第二章 能量转换的基本概念和基本定律

1、第二章 能量转换的基本概念 和基本定律 Curiosity will kill the cat. But I think: not the student. Curious students will change the world,第一节 基本概念,一 热力系和工质 1、热力系 热力学中所研究的对象称为热力学系统，简称热力系。,常见的热力系,(1)、闭口系：热力系与外界没有物质交换。（C.M) (2)、开口系：热力系与外界有物质交换。 (C.V) (3)、绝热系：热力系与外界无热量交换。 (4)、孤立系：热力系与外界既无能量交换又无物质交换。 (5)、简单可压缩系：热力系与外界只有一种体积

2、变化功的交换。 (6)、热源：无限大的热库，吸入热量和放出热量后，温度不变。,热力系边界的特点,固定边界 移动边界 真实的边界界面 假想的空间界面,2、工质,实现能量相互传递与转换的物质（介质）称为工质。 如：水蒸汽、 内燃机中工作的燃气 制冷剂 常用的气态物质等。,二 平衡状态及基本状态参数,1、平衡状态 在没有外界影响的条件下，热力系的宏观性质不随时间变 化的状态称为平衡状态（平衡态）。 若系统的各部分之间没有热量传递,则系统处于热平衡. 若系统的各部分之间没有相对位移,则系统处于力平衡. 处于平衡态的热力系，各处应具有均匀一致的温度、压力等宏观物理量。 实现热力平衡态的条件（无化学反应等

3、其它不平衡势）： 温度平衡（热平衡）。 压力平衡（力平衡）。 处于平衡态的热力系可用确定的压力、温度等宏观的物 理量来描述。,2、状态参数及其特点,状态参数； 描述热力系统所外状态的宏观物理量。 状态参数的特征： 只取决于状态，与过程（路径）无关。 数学特征,强度量状态参数： 与系统内所含工质数量无关的状态参数。 广延量状态参数： 与系统内所含工质数量有关的状态参数。,3、基本状态参数,(1)、比体积 单位 m3/kg 密度,(2)、压力（压强）,单位：Pa 压力的国际制单位： 1 MPa = 103 kPa = 106 Pa 其它非国际制压力单位： 标准大气压 atm： 1 atm = 10

4、1325 Pa 工程大气压 at (kgf/cm2);： 1 at = 9.8067104Pa 巴 bar，毫巴mbar 1 bar 1000 mbar105 Pa 毫米汞柱 mmHg： 1mmHg133.32 Pa 毫米水柱 mmH2O： 1mmH2O9.8067 Pa,压力的测量（1）,当 p pb 时 ，p = pb + pg p g 称为表压（压力表） 当 p pb 时， p = pb - pv p v 称为真空度（真空表）,压力的测量（2）,p = pb + pg = pb + gh p = pb pv = pb gh pg: 表压 pv：真空度,(3) 、温度,物体冷热程度的标志；

5、系统热平衡的物理特征量。 热力学第零定律： 当物体C同时与物体A和B接触而达到热平衡时,物体A和B也一定热平衡。 这一事实说明物质具备某种宏观性质。若两个热力系分别与第三个热力系热平衡，那么这两个热力彼此处于热平衡。这一宏观物理性质称为温度。 温标： 热力学第零定律是温标的理论依据。 a、热力学温标: 水的三相点为 273.16 K,单位“开尔文” T 单位 K， T = 273.15 + t b、摄氏温标 水的三相点为0.01 ，水的标准沸点为100 。 t 单位 t = T - 273.15 （有关温度热力学温标在第二定之后有严格证明）,三 状态方程、坐标图,1、状态方程 基本状态参数之间

6、的函数关系式称为工质的状态方程。由状态公理得：只有两个独立变量） F (p,v,T) = 0 或 p=p(T,v); v = v (p,T); T = T (p,v),2、坐标图 二个独立变量时，可以用平面图表示。而平面上的任意一点则代表了一个平衡状态；所有的状态都可以在平面上找到。,四 准平衡态过程和可逆过程,1、准平衡态（准静态）过程 定义：由一系列偏离平衡态不远的状态组成的热力过程称为准平衡态过程。 准平衡态过程的实现过程 过程进行得非常缓慢，平衡破坏后能自动恢复平衡，且恢复需时间（弛豫时间）很短，过程中随时都不致远离平衡状态。 准平衡态过程就可在p - v图上用连续曲线表示。, 实现准

