第2章热力学第一定律和第二定律.ppt

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1、1,第二章 热力学第一定律和热力学第二定律,2.1 热力学第一定律及其解析式,2.2 稳定流动能量方程式,2.3 热力学第二定律,2.4 熵方程和孤立系统熵增原理,2.5 能量的作功能力、火用,2,2.1 热力学第一定律及其解析式,热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他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。,热力学第一定律的本质是能量守恒与转换定律。,2.1.1 热力学第一定律的表述和一般关系式,热力学第一定律,3, 热力学第一定律的解析式,加入系统的能量总和热力系统输出的能量总和

2、= 热力系总储存能的增量,E,E+dE,流入：,流出：,内部贮能的增量：dE,4,或,E,E+dE,5,闭口系，,忽略宏观动能Ek和位能Ep，,第一定律第一解析式,功的基本表达式,热,2.1.2 闭口系统能量方程,6,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。,4302661,*4303771,7,注意：区分各截面间参数可不同。,1）各截面上参数不随时间变化。,2）ECV = 0， SCV = 0， mCV = 0,2.2.1 稳定流动特征,2.2 稳定流动能量方程式,8,流入系统的能量,流出系统的能量,系统内部储能增量 E

3、CV,=,考虑到稳流特征： ECV=0 qm1= qm2= qm; 及h = u+ pv,2.2.2 稳定流动能量方程式,9,讨论：,1）改写式（B）为式（C）,热能转变 成功部分,输出轴功,流动功,机械能增量,（C）,10,2）技术功,由式（C）,技术上可资利用的功 wt,可逆过程,11,3) 热力学第一定律第二解析式,可逆,12,因绝热,据,1) 伯努利方程,流体在通道中一维稳定绝热流 动，截取的控制体积列能量方程,2.2.3 稳定流动能量方程式应用,13,如果液体静止,流体静力学方程,若流体不可压缩,进口截面流体总能量加上输入的轴功等于流出截面的总能量,0,理想流体伯努利方程,14,2）

4、 绝热滞止,对于气体工质，忽略位能,绝热滞止,滞止（总）焓,15,3）蒸汽轮机、燃气轮机,流进系统：,流出系统：,内部储能增量： 0,4) 压气机，水泵类,流入,流出,内部储能增量 0,16,流入：,流出：,内部储存能增量： 0,若忽略动能差、位能差,5）换热器（锅炉、加热器等）,A4312661,A4332771,A4131333,17,2.3 热力学第二定律,2.3.1 自发过程的方向性,只要Q不大于Q，并不违反热力学第一定律,Q,Q,?,18,重物下落，水温升高; 水温下降，重物升高？ 只要重物位能增加小于等于水降内能减少，不违反热力学第一定律。,电流通过电阻，产生热量,对电阻加热，电阻

5、内产生反向 电流？ 只要电能不大于加入热能，不 违反热力学第一定律。,19,归纳：1）自发过程有方向性； 2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是 要有附加条件； 3）并非所有不违反热力学第一定律的过程均可进行。,能量转换方向性的 实质是能质有差异,无限可转换能机械能，电能,部分可转换能热能,不可转换能环境介质的热力学能,20,能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件-补偿过程，其总效果是总体能质降低。,代价,代价,21,2.3.2 热力学第二定律的两种典型表述,1.克劳修斯叙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。 2.开尔文-普朗克叙述不可能制造循环热机，只从一 个热源吸热

6、，将之全部转化为功，而 不在外界留下任何影响。 3.热力学第二定律各种表述的等效性,T1 失去Q1 Q2 T2 无得失 热机净输出功Wnet= Q1 Q2,A344155,22,2.3.3 卡诺循环,1) 卡诺循环,是两个热源的可逆循环,可逆绝热压缩,可逆等温吸热,可逆绝热膨胀,可逆等温放热,1 2,2 3,3 4,4 5,2) 卡诺循环热效率,23,讨论：,2）,3）,第二类永动机不可能制成。,4）实际循环不可能实现卡诺循环，原因： a.一切过程不可逆； b.气体实施等温吸热，等温放热困难； c.气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦， 输出净功极微。,5）卡诺循环指明了一切热机提高热 效率的

