热力学第一定律与第二定律.ppt

1、第2章热力学第一定律与第二定律( The First Law and Second Law of Thermodynamics ),2020/9/8,2,能量不能产生，也不能消灭；不同形式能量之间可以相互转换，但能的总量不变, 热力学第一定律的普遍表达方式,进入系统的能量 = 离开系统的能量 + 系统能量贮存的增量,热力学第一定律实质上就是能量守恒和转换定律在热力过程分析中的应用,对任何系统的任何过程都应有如下能量平衡关系：,2.1 热力学第一定律的实质, 热力学第一定律,2020/9/8,3,“作功”和“传热”是系统与外界之间的相互作用两种不同形式的能量传递过程,热变功通常借助工质的容积变化

2、来实现，这种作功模式称作“容积功”。膨胀功、压缩功都属于容积功,简单可压缩物质可逆过程中只允许容积功一种作功模式存在的物质。一般的流体属此类物质。, 功,“作功”是系统与外界之间的一种能量传递。当系统对外界的作用可归结为举起重物的单一效果时，就说系统对外界作功,功是有序能量的传递,2.2 功与热量,2020/9/8,4, 简单可压缩物质可逆过程的过程功,对1kg工质,对12的有限过程,式中,P气体的压力,V气体的容积,过程功按照工质在热力过程中的状态变化应有的热变功, 功的正负约定,系统对外界作功为正；外界对系统作功为负,简单可压缩物质的可逆过程功膨胀功,2020/9/8,5,P,v,1,2,

3、 过程功在P-v 图上的表示,dv,对于12有限变化过程,求积结果为图中带阴影线的面积,可逆过程的容积功等于P-v图上过程曲线与横轴v所夹的面积,P=f(v),不可逆过程曲线下的面积不代表过程功,过程功与过程路径有关，是过程量,过程功的表示,2020/9/8,6,某种气体在气缸中进行一缓慢膨胀过程，其体积由0.1m3增加到0.25m3，过程中气体压力循P = 0.24 0.4V（PMPa，Vm3）变化。若过程中气缸与活塞的摩擦保持为1200 N，当地大气压力为0.1 MPa，气缸截面面积为0.1 m2，试求:(1)气体所作的膨胀功W；(2)系统输出的有用功Wu；(3)若活塞与气缸无摩擦，系统输

4、出的有用功Wu,re。,举例,例2-1（习题1-13）,wu,Fr,Pb,2020/9/8,7,解：按题意，认为该气体膨胀为内部可逆过程。, 系统输出的有用功,系统克服摩擦所作的功：,LF = 1.51200 = 1800 J=0.0018 MJ, 系统的过程功（气体膨胀功）,活塞移动的距离：,2020/9/8,8,系统推挤大气所作的功：,PbAL = 0.10.11.5 = 0.015 MJ,因此，气体膨胀过程中系统输出的有用功：,Wu = 膨胀功 克服摩擦的功 克服大气压力的功 = 0.0255 0.0018 0.015 = 0.0087 MJ, 若活塞与气缸无摩擦（过程可逆），则系统输出

5、的有用功为,Wu,re = 0.0255 0.015 = 0.0105 MJ,2020/9/8,9,例2-2（习题3-6）,F = 100 cm2，活塞距底面高度L=10 cm，活塞及其上负载的总重量是195 kg 。 当地的大气压力Pb = 771 mmHg，,环境温度t0 = 27，气缸内气体恰与外界处于热力平衡。倘使把活塞上的负载取去100 kg，活塞将上升，最后与外界重新达到热力平衡。设气体可以通过气缸壁充分和外界换热，所以达到热力平衡以后，气缸内气体的温度等于环境介质的温度。求活塞上升的距离、气缸内气体总共所作的功，以及气体与环境的换热量。,气缸（如图示）,内充以空气，气缸的截面积,

6、2020/9/8,10,解：按题述，气体在外界与系统存在有限压差情况下进行膨胀，过程是非准静的，不可逆的,视空气为理想气体。按题给，气体所受外力为,由理想气体状态方程,因T1= T2，有,2020/9/8,11,a) 活塞上升的距离,b) 气体克服外力膨胀时总共作功为,c) 因气体温度不变，U=0，由热力学第一定律，气体与环境介质的换热量为,Q = W = 98 J （吸热）,2020/9/8,12,传热是系统与外界间的一种相互作用，是系统与外界间依靠温差进行的一种能量传递现象；所传递的能量称为热量,传热是越过系统边界的能量传递过程,热能和热量不是同一个概念,系统温度的变化与传热并无必然的联系