7、平衡态过程的条件是： 热平衡 T 0 力平衡 p 0,2、可逆过程（理想过程）,定义 如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向返回原来的状态，并使相互作用中所涉及到的外界也回复到原来的状态，而不留下任何变化，则这一过程为可逆过程。 可逆过程准平衡态过程无耗散效应 （耗散效应：通过摩阻、电阻、磁阻等使功变为热的效应） 可逆过程不仅要求工质内部是平衡的，而且要求工质与外界的作用可以无条件地逆复。,五 功和热量,功和热量是热力过程中系统与外界交换的不同形式的能量。 1、功（膨胀功或体积功） W ：表示系统与外界交换的膨胀功(外界得到的膨胀功量）。 根据功的定义，功可表示为 Fdx或Fdx 对于热

8、力系 F dx = pA dx = pdV,问题: 对于一个准平衡态过程，过程中有确定的p、V，所以可 以得到确定的pdV和 pdV ，但是它是否就等于系统与外界交换的膨胀功？,结论：只有在可逆过程中才有 W = pdV W = 12 pdV w = pdv w = 12 pdv p-v图及T-s图，凡是用实线画出的过程都表示可逆过程。,有用功Wu、无用功Wr和耗散功Wl,闭口系膨胀过程中用推动大气所消耗的功称为无用功Wr. 过程中由于耗散效应所消耗的功称为耗散功Wl ，则有用功Wu为,Wu WWrWl (111),Wrp0(V2 V1) p0 V (112),可逆过程时Wl=0,2、热量,热

9、量是系统与外界之间在温差的推动下，通过微观粒子无序运动的方式与外界交换的能量。 Q : 表示系统与外界交换的热量。 若过程可逆则： Q = TdS Q = 12 TdS q = Tds q = 12 Tds w和q都是过程量而不是状态量,六 热力循环,工质从某一初态出发，经历一系列热力状态后，又回到原来初态的热力过程称为热力循环，即封闭的热力过程，简称循环。,1、正循环（动力循环）(顺时针方向) 吸热q1，放热q2，对外作功wnet ， 且wnet = q1 - q2，热效率为t t= wnet / q1,2、逆循环（制冷循环） (逆时针方向) 放热q1，吸热q2 ，外界输入功wnet ， 且

10、wnet = q1 - q2，制冷系数为 = q2 / wnet,本节所介绍的不是工程热力学基本概念的全部，在以后的章节中还将出现新的基本概念，到时将一一论述。,问答题,1、基本状态参的哪几个？为什么称他们为基本状态参数？ 2、什么是平衡态？实现平衡态的条件是什么？ 3、什么是可逆过程？实现可逆过程的条件是什么？ 4、可逆过程的膨胀功w、技术功wt如何计算？如何在p-v图上 表示可逆过程的膨胀功w和技术功wt ？ 5、写出绝对压力p、表压pg、真空度pv之间的关系式。测量 容器中的压力时，压力表上的读数不变，容器中的压力是 否会发 生变化？,第二节 热力学第一定律,一 热力学第一定律的实质,热

11、力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象中的应用。,热是一种能量，机械能可以转变为热能，热能也可以转变为机械能，在转变过程中保持量的守恒。,二 热力学能和系统的总能量,1、热力学能,(1)、外部储存的能量: 系统由于宏观运动所具有的能量。 动能 Ek 势能 Ep 。,(2)、内部储存能量: 系统内部分子运动的内动能、相互作用的内位能及维持分子结构的化学能和原子核内部的原子能等。 这些能量总称为热力学能。,热力系所储存的能量可分为外部能量和内部能量：,在无化学反应和核反应的简单可压缩系统中,由热力学能所包含的能量形式可知，热力学能是状态参数。,比热力学能可表示为：,根据状态参数的特点可有：,热力

