第六章-热力学基本定律

流体力学建筑与环境工程系第六章热力学基本定律基本要求——–掌握热力学中的两个重要定律：热一律和热二律。同时学会运用两个基本定律分析热力学问题。教学重点——–1、热力过程中能量转换的规律，针对封闭热力系、稳定流动开口热力系会运用热力学第一定律分析计算能量转换问题。–2、热力学第二定律及其作用主要内容§6.1热力系统储存能§6.2热力系与外界传递的能量§6.3热力学第一定律§6.4理想气体的热力过程§6.5热力学第二定律§6.6卡诺循环和卡诺定理§6.7熵与熵增原理§6.1热力系统储存能基本要求——–掌握能量、热力系统储存能、热力学能、热量和功量的概念，理解热量和功量是过程量而非状态参数。一、热力学能引导——–能量是物质运动的量度，运动有各种不同的形式，相应的就有各种不同的能量。具体可以分为：储存能迁移能一、热力学能热力系统储存能内部储存能外部储存能储存于热力系统的能量称作热力系统储存能。宏观动能重力位能热力学能一、热力学能热力系储存能储存于系统内部的能量称为热力学能，与系统内工质粒子的微观运动和粒子的空间位置有关，是下列各种能量的总和——–分子热运动形成的内动能，是温度的函数。–分子间相互作用形成的内位能，是比体积的函数。–维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子能及电磁场作用下的电磁能等。热力学能是状态参数。表示：U,单位为J或kJ热力学能的说明•单位质量工质的热力学能称为比热力学能。符号：u；单位：J/kg或kJ/kg。•气体工质的比热力学能可表示为(,)ufTv•在确定的热力状态下，热力系内工质具有确定的热力学能。在实际分析和计算中，通常只需计算热力过程中工质热力学能的变化量。因此可任意选取计算热力学能的基本状态，如取0℃或0K时气体的热力学能为零。pEmgz二、外部储存能2kf12Emc热力系储存能需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量，称为外部储存能，包括——–1.、宏观动能：Ek，单位为J或kJ–2、重力位能：Ep，单位为J或kJ热力系总储存能：E，单位为J或kJkpEUEE比储存能：e，单位为J/kg或kJ/kg2kpf12eueeucgz三、热力系储存能2fk21mcE三、热力系储存能热力系储存能E内动能-温度uf（T，v）内能U、u(热力学能)内位能-比体积重力位能EpEpmgz外储存能宏观动能Ek∴EU+Ek+Ep或eu+ek+ep§6.2热力系与外界传递的能量引导——–能量是状态参数，但能量在传递和转换时，则以做功或传热的方式表现出来。–功量和热量都是系统与外界所传递的能量，与传递时的具体过程有关。–功量和热量是与过程特征有关的过程量，称为迁移能。一、热量1.热量——热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量称为热量。热量是在热传递中物体能量改变的量度,为过程量。热量:Q,单位为J或kJ。单位质量工质与外界交换的热量用q表示,J/kg或kJ/kg。微元过程中热力系与外界交换的微小热量用Q或q表示。热量正负规定:q0热力系吸热q0热力系放热2、熵有温差便有热量的传递,可用熵的变化量作为热力系与外界间有无热量传递以及热量传递方向的标志。熵:S,单位为J/K或kJ/K。单位质量工质所具有的熵称为比熵,用s表示,单位为J/（kgK)或kJ/（kgK）。热量•用熵计算热量sTqd21对微元可逆过程:qTds或QTdS根据熵的变化判断一个可逆过程中系统与外界之间热量交换的方向：系统吸热；d0s0q，，系统放热。d0s0q，，系统绝热，定熵过程。d0s0q，，对可逆热力过程1-2:STQd21热量或3.温熵图(T-s图)在可逆过程中单位质量工质与外界交换的热量可以用T-s图（温熵图）上过程曲线下的面积12s2s11来表示。温熵图也称示热图。热量图T-s图二、功量在力差作用下,热力系与外界发生的能量交换就是功量。功量亦为过程量。有各种形式的功,如电功、磁功、膨胀功、轴功等。工程热力学主要研究两种功量形式:体积变化功轴功1、体积变化功由于热力系体积发生变化（增大或缩小）而通过边界向外界传递的机械功称为体积变化功（膨胀功或压缩功）。体积变化功:W,单位为J或kJ。1kg工质传递的体积变化功用符号w表示，单位为J/kg或kJ/kg。正负规定:功量dv0,w0,热力系对外作膨胀功dv0,w0,热力系对外作压缩功•体积变化功的计算如图所示,1kg的气体;可逆膨胀过程;p，A，dx对于微元可逆过程:对于可逆过程1～2：体积变化功pdvpAdxw2121pdvww∴对于mkg工质：21pdVmwW图2-2体积变化功•示功图（p-v图）∴p-v图也称示功图。w的大小可以p-v图上的过程曲线下面的面积来表示。∴功量也是一个过程量。21wpdv体积变化功2、轴功热力系通过机械轴与外界交换的功量。轴功:Ws,单位为J或kJ。1kg工质传递的轴功用符号ws表示，单位为J/kg或kJ/kg。正负规定:功量ws0,热力系向外输出轴功ws0,外界向热力系输入轴功轴功的特点刚性绝热封闭热力系不可以任意地交换轴功，即:外界功源向其输入轴功将转换成热量而增加热力系的热力学能。刚性绝热封闭热力系不可能向外界输出轴功轴功轴功的特点开口热力系与外界可以任意地交换轴功，即:热力系可向外输出轴功,如燃气轮机、蒸汽轮机等热力系可接受输入的轴功,如风机、压缩机三、随工质流动传递的能量开口热力系在运行时，存在工质的流入、流出，它们在经过边界时携带有一部分能量同时流过边界，这类能量包括两部分:流动工质本身的储存能E流动功和推动功WfmgzmcUE2f21如图所示，已知dm，p，v，A对dm工质:WfpAdxpdVpvdm对1kg工质:∴1kg工质流入和流出控制体的净流动功为wfp2v2p1v1∴流动功是一种特殊的功，其数值取决于控制体进、出口界面上工质的热力状态。