工程热力学初步学习

1本章目的：学习热力学基本原理和方法。本章要求：1.正确理解并熟练应用流动过程热力学第一定律的数学表达式2.正确理解并熟练掌握热力学第二定律的数学表达式，了解热功转换的方向和限度；3.掌握熵变的计算，并运用熵增原理判断实际过程进行的方向和限度。第2章热力学基本定律2用热力学方法分析和解决工程实际问题的理论基础是热力学第一定律热力学第二定律。在“物理化学”课程中我们已经学习过热力学两大定律，利用这两大定律可以计算过程的热和功，以及判断过程的方向和限度。第2章热力学基本定律3但《物理化学》中着重介绍两大定律在封闭系统中的应用，而在实际工程应用中大量遇到的是敞开体系，这类体系中进行的是流动过程，因此在工程热力学课程中进一步讨论两大定律对流动过程的应用。第2章热力学基本定律42.1热力学第一定律的实质2.2能量的传递形式2.3封闭系统的能量方程2.4敞开系统的能量方程2.5稳定流动能量方程2.6热力学第二定律的实质2.7卡诺循环2.8多热源的可逆循环2.9熵与克劳修斯不等式2.10孤立系统熵增原理第2章热力学基本定律5自然界的物质是千变万化的，但就其数量来说是不变的—质量守恒；自然界中能量具有多种形式，它们既不能创造，也不能被消灭，只能从一种形式转变为另一种形式，且在转化的过程中总能量保持不变—能量守恒。热力学第一定律的实质就是明确表达了能量守恒与转化的规律。2.1热力学第一定律的实质6能量守恒定律用数学式来表示就是Δ(系统的能量)+Δ(环境的能量)=0或Δ(系统的能量)=-Δ(环境的能量)对任一热力系统，热力学第一定律可表示为进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能量的增量2.1热力学第一定律的实质72.2能量的传递形式能量定义为做功的容量。自然界中的一切物质都具有能量，能量的形式多种多样，且相互之间可以进行转化。在能量转化的过程中，能量传递的形式有三种：•做功•传热•储存能--由进入或离开系统的物质带入或带出的其本身所具有的能量8功:在热力过程中，由于存在着除温度以外的其它位的梯度(如压力差)，在系统和环境间传递着的能称为功。或者说系统与外界相互作用而传递的能量，若其全部效果可表现为使外界物体改变宏观运动状态，则这种传递的能量称为功。在热力学中因做功的方式不同，有各种形式的功，如机械功、电功、化学功、表面功、磁功等。热力学中规定，系统对外做功取为正值，外界对系统做功取为负值。2.2能量的传递形式9热:系统与外界之间仅仅由于温度不同而传递的能量称为热量。当热加到某体系统以后，其贮存的不是热，而是增加了该系统的内能。有人形象化地把热比作雨，而把内能比作池中的水，当系统吸热而变为其内能时，犹如雨下到池中变成水一样。热力学中规定，系统吸热为正，系统放热为负。2.2能量的传递形式10功与热的联系宏观上，功和热是能量的两种传递形式，是在状态变化的过程中体现出来的，因此它们不是系统的能量，而是过程的函数，为了与状态函数区别开来。微分量用δW和δQ表示，而积分量用W和Q表示。2.2能量的传递形式11功与热的区别应当注意，热和功虽然是能量传递的形式，但它们之间存在着根本的区别。当外界对系统或系统对外界作功时，系统和外界物体发生宏观的相对位移；而系统与外界进行热交换时，二者之间没有相对的宏观位移，热交换是由于系统和外界之间存在的温度差而产生的，此种形式的能量传递是通过微观分子碰撞或热辐射完成的。因此，尽管热量也是能量传递的宏观形式，但它与物质的微观运动有密切的联系。2.2能量的传递形式122.2能量的传递形式储存能:是物质本身具有的能量。储存能分为外部储存能和内部储存能两类。即系统的总能量为•外部储存能：是与系统整体宏观运动有关的能量，它分为动能和位能两种。