12、学能 U 单位 : J 或 kJ比热力学能 u =U/m 单位 : J /kg 或 kJ/kg,2、系统的总能量,三 热力学第一定律的能量方程式,根据热力第一定律，对于一个任意热力系统，能量方程可写成,进入系统的能量离开系统的能量系统能量的增加 （29）,1、闭口系统的能量方程式,当宏观的动能的势能的变化可以忽略不计或系统静止时E U，则第一定律的方程式可写成,Q与W正、负号的规定,系统吸热Q为正，放热Q为负； 系统对外作功W为正，外界对系统作功W为负,能量方程式（227）常写成,上式的适用条件是：任何过程，任可工质。,对于可逆过程,闭口系任何工质、可逆过程的能量方程式可写成,对于一个循环,2

13、、开口系统的能量方程式,(1)、稳定流动系统的能量方程,稳定流动： 流动过程中开口系内部的状态参数（热力学参数和动力学参数）不随时间变化的流动称为稳定流动。,稳定流动时必有,稳定系统的能量分析：,进入系统的能量：,离开系统的能量：,系统能量的增加：ECV0,进入系统的能量离开系统的能量系统能量的增加,由于m1=m2=m, 整理上式得,对上式两边同除以 m 得,(3)、焓的定义及物理意义,(2)、推动功和流动功,推动功：,由于工质移动而传递的功称为推动功： pV,流动功：,用于维持流动所需要的功：(pV)=p2V2p1V1,定义： H=U+pV 或 h=u+pv 单位： J, kJ 或 J/kg

14、, kJ/kg,焓的物理意义: 随着工质移动的能量. 焓是开口系统中流入（或流出）系统工质所携带的取决于热力学状态的总能量,（二）流动功,定义：开口系统中工质流入和流出系统所作的推动功的代数和。,推动功：,同理：,或,流动功：,(4)、技术功,比较式（228a)和（232）,若为可逆过程,引入技术功后稳定系统能量方程式可写为,若过程可逆,(5)、一般开口系统的能量方程,进入系统的能量：,离开系统的能量：,系统能量的增加： esy,CV,在d间内,代入能量方程, 整理后得,四 稳定系统能量方程式的应用,1、动力机（蒸汽轮机和燃气轮机,2、压气机,压气机的耗功为 wc,3、换热器,4、管道,5、节

15、流,叶轮式动力机,叶轮式耗功机械,(1) 燃气在喷管出口的流速c3 ; (2) 每干克燃气在燃气轮机中所作的功； (3) 当燃气质量流量为5.6 kg/s时，燃气轮机输出的功率。,燃气轮机装置如图所示。已知在截面1处 h1=286 kJ/kg的燃料与空气的混合物以 20 m/s 的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，相当于从外界获得热量q=879 kJ/kg。燃烧后的燃气在喷管中绝热膨胀到 3， h3=502kJ/kg.流速增加到 c3 。然后燃气推动叶轮转动作功。若燃气推动叶轮时热力状态不变，只是流速降低。离开燃气轮机的速度 c4 =150 m/s.试求：,例题：,解：（1）取13截面为热力系统,

16、（2）取34截面为热力系统,又由“若燃气推动叶轮时热力状态不变”，,（3）功率为P,Pqmwsh34=5.6652 =3651.2 kW,试分析有无其它的解题思路？,例1 进入汽轮机新蒸汽的参数为 ， ， ， ；出口参数为： ， , ，蒸汽的质量流量 ，试求 (1)汽轮机的功率； (2)忽略蒸汽进、出口动能变化引起的计算误差。,依题意：qo，z0，故有,解（1）取汽轮机进、出口所围空间为控制容积系统，如图 所示，则系统为稳定流动系统。从而有,（2）忽赂工质进出口动能变化，单位质量工质对外输出功的增加量(或减少量) 忽略工质进出口动能变化引起的相对误差,功率,例2 空气在一活塞式压气机中被压缩。