pvmWwdff流动功流动功开口系因工质流动而传递的功量称为推动功。开口系统在出口处付出的推动功与入口处获得的推动功之差成称为流动功。流动功是为推动工质通过控制体界面而传递的机械功，它是维持工质正常流动所必须传递的能量。流动功:Wf,单位为J或kJ1kg工质所作流动功用wf表示，单位为J/kg或kJ/kg。推动功的表达式推动功（流动功、推进功）pApVdxW推=pAdx=pVw推=pv注意：不是pdvv没有变化对推动功的说明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、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界做出，流动工质所携带的能量可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统时所携带和所传递的一种能量流动工质传递的总能量:流动工质本身的储存能E流动功(推动功)Wf即:或pVmgzmcU2f21pvgzcu2f21四、焓及其物理意义令HUpV——焓(单位:J或kJ)或hupv——比焓(单位:J/kg或kJ/kg)焓也是状态参数,与工质是否流动无关。对开口热力系、流动工质，焓表示工质在流动过程中携带的由其热力状态决定的那部分能量；对封闭热力系，焓表示由热力学能、压力和比体积组成的一个复合状态参数。引入状态参数焓后,流动工质传递的总能量为:或mgzmcH2f21gzch2f21§6.4热力学第一定律理解热力学第一定律的实质能量守恒定律。掌握封闭热力系的能量方程，能熟练运用能量方程对封闭热力系进行能量交换的分析和计算。掌握开口热力系的稳定流动能量方程，能熟练运用稳定流动能量方程对简单的工程问题进行能量交换的分析和计算。学习要求§6.4热力学第一定律一、热力学第一定律的实质热力学第一定律实质就是热力过程中的能量守恒定律。可表述为:热能和机械能在传递和转换时,能量的总量必定守恒。第一类永动机是不存在的。对一切热力系统和热力过程,有:进入系统的能量－离开系统的能量=系统储存能量的变化什么是第一类永动机？与热力学第一定律的关系？请查阅二、热力学第一定律的数学表达式（一）闭口系的能量方程Q=△U+W热力系获得热量=增加的热力学能+膨胀做功对微元过程：QdUW或qduw对于可逆过程（准平衡过程）:qdupdv或quvpd21WQ适用条件：1）任何工质2)任何过程内能及闭口系热一律表达式定义dU=Q-W内能U状态函数Q=dU+WQ=U+W闭口系热一律表达式！！！两种特例绝功系Q=dU绝热系W=-dU内能U的物理意义dU=Q-WWQdU代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。U代表储存于系统内部的能量内储存能（内能、热力学能）例6-1对于12kg的气体在封闭热力系中吸热膨胀，吸收的热量为140kJ，对外作了95kJ的膨胀功。问该过程中气体的热力学能是增加还是减少？每千克气体热力学能变化多少？解：根据公式（2-8）得UQW1409545（kJ）由于U45kJ＞0，故气体的热力学能增加。每千克气体热力学能的增加量为75.31245mUu（kJ/kg）例6-2对定量的气体提供热量100kJ，使其由状态1沿A途径变化至状态2（图2-6），同时对外做功60kJ。若外界对该气体做功40kJ，迫使它从状态2沿B途径返回至状态1，问返回过程中工质吸热还是放热？其量为多少？又若返回时不沿B途径而沿C途径，此时压缩气体的功为50kJ，问C过程中是否吸收热量？（二）开口热力系稳定流动能量方程1.稳定流动——在开口热力系中，工质的流动状况不随时间而改变，即流道中任意截面上工质的状态参数不随时间改变.特征:–单位时间内热力系与外界传递的热量和功量不随时间改变。–各流通截面工质的质量流量相等、且不随时间而改变。加热器/冷凝器/蒸发器/压缩机/锅炉/汽轮机2.开口热力系的稳定流动能量方程稳定流动：12mmm质量m1流速cf1比热力学能u1标高z1质量m2流速cf2比热力学能u2标高z2进口出口2、开口系稳定流动能量方程1kg工质进入热力系带进的能量121f1121gzcue，推动功p1v11kg工质流出热力系带出的能量222f2221gzcue，推动功p2v2又假定1kg工质流经热力系时从外界吸入的热量为q，通过热力系对外界输出的轴功为ws根据热力学第一定律,有:∴对微元热力过程:上述各式适用于开口热力系稳定流动的各种热力过程。02121s22222f211121f1wvpgzcuqvpgzcus1221f22f1221wzzgcchhq2fs1ddd2qhcgzw开口系稳定流动能量方程2fs12hcgzw3、技术功wt——热力过程中可被直接利用来做功的动能差、位能差及轴功三项之和称为技术功,用wt表示。对微元热力过程s2ft21wzgcws2ftdd21wzgcw技术功动能工程技术上可以直接利用轴功机械能2f12sQHmcmgzW2f12sqhcgzw位能tWtwtQmhWtqhwtqhw∴wtqh（uw）（up2v2p1v1）即wt=w（p2v2p1v1）技术功•表明:工质稳定流经热力设备时所作的技术功等于体积变化功减去净流动功。（适用于一般过程）•同理可得,对微元过程:tdqhw2f12sqhcgzw技术功对于稳定流动的可逆过程1-2上式中，v恒为正值，负号表示技术功的正负与dp相反，即：wt＞0，过程中压力降低，对外做功；wt＜0，工质的压力增加，外界对工质做功。21