高等工程熱力學(xué) 童鈞耕 第2章基本定律和能量可用性

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第二章熱力學(xué)基本定律和能量的可用性

2§2-1

熱力學(xué)第一定律

一、熱力學(xué)第一定律一般表達(dá)式

運(yùn)動是物質(zhì)存在的形式，是物質(zhì)固有屬性。物質(zhì)的運(yùn)動形態(tài)是多樣化的，能量也有不同的形式，在一定條件下可以從一種形式轉(zhuǎn)換到另一種形式。物質(zhì)不能創(chuàng)造也不能消滅，所以能量也是不能創(chuàng)造和消滅的，在能量形式的轉(zhuǎn)換中能量的總量是守恒的。

能量轉(zhuǎn)換及守恒定律是人類長期生活和生產(chǎn)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，是自然現(xiàn)象的基本規(guī)律之一。

能量轉(zhuǎn)換及守恒定律：自然界中的一切物質(zhì)都具有能量；能量有不同形式，能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式；在轉(zhuǎn)換中，能量的數(shù)量保持不變。3

對于孤立系：能量轉(zhuǎn)換及守恒定律的普遍敘述系統(tǒng)的總能量E為物系儲存的總能量熱力學(xué)能（內(nèi)部儲存能）外部儲存能宏觀動能重力勢能由于系統(tǒng)的能量變化外界的能量變化4省略下標(biāo)sys，移項(xiàng)得——熱力學(xué)第一定律的一般表達(dá)式?；蛳到y(tǒng)和外界交換的能量：作功——傳熱——5二、閉口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式

——傳入系統(tǒng)的熱量等于系統(tǒng)儲存能的變化及系統(tǒng)與外界交換功量之和。靜止閉口系統(tǒng)中所以靜止閉口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式為簡單可壓縮系統(tǒng)，與外界只有體積功交換?？赡?第一定律第一解析式—功的基本表達(dá)式熱討論：1）對于循環(huán)2）對于定量工質(zhì)吸熱與升溫關(guān)系，還取決于W的“+”，“–”，大小。例2-1含容器熱容能量方程7§2-2開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式

一、變質(zhì)量系統(tǒng)基本方程

對于變質(zhì)量系統(tǒng)，狀態(tài)方程如質(zhì)量為m

的理想氣體，狀態(tài)方程為變質(zhì)量系統(tǒng)的理想氣體狀態(tài)方程的微分形式

同樣，在變質(zhì)量系統(tǒng)中，氣體的熱力學(xué)能及焓不僅與溫度、壓力等參數(shù)有關(guān)，而且還隨質(zhì)量m變化而變化。因此，8以質(zhì)量流率的形式來表示或如控制體的出、入口有多個(gè)進(jìn)入系統(tǒng)的微元質(zhì)量離開系統(tǒng)的微元質(zhì)量控制體積質(zhì)量守衡：進(jìn)入控制體的質(zhì)量流率離開控制體的質(zhì)量流率控制體中的質(zhì)量變化率9在變質(zhì)量系統(tǒng)中

——變質(zhì)量系統(tǒng)基本方程

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單位質(zhì)量的吉布斯函數(shù)也稱為化學(xué)勢熱力學(xué)能變化換熱膨脹功系統(tǒng)的質(zhì)量改變變質(zhì)量系統(tǒng)基本方程11二、開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式

流入系統(tǒng)的能量流出系統(tǒng)的能量–系統(tǒng)內(nèi)部儲能增量ΔECV=12通除

不計(jì)控制體宏觀位能及動能的變化熱流率軸功率進(jìn)入控制體的質(zhì)量流量離開控制體的質(zhì)量流量控制體中儲存能的變化率13——開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式單股流體進(jìn)出的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流系統(tǒng)1kg氣體的能量方程為——穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程

寫成如下形式推廣到多股氣流的情況，則穩(wěn)流能量方程-心臟14三、絕熱節(jié)流1.定義——由于局部阻力，使流體壓力降低的現(xiàn)象。節(jié)流現(xiàn)象特點(diǎn)：