17、压缩前空气的参数是： ， ，压缩后空气的参数是： ， 。设在压缩过程中每千克空气的热力学能增加 ，同时向外放出热量 ，试求（1）压缩过程中对每千克空气所做的功；（2）每生产 压缩空气所做的功；（3）若该压气机每分钟生产 压缩空气，带动此压气机药用多大功率的电动机？,则,（2）系统可视为稳定流动系统（如图所示）则能量方程为：,由：,得：,由（1）知：,（3）带动此压气机的电动机功率,问答题,1、热力学第一定律的实质是什么？ 2、工程热力学中，热力学能包含哪几项能量的形式。 3、写出稳定流动系统的能量方程式，当用于锅炉、汽轮机及节流过程时方程的简化形式。在以上三种过程中膨胀功的表现形式。 4、说明

18、焓的定义式及物理意义。 5、写出技术功的定义式。可逆过程的技术功在p-v图上如何表示。 6、给一不可压缩的流体绝热的情况下加压，热力学能和焓如何变化？ 习题：2-1,2-2,2-4,2-5,2-15,2-27,第三节 热力学第二定律,一 热力过程的不可逆性及 热力第二定律的实质,说明热力过程进行的方向、条件、和限度等间题的规律。其中热力过程的方向性最为重要。,1、常见的不可逆过程,(1)、摩擦使功变为热,(3)、有限温差传热,(4)、自由膨胀,(5)、混合过程,(2)、电阻使电能变为热,2、第二定律的实质,二 热力学第二定律的表述,热力学第二定律应用范围极为广泛（诸如热量传递、热功转换、化学反

19、应、燃料燃烧、气体扩散、分离、溶解、结晶、生物化学、生命现象、低温物理、气象等其他领域）。针对各类具体问题，热力学第二定律有各种形式有表述，这里只介绍两种最基本的、表达形式,1、克劳修斯说法 热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。,2、开尔文说法 不可能制造出单一热源吸热、使之全部转化为功而不留下 其他任何变化的热力发动机。,（第二类永动机是不可能实现的）,以上两种说法是一致的。,如果违犯了开尔文说法，必将违犯克劳修斯说法。,热机违犯了开尔文说法，最后联合循环的效果违犯了克劳修斯说法,三 卡诺循环及卡诺定律,1、卡诺循环 工作于温度分别为 T1 和 T2 的两个热源之间的正向循，

20、由两个可逆定温过程 和两个可逆绝热过程组成。,卡诺循环的热效率为 q = 12 Tds,(1)、热效率只与T1与T2有关，与工质无关。 (2)、热效率只能小于1（第二类永动机不能实现）。 (3)、当T1 T2时，热效率为零。,2、逆卡诺循环,3、概括性卡诺循环 极限回热循环工作在两个恒温热源之间的可逆循环 概括性卡诺循环 bc、ad水平间距处处相等，bc放出热量等于da吸收热量 即回热加热可逆条件：无穷多个中间热源的等温传热 极限回热,这种热机无法实现,4、卡诺定理,定理一 在相同温度的高温热源 T1 和相同温度低温热源T2之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪

21、一种工质也无关。,定理二 在相同温度的高温热源T1 和相同温度低温热源T2之间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环的热效率。 或可逆热机效率恒高于不可逆热机效率,定理一证明,由于卡诺循环是这些可逆循 环之一，所以A、B两 热机的热效率可用卡诺热机的热率表示,卡诺热机的热率：卡诺因子,定理二证明,卡诺循环卡诺定理的意义,1、,2、 ，应尽量减少不可逆,3、 不可能， 不可能；,4、,5、 热量有效能（热）：热量中能够转换为功的最大份额 不花代价的能源温度以大气温度T0为极限,热量无效能（热火无）：不能转换为机械功而排向大气的热量,4、多热源可逆循环,吸热量q1=面积ehgnme,放热量q

22、2 =面积elgnme,定义平均吸和放热温度,四 状态参数熵,1、熵的导出,对任意可逆循环1A2B1，用绝 热线a-g、b-f等循环进行分割， 当两条线非常接近时，吸热和 放热可看成定温微无过程，对 于微元卡诺循环abfga有,下标表示热源参数。当考虑放热正负号时，上式可写成,积分上式,T 是热源温度，可逆时T也是工质温度，上式称克劳修斯积分式。由式可知可逆过程Q/T 具有状态参数的特性，定义为熵。,对于可逆过程，状态参数熵有,2、不可逆过程熵的变化,对于不可逆循环1A2B1有,考虑放热正负号时，上式可写成,上式称为克劳修斯积不等式，将前式结合，可得,上式称为热力学第二定律数学表达式之一，判断