7、方向。,1）,即,循环净功小于吸热量，必有放热q2。,24,3) 逆向卡诺循环,制冷系数：,Tc,T-Tc ,供暖系数：,TR,TR-T0 ,25,*4) 多热源可逆循环 1. 平均吸（放）热温度,注意：1）Tm 仅在可逆过程中有意义,2. 多热源可逆循环,2),26,定理1：在相同温度的高温热源和相同的低温热源 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。 理论意义： 1）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低T2； 2）提高热机效率的极限

8、。,A440155,2.3.4 卡诺定理,27,循环热效率归纳：,适用于一切工质，任意循环,适用于多热源可逆循环，任意工质,适用于卡诺循环，任意工质,讨论： 热效率,28,2.4 熵方程和孤立系统熵增原理,2.4.1 熵的导出,可以证明，任意可逆过程可用一组 初、终态相同的由可逆 绝热及等温过程组成的过程替代。如图，1-2可用1-a，a-b-c及c-2代替。,用一组等熵线分割任意可逆循环， 由可逆 绝热及等温过程组成的过程替 代小循环中的任意过程，考察其热效率,1）熵是状态参数的证明,29,讨论： (1)因证明中仅利用卡诺循环，故与工质性质无关； (2)因s是状态参数，故s12=s2-s1与过

9、程无关；,克劳修斯积分等式， （Tr热源温度）,s是状态参数,令,(3),令分割循环的可逆绝热线无穷大， 且任意两线间距离0,可逆,30,4. 克劳修斯积分不等式,用一组等熵线 分割任意循环,可逆小循环 不可逆小循环,可逆小循环：,可导得不可逆循环：,可逆部分+不可逆部分,可逆 “=” 不可逆“”,注意：a.Tr是热源温度； b.工质循环，故 q 的符号以工质考虑。,结合克氏等式，有,A443233,克劳修斯不等式,31,2.4.2 熵流和熵产,1.热力学第二定律的数学表达式,32,所以,可逆“=” 不可逆，不等号,热力学第二定律数学表达式,讨论 (1) 违反上述任一表达式就可导出违反第二定律

10、；,(2）热力学第二定律数学表达式给出了热过程的 方向判据；,(3),并不意味,因,33,其中,吸热 “+” 放热 “”,系统与外界 换热造成系 统熵的变化。,（热）熵流,sg熵产,不可逆 “+” 可逆 “0”,系统进行不可逆过程 造成系统熵的增加，非负。,2.熵流和熵产,34,以传热为例,若TA = TB，可逆，取A为系统,取B为系统,35,若TATB，不可逆，取A为系统,所以，单纯传热，若可逆，系统熵变等于熵流；若不可逆系统熵变大于熵流，差额部分由不可逆熵产提供。,A4221441,36,考虑系统与外界发生质量交换，系统熵变除（热）熵流、熵产外，还应有质量迁移引起的质熵流，所以熵方程应为：

11、 流入系统熵流出系统熵熵产=系统熵增,其中,流入 流出,热迁移 质迁移,造成的,热 质,熵流,2.4.3 熵方程和孤立系统熵增原理,1.熵方程及其核心,37,流入,流出,熵产,熵增,熵方程核心： 熵可随热量和质量迁移而转移；可在不可逆过程中自发产生。由于一切实际过程不可逆，所以熵在能量转移过程中自发产生（熵产），因此熵不守恒，熵产是熵方程的核心。,38,2.闭口系熵方程,闭口绝热系：,可逆“=” 不可逆“”,闭口系：,绝热稳流开系：,3.稳定流动开口系熵方程（仅考虑一股流出，一股流进）,稳流开系：,A140155,39,4.孤立系统熵增原理 由熵方程,因为是孤立系,可逆取 “=” 不可逆取“”

