工程热力学课件第2章热力学基本定律(热一律).ppt

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1、第二章 热力学基本定律,本章内容、要求：,掌握,内容,2-1 热力学第一定律的实质,2.1.1 背景,18th初，工业革命，热效率只有1%,1842年，Mayer阐述能量守恒和转化定律，未引起重视,1840-1849年，Joule用多种实验证明热一律，得到公认,1909年，C.Caratheodory最后完善热一律：公理化,17-18th，热质学为主。但无法解释如冰摩擦融化等热现象,推动对规律的研究,第一类永动机:,不消耗能量而能对外连续作功的机器,亨内考的“魔轮”(13世纪),达芬奇的“永动机”(15世纪),斯特尔的水力永动机(16世纪),浮力永动机,梁星人“宇宙引力”发动机,梁星人：祖籍广

2、东梅县，出生于马来西亚，留学美国，通晓8 种语言，获美国核物理哲学博士及经济学博士学位，现为新加坡华人。因为拒绝将发明创造的空前绝后的最尖端的绝密技术献给某国，遭追杀，九死一生逃出该国！,2004年国内十大科技骗局之六,获宇宙能永动发电机、宇宙引力能加速电动机车辆等国家专利 22项（申请）,香港国际无形资产评估事务所评估：无形资产为1265亿美元,海南星人永动机发电厂有限公司：占地100亩，投资1亿元，300万kw宇宙引力能发电示范厂北京世华永动源科技有限公司南街村王宏斌投入2000多万。,1982-1997：水变油,希望：,尊重客观规律，不要误入歧途。,2.1.2 热一律的实质,1、实质和表

3、述实质是能量守恒和转换定律在热现象中的应用：热能与机械能可以相互转换，且转换前后的总量保持不变。,进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能的变化量,2、表达式,2-2 能量的传递形式,系统与外界交换的能量，主要有三种形式：（1）功：W（2）热量：Q（3）随物质带进（出）的物质本身的能量,热一律：进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能的变化,系统内物质本身的能量,一、系统的储存能,储存能：系统内物质本身具有的能量。包括：,外部储存能,(系统整体宏观运动具有的能量),内部储存能,(储存于系统内部,取决于物质结构和微粒运动的能量-内能,U),宏观动能：E k=mc2/2,宏观势能：E p=mg

4、z,物理内能,化学内能（化学反应时）,内动能(分子平、转、振动)=f(T),内位能（分子间引力）=f(T,v),核能（核裂、聚变时）,工程热力学不涉及,系统的总储存能：E=E k+E p+U,(热能),内能的导出,（1）闭口系循环能量方程,储存能的变化量：dE,热一律：进入的能量 离开的能量=储存能的变化量,dE,对于任意闭口系：,吸热：Q,对外做功：W,循环后：dE=0,系统,对于循环1a2c1：,对于循环1b2c1：,状态参数,（2）内能的导出,Why?,定义：dU=Q-W,U：内能，状态函数,二、系统与外界传递的能量,热力学中对功的定义：热力系统通过边界而传递的能量,且其全部效果可表现为

5、举起重物。,容积变化功：因系统容积变化与外界交换的功（包括：膨胀功和压缩功）。是热力学最重要的一种功:膨胀:实现热能机械能；机械能热能虽可通过摩擦等方法实现，但只有压缩是可逆的。,其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等,力学中的功：WF x,1、功,（1）做功W（2）传热Q（3）随物质流动而传递的能量,(1)准静态过程的容积变化功,以汽缸中m kg工质为系统:活塞向右移动微元距离dx，dx很小，近似认为 p 不变，可视为准静态过程.,系统对外界作的膨胀功为：,=p A dx,m kg：,W=pdV,w=pdv,1 kg：,(),=pdV,适用范围：准静态过程、可逆过程,W=Fdx,（2）讨论

6、,1）w 的表达式全为系统内部参数，无需知道外力。,3）膨胀功中的有用功WR：,4)示功图-p-v图,p,V,.,1,2,.,p,p0,2,1,W是过程量，与路径有关,微元过程：w=pdV=微元面积,1-2过程：,=投影面积,(3)容积变化功的计算,1）对于准静态、可逆过程，可用上述公式计算。但还需要已知p-v函数关系、初终状态。,2）对于非平衡过程，不能用上述公式计算。但若外力R已知，则可利用外界条件计算：系统膨胀功=-外界反力对系统所做的功,例1,空气从状态1(p1，V1)膨胀到状态2(p2，V2)，（1）p-V图上过程线为直线；（2）可逆定温过程。求w,例2,大气压pb=0.1MPa，活

7、塞面积A=100cm2。初始状态下弹簧与活塞接触但不受力，弹簧刚度150N/cm。拔掉销钉后，活塞无摩擦上升20cm。不计活塞重量，求w,pb=0.1 MPa,p1=0.6 MPa,活塞,销钉,2、热量,1、定义：系统与外界因温差而传递的能量,2、符号：Q（q）,3、单位：J（J/kg）,4、正、负号规定：吸热为正，放热为负,Q与W类比,能量传递方式 W Q,性质,推动力,标志参数,公式,公式适用条件,图示,P-V(示功图),T-s（示热图）,过程量,过程量,T,p,dS,ds,dV,dv,准静态或可逆,可逆,3、随物质传递的能量,1流动工质本身携带的能量：u+c2/2+g z,2推动功(或流

