部储存能符号：UJ或kJ

u

J/kg

或kJ/kg。是指组成热力系的大量微观粒子本身所具有的能量。Uk平移动能转动动能振动动能Up—内动能：分子热运动内位能：分子间相互作用力热力学能U

热力学能是工质的状态参数。

任何物质都在运动，因而没有一个不运动的绝对0点。所以U的绝对值无法测定。

我们在工程应用中常用△U，所以，可选择任意一个状态的U为0值作基点，如取0℃或0K时气体的热力学能为零。总能热力学能，内部储存能外部储存能宏观动能宏观位能宏观动能与内动能的区别二、总（储存）能

1.2热力系与外界传递的能量热量功量工质通过边界时所携带的能量

在热力过程中，热力系与外界交换的能量:

一、功量

在力差作用下，热力系与外界发生的能量交换就是功量。

有各种形式的功,如电功、磁功、膨胀功、轴功等。

体积变化功轴功流动功推动功

有用功

—热力系通过机械轴与外界交换的功量。

轴功:Ws

J或kJ

。

闭口系：向刚性闭口系输入轴功，输入的轴功通过摩擦耗散效应被系统所吸收，相反的过程，即闭口系靠加热而连续的通过所示的方式向外输出轴功是办不到的。开口系：输入轴功（叶轮式压气机）；

输出（汽轮机）。1.轴功2、推动功、流动功

—开口系因工质流动而传递的功量称为推动功。即推动工质流动而做的功。推动功进出口差值称为流动功。推动功:Wf,单位为J或kJ1kg工质所作推动功用wf表示，单位为J/kg或kJ/kg。dxAdm11pA反力p流动11系统

微元体dm进入系统内，工质的状态参数不变，需上游工质的推动以克服系统内工质的反力，推动力为pA，移动dx距离所作的功为：推动功：流动功1kg工质流入和流出控制体的净流动功为

wf

p2v2

p1v1∴流动功是一种特殊的功，其数值取决于控制体进、出口界面上工质的热力状态。

流动功：二、焓在计算时常用到焓定义为：2、焓单位J（kJ）J/kg（kJ/kg）比焓：1、定义3、焓是状态参数闭口系统:焓存在否?

焓是状态参数，在闭口系统中焓同样存在。但不具有热力学能+流动功的含义。焓表示由热力学能、压力和比体积组成的一个复合状态参数。开口热力系:当1kg工质流入热力系统，工质所携带的能量包括:所以h在流动系统中的确代表了工质与热力状态有关的那部分能量。1.3热学第一定律一、闭口系统热力学第一定律

对一切热力系统和热力过程，有:

进入热力系的能量－离开热力系的能量=热力系储存能的变化

Q=△U+W或q

u

w

对微元过程：

Q

dU

W

或

q

du

w

它表示加给热力系的热量一部分用来对外膨胀做功，另一部分用来增加工质的热力学能，储存于工质内部。

讨论：1）可逆、不可逆都可以。条件：2）任何工质（理想气体、实际、液体等）3）都是代数值，可正可负。讨论：

1）对于可逆过程2）对于循环3）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W的“+”、“–”、数值大小。4）系统通过边界和外界交换的热量，系统内部摩擦生热不计入。5）系统通过边界与外界交换的总功量。Ws1122p1T1dEcf1z1Qp2T2cf2z2流出系统的能量:系统内部储能增量:dE=0–=流入系统的能量:二、开口系的稳定流动能量方程考虑到稳流特征：δm1=

δm2=

δm;开口系稳定流动能量方程

2、技术功(technicalwork)—技术上可资利用的功wt∴

wt

q

h

(

u

w)

(

u

p2v2

p1v1)即wt

=

w

(p2v2

p1v1)

