高等工程热力学-第一章、热力学基本原理及定义.ppt

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1、第一章 热力学基本原理及定义,1-1 外界分析法(SAM)的热力学模型,1-2 热力学第一定律,1-3 热力学第二定律,1-1 外界分析法(SAM)的热力学模型,外因是变化的条件，内因是变化的根据，外因通过内因起作用。,外界分析法的基本思想：,1-2 热力学第一定律,实质：能量守恒及转换定律,：系统的热力学能；,：系统的能容量，,热量的能流：,功量的能流：,质量流的能流：,质量流的能容量：,质量流的能流：,有关热力学的工程问题，一般可分为：,闭口系统,开口系统,SSSF(稳定状态稳定流动)USUF（均匀状态均匀流动）,特例,（1）闭口系统：,即,若忽略宏观动、位能的变化,则,若过程可逆,则,若

2、针对一个循环,即,A:若在 时间内，,（2）开口系统,则由,有,即,单位时间内,即,则,B:SSSF,则,例1、动力机与压气机,对1kg流动工质，,0,0,（1）单以一种工质为系统（如1流体）,即工质吸收（放出）的热量，等于其焓增（减）。,则,忽略动、位能的变化，则,例2、换热器,（2）以整个换热器中的工质为系统,0,0,0,绝热,SSSF,则,而,忽略动、位能变化，则,一种流体的焓增加等于另一种流体的焓减。,即一种流体的吸收的热量等于另一种放出的热量。,0,0,对1kg流动工质,0,则,例3、喷管,例4、绝热节流,0,0,0,则,忽略动、位能变化，则,对非绝热的节流，。,注意：绝热节流前后焓

3、值相等，但不是一个定焓过程。,节流过程是不可逆过程。,对绝热节流前后，虽能量在数量上不变，但能质衰贬。,由稳定气源（）向体积为V的刚性真空容器绝热充气，直到容器内压力达到 时关闭阀门。若已知该气体的比热力学能及比焓与温度的关系分别为：ucvT，hcpT，kcp/cv，试计算充气终了时，容器内气体的温度T2及充入气体的质量m2。,解：法一，CV,则,例5、向真空容器中的绝热充气问题（p46）,又,在绝热充气过程，焓转变为热力学能，是不可逆过程，适用与任何工质。,仅适用于理想气体。,法二，CM,又,例6：绝热放气（p75）,有一个容积为V的刚性绝热容器，其中贮有m1状态为p1及T1的理想气体，k为

4、定值。阀门开启后，一部分气体排向大气，待容器中压力下降到p2时关闭阀门。试证明刚性容器绝热放气时，容器内剩余气体经历了一个可逆的绝热膨胀过程。试写出终态温度T2及排出质量me的表达式。,1-3 热力学第二定律,例：一杯热水放在桌子上，会自发地慢慢变冷。杂技中耍手帕，或热功当量实验。煤气（液化气）泄露事故。,一、热力学第二定律的实质及说法,1、热力学第一定律的局限性及热力学第二定律的实质,热力学第一定律的实质是能量转换及守恒定律。.,任何一个已经完成或正在进行的过程都遵循热力学第一定律。,是否满足热力学第一定律的过程，都能够实现？怎样实现？条件是什么？,热过程具有方向性。,自然界中的一切过程总是

5、自发地朝着一定的方向进行。,但非自发过程并不是不可能实现的。非自发过程的实现 要花费一定的代价，需要补偿过程同时进行。压气机气体的压缩；热机热能转变为机械能；制冷机热量由低向高传递。,热过程是有方向性的，过程的进行是有条件的，并有一定的限度。,热力学第一定律具有局限性。,热力学第二定律的实质-能质衰贬原理,热力学第二定律揭示了不同形式的能量，在转换成功量的能力上是有“质”的差别的；即使同一种形式的能量，其存在状态不同时，它的转换能力也是不同的。正是因为各种不同存在形式或不同存在状态的能量，在传递及转换能力上存在着“质”的差别，所以，在能量传递及转换过程中，就呈现出一定的方向、条件及限度的特征。

6、,2.热机循环和制冷循环,循环热效率:,热机循环:,制冷循环:,热泵系数：,制冷系数:,3、热力学第二定律的典型说法,A device that operates in a cycle and has no effect on the surroundings other than the conversion of heat to an equivalent amount of net positive work is impossible to construct。,克劳修斯说法Clausius Statement:It is impossible to construct a devic

7、e that operates in a cycle and produces no effect other than the transfer of heat from a lower-temperature body to a higher-temperature body.,第二类永动机是不可能制成的。,开尔文普朗克说法 Kalvin-Planck Statement:,一切自发过程都是不可逆的;一切实际过程都是不可逆的;孤立系统的熵增原理；“能质衰贬”原理.,热力学第二定律还可以概括为更一般的说法：,二、有关能“质”的基本概念,1、影响能量品位的因素 能量的存在形式。有序能无序能 周

