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=热力系

2、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 ECV,=,考虑到稳流特征：E

3、CV=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）绝热滞止,对于气体工质，忽略位能,绝热滞止,滞止（

4、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。

5、,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，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

6、效性,T1 失去Q1 Q2T2 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,

7、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。,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

8、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

9、,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；,(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。

10、,（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：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

11、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“”,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

12、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，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wne

13、t,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,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。

14、,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,

15、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

16、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,