•内部储存能：储存于系统内部的能量，即内能，它与物质的分子结构及微观运动形式有关，包括物理内能、化学内能和核能。内能代表着微观水平的能的形式，没有绝对值，而只能计算出它的变化。UEEEpkueeepk132.2能量的传递形式为了便于下面能量平衡方程的讨论，我们简单回顾一下有关系统的概念功封闭系统（限定质量系统）与环境仅有能量交换，而无质量交换，系统内部是固定的。敞开系统（限定容积体系）热与环境既有能量交换也有质量功交换。由于敞开系统与环境有物流体质交换，因此，体系内部的物质流体是不断更新的，敞开体系实际是以一定空间范围为研究对象的。热14《物理化学》中已经讨论了封闭系统的能量平衡方程，形式为对单位质量流体式中w为体积膨胀功，对于可逆过程2.3封闭系统的能量方程13)-(2WQU21vvRpdvw15)-(2wqu15作业：P39习题4答案：4.W=-46.5kJ/s,Wt=-75.25kJ/s,N=-75.25kW2.3封闭系统的能量方程tttwpvuwqhwpvwwuq)()(:或提示162.4敞开系统的能量方程112dm221dx1dm11,vpQsW1Z2Z22,vp敞开体系流程图基准面换热器透平机172.4.1物料平衡方程􀂄􀂄进入系统的量-离开系统的量=系统积累的量可得到体系物料平衡的微分式体系dmdmdm212.4敞开系统的能量方程182.4.2能量平衡方程􀂄能量的分析储存能：热量：功：1.推动功,即流动功，是推动工质进行宏观位移所做的功，只有在流动过程中才能体现。2.轴功，单位流体通过机器时所作的功2.4敞开系统的能量方程gzcue22QpvAvApwf则单位质量流体距离力功sW19能量平衡方程：在时间内进入系统的能量=微元体带入的能量+环境对微元体所作的流动功+环境传入的热量=离开系统的能量=微元体带出的能量+流体对环境所作的流动功+体系对环境所作的轴功=系统储存能量的增量=Qdmvpdme111112.4敞开系统的能量方程sWdmvpdme22222meddEd20能量平衡方程式为以h表示流体的焓值dEWdmvpdmgzcuQdmvpdmgzcus2222222211111211222.4敞开系统的能量方程pvuh21以单位时间为基准式中21)-(2221212112222EWQqgzchqgzchsmm2.4敞开系统的能量方程量流量。为进入和离开系统的质；为系统储存能的增加率为系统输出的轴功率；为系统的吸热速率；;2121ddmqddmqddEEdWWdQQmmss222.4敞开系统的能量方程在以上推导过程中没有任何条件限制，所以能量平衡方程式（2-21）不受流体属性的限制，也不受其过程的限制。在实际过程中，能量平衡方程可以进行适当简化，下面我们就具体讨论能量平衡方程的应用。232.5稳定流动能量方程2.5.1稳定流动能量方程稳流过程敞开体系中发生的过程为流动过程，如果流动过程进行时，系统内任一点工质的状态都不随时间而变，则此过程称为稳定流动过程，简称稳流过程。稳流系统应满足的条件：①进出体系物料的质量流量相等，即②系统中任一点的热力学参数都不随时间而变。③系统内没有能量的积累，即系统与环境交换的功和热也不随时间而变化。则22211121vAcvAcqqqmmm0E242.5稳定流动能量方程24)-(22212112222smWQqgzchgzch式(2-21)可简化为对单位质量流体或化工生产中大都为稳定流动体系25)-(22112212212swqzzgcchh26)-(221122122112212swqzzgccvpvpuu252.5稳定流动能量方程应用以上各式时要注意以下几点：􀂄⑴单位要一致，且用国际单位制，若用工程单位制，所得公式与此式不同；􀂄⑵式中Q和ws为代数值，即：Q以系统吸热为正，以系统输出功(系统对环境做功）为正；⑶应用条件是稳定流动系统，不受过程是否可逆或流体性质的影响。