8、围环境-定义能质高低的共同基准。“不能脱离周围环境来进行能质分析!”能量的存在状态，即系统所处的状态。,2、寂态（dead state）当系统与周围环境达到热力学平衡时，系统的状态称为寂态。此系统中的能量就完全丧失了转换的能力，其能质为零。因此，寂态可以作为度量任何系统能量品位高低的统一基准。系统的状态偏离寂态越远，系统能量的品位越高。,3.有用能及无用能 useful energy and unuseful energy 在一定的环境条件下，一定形态的能量中可以转换成可逆功的最大理论限度，称为该种形态能量中的有用能，而不可能转换成功的部分称为无用能。,若以系统能容量E为例，则有,注意：无用能

9、只是指能量的作功能力为零，并非绝对无用，在非作功场合仍有使用价值。,系统在状态1时的有用能，可以用从状态1完全可逆地变化到寂态0的理想过程中，所能作出的最大可逆功来度量。,4.有用功及无用功,系统12过程:,无用功：,有用功:,最大有用功:,（可逆过程）,问：下面哪些是过程量，哪些是状态量?,在一定的环境条件下，一定形态的能量中可以转换成有用功的最大理论限度，称为该种形态能量中的，而不能转换成有用功的部分则称为。,5.与 Exergy and Anergy,若以系统能容量E为例，则有,系统在状态1时:,7.损及熵产 exergy destroyed&entropy production,6.熵

10、与无用能 entropy and unuseful energy,熵本身并不代表能量，但熵与系统无用能中的可变部分成正比，熵值越大，则系统的无用能越大。,三、热力学第二定律的普遍表达式,热量的熵流：,功量的熵流：,质量流的熵流：,1.熵方程,2.方程,思：各种能量的 值是多少？如何求？,四、能量的可用性分析,1、系统能量E的可用性,寂态时：,任何系统处于寂态时，其有用能、均为零。,任意指定状态1：,系统无用能,系统有用能,系统初终态12之间有用能变化：,系统能量的 值等于热力学能、外部动能及外部位能的总和。,任意指定1态系统能量 值：,热力学能：,2.热量的可用性,卡诺循环：,卡诺循环热效率：

11、,卡诺循环制冷系数：,卡诺循环热泵系数：,等效卡诺循环：,平均吸热温度：,平均放热温度：,（1）卡诺循环的热效率与工质的性质无关，只与高、低温热源温度有关。（2）在相同的热源条件下，卡诺循环的热效率与其它可逆 循环的热效率相等，而高于不可逆循环的热效率。（3）卡诺循环的热效率代表了两相同热源间循环热效率 的最高极限。,卡诺定理：,在两个恒温热库之间工作的所有热机，不可能具有比可逆热机更高的热效率。,推论1：,推论2：,在两个恒温热库之间工作的所有可逆热机的热效率均相等。,在相同的两个恒温热库之间工作的不可逆热机，其热效率必定小于可逆热机的热效率。,结论：,热量的 流：,热量的 值：,在一定的环

12、境条件下，系统与外界交换的热量，可以转换成有用功的最大理论限度。,系统所交换的热量，对系统自身 值变化的贡献。,例：,刚性容器中贮有1kg理想气体，经历一个等容吸热过程，判断两种情况下热量 值的正负。,面积（AB）-面积B面积A面积122110,面积D-面积(C+D)-面积C面积abbaa0,3.功量的可用性,功量的 流：,功量的 值：,在一定的环境条件下，系统与外界交换的功量，可以转换成有用功的最大理论限度。,系统所交换的功量，对系统自身 值变化的贡献。,例：,两种可逆绝热膨胀过程，判断功量 值的正负。,面积（AB）-面积B 面积A0,面积D-面积（CD）-面积C0,功库：假想的、定质量定容

13、积的绝热系统，内部可逆。,周围环境：能容量无限大的、定质量系统，内部可逆，,质量流的 值：,4.质量流能容量的可用性,质量交换对系统 值变化的贡献。,质量流的 流：,质量交换对系统火用值变化的贡献，总是由流动质量本身的的火用值及流动功的火用流两部分组成，而且它们总是同时出现，所以可以把它们的总和看作是质量流本身所固有的能质属性，定义为质量流的火用值。,当 时，,质量流的 值：,焓：,焓 函数：,则：,例：（p116，T4-6）,空气由初态p1=0.23MPa,T1=62，膨胀到终态 p2=0.14MPa,T2=22，试利用熵方程进行分析：,如果是可逆膨胀过程，则必定是吸热过程还是放热过程？如果