8、动功),微元体dm 的运动，需上游工质的推动以克服系统内工质的反力：外界对系统做了功。,Wf=p A dx=pdV=pvdm 1kg工质：wf=pv,设微元体在推力(p A)作用下移动了dx,则：,推动功：推动工质进行宏观位移所做的功。=p v,推动功的说明,1、与宏观流动有关，流动停止，推动功不存在。,2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化,3、wf pv 与所处状态有关，是状态量。,4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而是由外界做出、流动工质所携带的能量,5、推动功是由泵、风机等提供的。,2.3 闭口系统能量方程,而储存能变化量为:dU,Q=dU+WQ=U+W,闭口系能量

9、方程（热一律数学表达式）,热一律：进入 离开=储存能变化量,则：Q W=dU，即：,W,Q,q=du+wq=u+w,单位工质：,适用条件：任何工质、任何过程,问题：方程中的微元符号有d、之分，why?,dU,准静态和可逆闭口系能量方程,（1）准静态过程：,w=pdv,（2）可逆过程：,q=Tds,q=du+pdv,q=u+pdv,热一律解析式之一,Tds=du+pdv,Tds=u+pdv,热力学恒等式,例3 热一律应用,1-2：定压过程，对外膨胀做功50 kJ、放热20 kJ；2-3：定容过程，吸热100 kJ；1-3：不可逆过程，对外做膨胀功50 kJ。求：过程1-3系统与外界交换的热量。,

10、门窗紧闭房间用电冰箱降温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程：,T,门窗紧闭房间用空调降温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程：,T,2.4 开口系统能量方程,Ws,p1v1,p2v2,dE,热一律：进 出=d E,进、出有哪些能量？,（1）热量：Q,（2）轴功：Ws,（3）流体携带的能量:,u,g z,全了吗？,还有推动功：p v,No！,设：d时间内,2.4.2 开口系统能量方程一般表达式,Q+dm1(u+pv+c2/2+gz)1-m2(u+pv+c2/2+gz)2-Ws=dE,令：,令：h=u+pv,2.4.3 焓（Enthalpy),定义：h=u+pv kJ/kg H=U+

11、pV kJ,1、焓是状态量,2、对流动工质，焓代表能量(内能+推动功)对静止工质，焓不代表能量，理解为状态参数组合,3、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决 于热力状态的能量。,4、工程实际多为开口系，u 和pv同时出现，h 比u应用更广。,2.5 稳定流动能量方程,稳定流动条件：,稳定流动（Steady Flow）：系统内任意点处参数 不随时间变化。,1、,2、,3、,4、,代入开口系统能量方程一般表达式：,稳定流动能量方程,1kg工质：,微元过程：,适用条件：稳定流动任何工质,技术功,即：,稳流能量方程中，后三项为工程上可直接利用的机械能,稳流能量方程改写为：,定义为技术功：技术上可

12、资利用的功。符号：wt,能量方程等价性，几种功的关系,等价,稳流：系统状况不随时间而变，故整个流动过程可视为一定质量的工质从进口状态变化到出口状态,稳流开口系等价于一个控制质量的封闭系,w,wt,(pv),c2/2,ws,gz,做功的源泉,几种功的关系：,开,闭,4种功全在该式中,准静态下的技术功,准静态,准静态,热一律解析式之一,热一律解析式之二,移项整理:,技术功在示功图上的表示,2-6 稳定流动能量方程的化简,工程实际应用中，经常可忽略动、位能变化,例：c1=1 m/s，c2=30 m/s(c22-c12)/2=0.45 kJ/kg,z1=0 m，z2=30 m g(z2-z1)=0.3

13、 kJ/kg,稳流方程的化简,一、加热器或冷却器 heat exchanger,二、涡轮机或压气机 Turbines,compressors and pumps,特点：,特点：,稳流方程的化简,三、喷管Nozzles and Diffusers,四、绝热节流 Throttling Devices(adiabatic process),特点：,特点：,第二章问题讨论,思考题：,工质膨胀是否一定对外作功？,例外：向真空膨胀，自由膨胀,定容过程是否一定不作功？,例外：开口系，技术功,定温过程是否一定不传热？,例外：相变过程（冰融化，水汽化）,水轮机,例1 两级空气压缩机（带中间冷却）,求：（1）空气的质量流量m；（2）低压段、高压段消耗的功率N1、N2；（3）中间冷却器中冷却水带走的热量Q。,作 业1,思考题：1、2、6 题习 题：1、3 题第3题：空气可按理想气体处理，理想气体的内能是温度的单值函数。,作 业2,思考题：P38：35 题习 题：P38-39：4、5、6题,