技术功对于稳定流动的可逆过程讨论：1）-vdp可以用画红颜色的微元面积表示，

可用画斜线面积表示。2）此时机器对工质作功（压气机）。此时工质对机器作功（汽轮机，燃气轮机）。对于稳定流动的可逆过程三、稳定流动能量方程的应用

工程上，对许多热工设备的运行，可利用简化的稳定流动能量方程式分析它们的能量关系。1.动力机械动力机械对外输出的轴功等于工质的焓降。∴理论功率

2.泵与风机（压气机、压缩机）工质流经泵与风机，消耗的轴功等于焓的增加。

功和热都是负值3.换热器工质在换热器中吸收的热量等于焓的增加。

稳定流动能量方程式的应用

5.节流装置

工质节流前后的焓值不变。稳定流动能量方程式的应用

4.喷管与扩压管工质流经喷管或扩压管时，

动能的增加等于焓的减少。第二节热力学第二定律自然界自发过程都具有方向性、自发过程都是不可逆过程，要实现，需补充条件可自动逆行吗？自发过程：不需任何外界作用而自动进行的过程热量：高温物体低温物体水流：高处低处电流：高电势低电势扩散：高浓度低浓度用何办法使其逆行？可进行到什么程度？条件、限度。例：2.1热力学第二定律的实质和表述

针对不同的热现象热力学第二定律有不同的表述，但其实质等效。

1.克劳修斯（Clausius）表述热量不可能自发地不花代价地从低温物体传向高温物体。它是从热量传递过程来表达热力学第二定律的。

如制冷机或热泵装置的工作需消耗能量进行补偿

热力学第二定律2.开尔文－普朗克（Kelvin－Plank）表述

它是从热功转换过程来表述热力学第二定律的。

如热机的工作它说明，从热源取得的热量不能全部变成机械能，因为这是非自发过程。但若伴随以自发过程作为补偿，那么热能变成机械能的过程就能实现。不可能制造循环热机，只从一个热源吸热，将之全部转化为功，而不在外界留下任何影响。热力学第二定律第二类永动机

:从单一热源取热并使之完全转变为功的热机。热力学第二定律说明，用于热功转换的热机至少要有高温、低温两个热源（即要有温度差）。为此，热力学第二定律也可以表述为“第二类永动机不可能实现”。

热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？???热二定律否定了第二类永动机

t

=100％不可能2.2卡诺循环和卡诺定理热一定律否定了第一类永动机

t

>100％不可能一、卡诺循环及其热效率1.卡诺循环（由T-s图画出p-v图）是两个热源的可逆循环q1q2STT2S1S2T13214卡诺循环31高温热源、低温热源温度2.卡诺循环热效率卡诺循环热效率讨论：（1）ηc=f(T1,T2)，T1↑，T2↓→

ηc↑Wnet<Q1循环净功小于吸热量，必有放热q2。

（3）若T1

T2，则，卡诺循环热效率只有单一热源提供热量进行循环作功是不可能的。即:（2）T1≠0

T2≠0→

η<1就是说，在循环发动机中即使在理想情况下，也不可能将热能全部转化为机械能。33二、逆向卡诺循环按与卡诺循环相同的路线而反方向进行的循环即逆向卡诺循环。逆向卡诺循环卡诺制冷循环卡诺热泵循环341、制冷系数：Tc↑T0-Tc

↓↑

在保证冰箱内食物不变质的前提下，没有必要将冰箱冷冻室的温度调的过低。同理：室内空调温度设置不低于26℃。逆卡诺循环2、供暖系数：T1↓T1-T0↓↑冬天空调温度不要设的太高。T0T1制热Tss4s11324T1逆卡诺循环三、卡诺定理

在卡诺定理证明以前，理想气体卡诺循环的热效率计算公式没有任何普遍意义。

1、不能回答可逆循环种类不同的热效率是否相同；

2、不能回答采用非理想气体为工质的可逆循环是否与采用理想气体的可逆循环热效率相等；

3、不能回答两个热源间不可逆循环得热效率是否小于可逆循环的热效率。定理1:在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切可逆热机，其热效率相等。与可逆循环的种类无关，与采用哪种工质也无关。

定理2：在同为温度T1的热源和同为温度T2的冷源间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环热效率。卡诺定理2.3熵与熵增原理

一、熵的基本概念熵S是由热力学第二定律推导出的状态参数。

熵的微分定义式为适用于任何热力系的任何可逆过程可逆过程中1、2两平衡态的熵差为

第二定律数学表达式可逆“=”不可逆“>”不可能“<”上面两式可以直接判断热力过程、循环是否可行以及是否可逆。