7、,热能是微观粒子无序紊乱运动的能量；传热是微观粒子间无序运动能量的传递, 热量, 热的本质,2020/9/8,13,熵的定义式为,可逆过程的热量可据下列公式进行计算：, 可逆过程的热量计算, 热量的正负约定,系统自外界吸热为正；系统对外界放热为负,千卡（大卡 kcal）与kJ之间的换算关系： 1 kcal = 4.1868 kJ,可逆过程中系统吸热熵增大；放热熵减小,2020/9/8,14,T=f(s),T,s,s1,s2,1,2, 过程热量在T-s 图上的表示,对于12有限变化过程,求积结果为图中带阴影线的面积,可逆过程的热量等于T-s图上过程曲线与横轴s所夹的面积,不可逆过程曲线下的面积不

8、代表过程热量,过程热量与过程路径有关，是过程量,过程热量的表示,2020/9/8,15,系统的总能,当系统固定，不作宏观运动时，可不考虑其外观能量,这时, 系统的能量E,重力位能,宏观动能,系统的外观能量,系统的总能 = 外观能量 + 热力学能,E = Ek + Ep + U,E = U,2.3 控制质量(CM)能量分析,2020/9/8,16,W,Q,CM,根据热力学第一定律,Q = E + W,若系统固定不动，U=E，则,输入能量,贮能增量,输出能量,Q = U + W,对于微元过程,Q = dU + W,W广义功,控制质量,热力过程中吸入热量Q，,对外界作功W，,热力学能增加U,U, 热

9、力学第一定律基本表达式,对1kg工质,q = du + w,q = u + w,以上各式适用于任何工质，任何过程。称作热力学第一定律基本表达式（第一表达式）,导出时式中各项设定为正，实际为代数值，代入数据时应视情况分别为正、负或为零。,2020/9/8,17,对简单可压缩系统可逆过程功：, 简单可压缩物质(CM)可逆过程能量方程,对于微元可逆过程有,对简单可压缩物质控制质量的可逆过程，有,2020/9/8,18,在气缸内装有压缩空气，初始容积为0.28 m3，终了容积为0.99 m3（注：此两条件多余；亦无需气体的压力、温度条件）。飞机的发射速度为61 m/s，活塞、连杆和飞机的总重量为272

10、2 kg。设发射过程进行极快，压缩空气和外界间无传热现象，若不计摩擦力和空气阻力，试求发射过程中压缩空气的热力学能变化。,举例,例2-3（习题2-6）飞机起飞弹射装置（附图）,2020/9/8,19,解：（仅讨论解题方法）, 取气缸内的气体为系统(CM),Q = U + W,压缩空气与外界无传热，Q = 0，故有：U = W,外界（另一系统）活塞、连杆及飞机,忽略金属构件热力学能变化，有能量平衡关系,E = mc2= W ,两系统间：W = W,故有 U = mc2,2020/9/8,20, 取气缸（包括其中的气体）和飞机为系统(CM),按题给 Q = 0；W = 0,E = 0,Q = E

11、+ W,E = U + Ek = 0,Ep=0,U = Ek = mc2,不计金属构件的热力学能变化,系统无重力位能变化,Um =0,E=U+Um+Ek+Ep,0,0,2020/9/8,21,例2-4 分析绝热、刚性容器内气体向真空膨胀（自由膨胀）过程的能量平衡。,解：,可抽隔板,真空,CM,Q = U + W,W = 0 （刚性容器）,U = 0，U2 = U1,由 Q = 0 （绝热）,故有,若为理想气体，其温度不变,抽去隔板，气体向真空膨胀,以容器中的气体为系统,2020/9/8,22,例2-5（习题2-1）一汽车在1 h内消耗汽油34.1 L，已知汽油的发热量为44000 kJ/kg，

12、汽油密度为0.75 g/cm3。测得该车通过车轮输出的功率为64 kW，试求汽车通过排气、水箱散热等各种途径所放出的热量,解：,认为汽车作恒速运动，其外观能量变化可不予考虑；汽车主要由金属构件组成，可认为运行中其热力学能不变,由热力学第一定律，汽车的能量平衡应为汽油所发出热量与汽车输出功率及各种散热损失之间的平衡,取汽车为系统,0,2020/9/8,23,例2-6（习题2-5）夏日为避免阳光直射，密闭门窗，用电扇取凉，电扇功率为60W。假定房间内初温为28、压力为0.1MPa，太阳照射传入的热量为0.1 kW，通过墙壁向外散热1800 kJ/h。室内有3人，每人每小时向环境散发的热量为418.