262.5.2能量方程的分析比较式(2-15)和式(2-26)，可以看出式中w可视为由热量转变来的机械能。对于非流动过程w为体积功；对于流动过程，w为流体的流动净功、动位能增量及通过热力设备输出的轴功三部分之和。2.5稳定流动能量方程28)-(2212swzgcpvw272.5稳定流动能量方程2.5.3技术功在流动过程中，可以利用的机械能成为技术功。即则稳定流动能量方程还可表示为29)-(2212stwzgcpvww31)-(2twqh28对于可逆过程而所以pvdpdvWtvdppdvpvd32)-(2vdpWt2.5稳定流动能量方程ab01234vvdppdv技术功的计算图72292.5.4稳定流动能量方程的应用与简化⑴对化工机器：如膨胀机、压缩机等则⑵对化工设备：如反应器、热交换器、传质设备、阀门、管道等则00212zgCSwqh2.5稳定流动能量方程0w0021s2zgCqh30􀂄这个式子的物理意义表现在：体系状态变化，如发生化学反应、相变化、温度变化时与环境交换的热量（反应热、相变热、显热）等于体系的焓差。这里Q是过程函数，不是状态函数，与过程的途径有关，不易计算，当时，则可由热量衡算式将热量的计算与体系的状态函数相关联，就可以解决热量计算的问题了。0SWQH2.5稳定流动能量方程310w00021s2Qzgc2.5稳定流动能量方程⑶对截流阀流体流经节流阀时，由于流速很快，使得流体来不及与环境进行热交换，同时与环境也无轴动交换，且动、位能变化可忽略不计。因此，节流膨胀过程为等焓过程，即则0h32⑷对喷嘴如喷射器，是通过改变流体截面以使体的动能与内能发生变化的一种装置。高压气体通过喷嘴后，压力下降，而c2远远增大0SW0zg0Q212222121CChCh211221222ChhChC2.5稳定流动能量方程332.5稳定流动能量方程P23例2-2已知：各过程中的位能变化忽略不计。若空气流量为100kg/s，试计算：①压缩机功率；②喷管出口流速c4；③汽轮机功率；④整套装置功率。342.5稳定流动能量方程解：①压缩机功率②喷管出口流速c4（把换热器和喷管看成一个整体）③汽轮机功率④整套装置功率352.5稳定流动能量方程P24例2-3已知：设水泵与管路是绝热的，且可忽略摩擦阻力，求水泵功率及焓变。解：①水泵功率P1,t1P2,t2△Z=40mqV=d1=d2=362.5稳定流动能量方程②焓变注意：化工原理稳定流动连续性方程只适用于液体37作业：P39习题6答案：6.(1)NC=-7000kW,(2)m燃=0.3kg/s(3)NT=11891kW,(4)N=4891kW。提示：2.5稳定流动能量方程燃烧室2,空气m5,燃气mf3,烟气mf+m)()(25300hmhmhmmHqqmQQHfff单位质量燃料燃烧热题中所给的q无意义38热力学第一定律是从能量传递或转换过程中总结出来的客观规律。凡违背热力学第一定律的过程一定不会发生，但不违背热力学第一定律的过程是否一定会自发发生呢？这个问题热力学第一定律是回答不了的，必须用热力学第二定律。热力学第一定律主要解决自然界能量守恒问题，而热力学第二定律主要解决方向和限度问题。2.6热力学第二定律的实质392.6.1基本概念􀂄自发过程：是不消耗功即可进行的过程。自然界中的许多过程，如热从高温物体传递给低温物体，气体向真空或低压膨胀，水由高处流向低处，这些过程都不需要借助外力即可进行。自然界中类似的自发过程的进行有一定的方向性。非自发过程：需要消耗功才可进行。如：炎热的夏天，水变成冰就是非自发过程，而寒冷的冬天，水变成冰就是自