23、循环是否能够发生。,不可逆过程1A2过程的熵变,为了计算1A2过程的熵变，增加可逆过程 2B1，这形成一个不可逆循环，则,所以不可逆过程1A2的熵变为,将式（250）和（254）合并得过程的熵变,上面这些都可称为第二定律的数学表达式。,3、熵流与熵产,对于闭口系，式（254）在右边加一项，使不等号变为等号,dSf称为熵流,它是由于系统与外界交换热量引起的; dSg称为熵产,它是由于不可逆因素引起的。,dSg大于或等于零。,绝热系与外界设有热量交换，故没有热量引起的熵流，则,熵流,五 熵增原理,对于孤立系，由式（254）可得,含义：孤立系内部发生不可逆变化时，孤立系的熵增大,dSiso0; 极限

24、情况（发生可逆变化）熵保持不变, dSiso =0;使孤立系熵减小的过程不可能出现。 简言之，孤立系统的熵可以增大或保持不变，但不可能减少。这一结论即孤立系统熵增原理，简称熵增原理。,注意：熵增原理只适用于孤立系统。至于非孤立系，或者孤立系中某个物体，它们在过程中可以吸热也可以放热，所以它们的熵既可能增大、可能不变，也可能减小。,熵增原理的实质,一、熵增原理阐明了过程进行的方向，即dSiso0 。,二、 熵增原理指出了热过程进行的限度，即dSiso0 。,三、熵增原理揭示了热过程进行的条件（孤立系的热过程中 有部分物体熵减小，必有部分物体的熵增大的相伴随）。,这些正是热力学第二定律的实质。由于

25、热力学第二定律的各种说法都可以归结为熵增原理，又总能将任何系统与相关物体、相关环境一起归入一个孤立系统，所以,是热力学第二定律数学表达式的一种最基本的形式。,热力学第二定律数学表达式,热力学第二定律的数学表达式之一,熵方程,闭口系的熵方程,开口系的熵方程,稳定流动时,或写成,对于1kg工质,对于绝热过程,孤立系包含多个子系统， 熵增原理的应用：,解：（1）作热机时,（2）作制冷机时，按题设工作参数有,例1： 某热机从 的热源吸热 ，向 的冷源放热 。此循环满足克劳修斯不等式吗？是可逆循环还是不可逆循环？若将此热机作制冷机用，从 的冷热源吸热 时，是否可能向 的热源放热 ？,解 （1）,（2）,

26、例2： 某热机从 的热源吸热 ，向 的冷源放热 。此循环可行吗？是可逆循环还是不可逆循环？若将此热机作制冷机用，从 的冷热源吸热 时，是否可能向 的热源放热 ？,例3 设两恒温物体A和B，温度分别为1500K和500K。试根据熵增原理计算分析下面两种情况是否可行？若可行是否可逆？ （1）B 向A 传递热量1000kJ; （2） A 向B 传递热量1000kJ,解 （1）,（2）同理，对于A放出热量和B得到热量的情况，有,A放出热量和B得到热量，熵增0,可行的不可逆过程,例4 将0.5kg温度为1200的碳钢放入盛有4kg温度为20的水的绝热容器中，最后达到热平衡。试求此过程中不可逆引起的熵产。碳钢和水的比热容分别为 和,解 首先求平衡温度 。,水的熵变,碳钢的熵变,水和碳钢所构成的绝热系的总熵增，即该过程的熵产,六 熵产与作功能力损失,摩擦等耗散效应而损失的机械功称耗散功，以Wl表示。 当孤立系统内部存在不可逆耗散效应时，耗散功转化为热量，称为耗散热，以Qg表示。这时Qg= Wl ,它由孤立系内某个(或某些)物体吸收，引起物体的熵增大，称为熵产Sg。 可逆过程无耗散热，故熵产为零。 不可逆过程，设吸热时物体温度为T,则,耗散功转化的热能，如果全部被一个温度与环境温度T0相同的物体吸收，它将不再具有作出有用功的能力，或者说作功能