13、7 kJ。试求面积为15 m2、高度为3.0m的室内每小时温度的升高值。已知空气的比热力学能与温度的关系为u = 0.72|T |K kJ/kg,解：,电扇对室内空气作搅拌功：W = 60 W = 216 kJ/h (),太阳照射传入的热量：Q1 = 0.1 kW = 360kJ/h (+),取室内空气为系统,人体向空气散发的热量：Q2 = 3418.7kJ/h = 1256.1 kJ/h (+),通过墙壁向外散热Q3 = 1800 kJ/h (),室内空气的容积：V = 15 3 = 45 m3,室内空气的质量,2020/9/8,24,室内空气每小时所获得的热量,由热力学第一定律,室内空气每

14、小时的比热力学能增量,室内空气每小时的温升,2020/9/8,25,Pin,Ain,min,即相应于该微元流体的推进功为PindVin,in,in,系统,外界, 推动功,流体在流道中流动时，上、下游流体间有推动功作用,以假想截面将上、下游流体分开,考察即将流入系统的微元流体min,若在进口截面前的流道中该微元流体占据微小长度d,进口截面上系统的压力为Pin,设进口截面面积为Ain,微元流体进入系统时需克服的阻力为AinPin,式中Aind为微元流体的体积dVin,外界需对系统作推进功AinPind,推进功,d,2.4 稳态稳流能量方程,2020/9/8,26,1kg流体流出系统时系统对外界相应

15、需作推出功Poutvout,对于进入系统的1 kg流体，推进功为Pinvin,推动功取决于进、出口的状态,推动功推进功、推出功,流动功推出功与推进功之差,注意：推动功的表达式是Pv，,不是Pdv,外界作推动功过程中流体的状态并没有变化,推动功是由于工质流进、流出系统而引起系统与外界间的一种机械功作用，是因工质流动造成的一种能量迁移。,工质本身不拥有推动功,2020/9/8,27, 伴随流体流动的能量迁移,流体流动时上下游间会以推动功方式交换能量，此外流体自身拥有的能量当然会伴随一起迁移,CV,out,in,in,out,zin,zout,(c,u,v,P)in,(c,u,v,P)out,进口截

16、面上流体的状态为(c,P,v,u)in,进口的高度为zin,设有任意控制容积,出口截面上流体的状态为(c,P,v,u)out,出口的高度为zout,伴随流动的能量迁移 =推动功+流体拥有的能量,伴随流动的能量迁移,2020/9/8,28,外界对系统作推进功 (Pv)in,流动动能,重力位能,热力学能,uin,1kg流体流入系统时：,因此，伴随1kg流体入流,自外界迁入系统,CV,out,in,in,out,zin,zout,(c,u,v,P)in,(c,u,v,P)out,伴随流动的能量迁移,自身拥有能量,必相应有能量：,2020/9/8,29,同理,1kg流体离开系统时：,系统对外界作推出功

17、 (Pv)out,自身拥有能量,流动动能,重力位能,热力学能,uout,因此，伴随1kg流体出流,从系统内迁出,必有相应能量：,2020/9/8,30,伴随min kg流体流入,伴随mout kg流体流出, 热力学状态参数焓（enthalpy）,焓的定义,h u + Pv J/kg,H U + PV J,比焓,迁入系统的能量：,迁出系统的能量：,2020/9/8,31,焓的物理意义,焓是热力学广延参数,焓作为一个热力学状态参数，对所有系统都存在，并非仅存在于流动系统,对于控制容积，焓(u+Pv)代表着伴随工质流动而迁移的与工质热力状态直接有关的那一部分能量,对于控制质量，焓(u+Pv)只是一个

18、数，不代表能量，更不是工质拥有的能量,2020/9/8,32,CV,out,in,in,out,zin,zout,(c,u,v,P)in,(c,u,v,P)out,Wshaft,Q,对于只有一股入流和一股出流的一个控制容积,设d时间里,流出mout流体；,从外界吸热Q；,对外界作轴功Wshaft；,系统能量增加dECV,dECV,流入min流体；, 稳态稳流系统的能量方程,一般情况下开口系统与外界的质量交换和能量交换随时间不断地变化的，系统的热力学状态和流体的流动状况每一瞬间都不相同，属于瞬变流动的情况,正常运转下的热工设备情况则较为简单稳态稳流,min,mout,2020/9/8,33, 稳态稳流(steady state-steady flow),系统中（含进、出口截面）各点的热力学状态及流动情况（流速、流向）不随时间变化时，称为稳态稳。,热工设备在稳定工况下运行时；,当提及设备工作情况每小时或每分钟如何如何时,以下属于稳态稳流的情况：,稳态稳流系统中各点的密度、能量不随时间变化,不随时间变化,系统的能量贮存与质量贮