14、是绝热膨胀过程，则必定是可逆过程还是不可逆过程？,例4-4 有一个绝热的刚性容器，中间有隔板把容器分为两室。一室中充有空气 0.3kg，其压力为0.5MPa，温度为17。另一室为真空。如果抽去隔板后容器内压力为0.4MPa，试确定：（1）真空室的容积；（2）若环境温度为17，试求自由膨胀过程的不可逆性损失。,例4-5 逆流式换热器，热空气从540K，400kPa被冷却到360K，冷却水的入口状态为20，200kPa，质量流量m水0.5 kg/s。若空气的质量流率m空气0.5kg/s，空气管道的直径D0.1m，试计算空气进出口的流速及冷却水的出口温度。如果环境温度为20，试计算换热器的熵产及 损

15、。,例4-6 刚性容器内贮有4kg空气，现分别采用由温度为200的热库来供热的方法，以及在绝热条件下输入功量的方法，使空气的温度从50升高到100。试计算：（1）空气的热力学能变化、熵值变化及 值变化；（2）热量及功量；（3）若环境温度为25，试比较这两种方法 损的大小，并表示在T-S图上。,例4-7 假定有一台理想的透热的气轮机在稳定工况下工作，其进出口截面上空气的压力分别为0.3MPa及0.1MPa，如果周围环境的状态为0.1MPa，298K，试对每kg空气流过气轮机的工作情况进行热力学分析。,例4-9：,孔板节流装置在稳定工况下工作。若已知，试计算每千摩尔理想气体在节流过程中的熵产及火用

16、损，假定环境温度为298K。,法1：,法2：,0,0,0,有一台柴油机，在稳定工况下工作时工质的最高温度为1500K，最低温度为360K。如果规定该柴油机作出500kWh功的耗油量分别为：40kg；50kg；70kg；100kg，请判断上述耗油指标能否实现，如果可以实现，则在该耗油量下柴油机的实际热效率是多少？（已知柴油的热值为42705kJ/kg。）,例：p115,T4-2,某可逆热机与三个恒温热库交换热量并输出800kJ的功量。其中热库A的温度为500K并向热机供热3000kJ，而热库B和C的温度分别为400 K与300K。试计算热机分别与热库B和C交换热量的数值和方向。,例：p116,T

17、4-5,例：证明热量从高温物体向低温物体传递的过程是不可逆的。或说：温差传热过程是不可逆的。或说：由低物体向高温物体的传热过程不能自发实现。,例：气体在压气机中经历不可逆绝热压缩过程。已知环境温度、工质的压缩前的温度及压力、压缩后的压力，及绝热效率，求实际压缩过程的熵产及火用损，并在T-S图上定性表示。,例：气体在气轮机中经历不可逆绝热膨胀过程。已知环境温度、工质膨胀前的温度及压力，膨胀后的压力，及绝热效率，求实际膨胀过程的熵产及火用损，并在T-S图上定性表示。,p117,T4-11 有一热机循环由四个过程组成：12为定熵压缩过程，温度由80升高到140；23为定压加热过程，温度升高到440；

18、34为不可逆绝热膨胀过程，温度下降至80，而熵产为0.01kJ/K；41为定温放热过程。又知，高温热库的温度为440，低温热库的温度为80。如果工质为空气，试求：(1)把该循环表示在T-s图上,并求出吸热量、放热量、循环净功及循环热效率；(2)总熵产及火用损；（环境温度27）(3)循环中系统熵的变化及克劳修斯积分值；(4)若用热库温度，则克劳修斯积分值又为多少；(5)试用外界分析法的熵方程，说明上述两种克劳修斯积分值的物理意义。,火用损失的大小反映了热力过程的不可逆程度或能量转换的完善程度。过程的火用损失越大，说明过程偏离可逆过程的程度越大，过程的完善程度就越差。仅根据火用损失的绝对值，无法对

19、热力过程或能量转换装置的热力学完善程度进行比较和评价。,火用效率是基于热力学第二定律而提出的一项用来衡量热力过程、能量转换装置或热力系统的热力学完善程度的指标，它比热效率更能深刻地揭示能量转换、利用和损耗的实质。,（书上无）,效率,需要注意的是，因能量转换装置种类的不同，不同种类的能量转换装置火用效率的具体表达式也不相同。即使同一种能量转换装置，由于可能需要从不同的角度去分析和讨论问题，致使人们对“收益”和“投入”有着不同的理解，也会使得其火用效率的具体表达式不同。,火用效率：系统或设备的收益火用和投入火用之比。,在0与1之间。,Homework,4-13,P116-117,4-3 有质量相同的两个同种物体，温度各为TA及TB。现以该两物体作为高温热库及低温热库，一卡诺热机在它们之间工作而产生功。因这两个物体的热力学能都是有限的，在热交换过程中温度会发生变化。假定物体的比热是常数，试证明两物体的终温及热机输出的功量分别为：,4-7（一）即4-8（二）,补充：可认为内部可逆,如果采取不同的加热方式(如图习题4-13所示)，,之后补充：且热源放出的热量全部被系统吸收,讨论：如何利用热力学第二定律判断过程的方向与限度？,