12、,孤立系统熵增原理： 孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，其极限一切过程均可逆时系统熵保持不变。,讨论： (1) 孤立系统熵增原理Siso=Sg 0，可作为热力学第二定律 的又一数学表达式，而且是更基本的一种表达式；,(2)孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；,40,(3) 一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判别过程进行的方向；,(4) 孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均可造成机械能损失，而任何不可逆过程均是Siso0，所以熵可反映某种物质的共同属性。例,a.,传热过程,R “=” IR “”,若不可逆，TATB,，以A为热 源,B为冷源，

13、利用热机可使一 部分热能转变成机械能，所以 孤立系熵增大意味机械能损失,41,R “=”,IR “”,不可逆使孤立系熵增大造成后果是机械能（功）减少,b.热能,机械能,热源：失q1,冷源：得q2,热机：输出wnet,孤立系熵增意味机械能损失,A340133,A440233,42,2.5 能量的作功能力、火用,系统处于与环境不平衡状态时，可利用与环境势差作功。 当系统完全处于与环境平衡状态时，就失去了作功的能力。 系统仅与环境介质发生热交换、可逆地过渡到与环境平衡 状态时作出的最大有用功称为物质系统的作功能力，又称火用。,机械能、电能全部是火用，环境介质中的热能全为火无。不同形态能量或物质，处于

14、不同状态时，包含的火用和火无比例各不相同。,任何能量E都由火用和火无两部分组成，即,2.5.1 热量的可用能热量火用,利用可逆机吸收物体自A变化到B放热量，经等熵膨胀，向环境 等温放热，再等熵压缩返回初态，所得循环净功即为热量火用。,热源传出的热量中理论上可转化为最大有用功的热量。,43,因T0基本恒定，故quns12,讨论： 1）qa是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最 高分额，称为热量火用；,2）qun是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分， 是热能的一种属性，环境条件和热源确定后不 能消除减少，称为热量火无；,44,3）与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力，但循环中排向低温热源的

15、热量未必是废热，而环境介质中的内热能全部是废热（火无）。 4）冷量（低于环境温度的物体转递的热量）的作功能力称为冷量火无。 5）qa 与热源放热过程特征有关，因此qa 从严格意义上讲不是状态参数。,*2.5.2 闭口系作功能力热力学能火用,设计系统过渡到环境态的过程：,1,a,a,可逆绝热膨胀,0,可逆等温过程,45,过程1-a,过程 a-0,过程1-a-0中系统排斥大气作功,过程1-a-0中系统作出的最大有用功，即作功能力,46,1）相对于p0，T0， wu,max是状态参数， 称之为热力学能火用，用Ex,U（ex,U）表示。,3）pp0,TT0时物系的作功能力,4）是否可设计不同的途径求最

16、大 有用功？不同途径求得的最大有用 功是否相同? 可以，但求得的最大有用功必 相同。?,如：真空系统作功能力= p0V,2）从状态1状态2，闭口系的最大有用功。,讨论：,相当于图形面积,47,*2.5.3 稳流工质的作功能力，焓火用,忽略工质宏观动能及位能的变化， 1 kg 工质流经控制容积能作出的最大有用功为,假设工质在控制容积内,1,a,可逆绝热膨胀,0,可逆等温过程,因只有环境一个热源，且换热过程可逆,过程 1-a 为可逆绝热,48,(2)从状态12，稳流工质可作出的最大有用功,(3)若考虑动能，则称之为物流火用，用Ex（ex）表示,讨论： (1)对于 p0 、T0，wu,max仅取决于状态，称之为焓火用，用Ex,H（ex,H）表示。,49,4）焓火用在T-s图上表示,50,*2.5.4 熵产与系统作功能力（火用）损失,定质量工质从状态1可逆变化到状态2，可作出最大有用功,若过程不可逆，同样从状态1变化到状态2，输出有用功,工质从状态1不可逆变化到状态2与环境介质交换的热量,不可逆性造成的作功能力损失,51,稳态流动的工质,由熵方程,因为环境是唯一热源，,过程不可逆作功能力损失是过程熵产与环境介质温度的乘积。,A440299,下一章,A4041551,