1)p2<p1；

2)強(qiáng)烈不可逆，s2>s1,I=T0sg3)h1=h2，但節(jié)流過程并非等焓過程；

4)T2可能大于等于或小于T1

理想氣體T2=T1。2.節(jié)流后的溫度變化

★焦耳-湯姆遜系數(shù)節(jié)流，取決于15

節(jié)流時(shí)狀態(tài)在致冷區(qū)則T下降，節(jié)流時(shí)狀態(tài)在致溫區(qū)則T上升或下降取決于Δp的大小當(dāng)氣體溫度T>Ti,max或T<Ti,min，節(jié)流后T上升如：常溫節(jié)流后T上升，T2>T1...實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)回曲線TimaxTiminp0致溫區(qū)致冷區(qū)h1h3h2★轉(zhuǎn)回溫度—節(jié)流后溫度不變的狀態(tài)的溫度1617只要Q'不大于Q，并不違反第一定律?§2-4過程的方向性與熱力學(xué)第二定律

熱力學(xué)第一定律指出，能量不能產(chǎn)生也不會消滅，但可以從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，其能量平衡關(guān)系式就是熱力學(xué)第一定律表達(dá)式。

熱力學(xué)第一定律只說明能量形式的變化及變化時(shí)數(shù)量關(guān)系，并未指明能量轉(zhuǎn)變的方向；也沒有提供能量轉(zhuǎn)變及傳遞的條件。18？電流通過電阻，產(chǎn)生熱量對電阻加熱，電阻內(nèi)產(chǎn)生反向電流電能不大于加入熱能，不違反第一定律。不計(jì)摩擦，抽去隔板和放下隔板不違反第一定律。?？重物下落，水溫升高;水溫下降，重物升高到原位只要重物位能增加小于等于水降內(nèi)能減少，不違反第一定律。19

熱力學(xué)第二定律概括了人類對熱力過程方向性的經(jīng)驗(yàn)，是基本的自然定律，它不能從任何其它定律推導(dǎo)出來。

熱力學(xué)第二定律存在著各種不同的表達(dá)形式，每一種說法都是根據(jù)觀察客觀事物的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。熱力學(xué)第二定律的各種表達(dá)形式都是等效的。

開爾文-普朗克說法：從一個(gè)熱源吸取熱量，而使之全部變成機(jī)械能的循環(huán)發(fā)動機(jī)是制造不出來的。

克勞修斯說法：熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體。

喀喇氏說法：“從系統(tǒng)的一個(gè)給定狀態(tài)出發(fā)，在其鄰近的區(qū)域內(nèi)必然有這樣的狀態(tài)，它們是不能從給定的狀態(tài)經(jīng)絕熱過程而達(dá)到的。”

喀喇氏說法雖抽象，但更具有普遍意義。20等效性證明

取i-j為可逆絕熱過程;i-h為絕熱過程，h-j為定容過程，構(gòu)成循環(huán)i-h-j-i。循環(huán)凈熱量但違反開爾文-普朗克說法

熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì):

表達(dá)了自然界中自發(fā)過程的方向性與不可逆性。

自發(fā)過程—可行；

自發(fā)過程的逆過程——必須有補(bǔ)償過程同時(shí)存在；

故自發(fā)過程不可逆。

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自發(fā)過程方向性：各種過程總是朝著一個(gè)方向—孤立系統(tǒng)總是從不平衡態(tài)朝平衡態(tài)方向—進(jìn)行，不能自發(fā)地反向進(jìn)行，孤立系統(tǒng)達(dá)到平衡后，一切宏觀變化停止。自發(fā)過程不可逆性—當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡態(tài)后，在無外界影響的條件下，決不會自發(fā)地變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài)。

從微觀角度看，在某一瞬間，也許會發(fā)生如能量倒轉(zhuǎn)傳遞這樣的事件。從宏觀角度看，自然界一切熱過程具有方向性與不可逆性是完全正確的客觀真理。從有限時(shí)間（宏觀很短，但微觀上足夠長的時(shí)間間隔）和具有大量粒子，占有一定的體積體系來看，由宏觀觀察所得到的熱力學(xué)第二定律的結(jié)論在指導(dǎo)工程實(shí)際中是完全正確的。

22§2-5熵方程和孤立系熵增原理

等號適用于可逆循環(huán)，不等號適用于不可逆循環(huán)?？藙谛匏共坏仁剑簾崃康姆栆怨べ|(zhì)為基準(zhǔn)。一、克勞修斯積分與熵?zé)嵩礈囟扔煽藙谛匏共坏仁娇蓪?dǎo)得狀態(tài)參數(shù)熵的定義式23▲據(jù)定義——系統(tǒng)與外界交換熱量；據(jù)理想氣體的熵變計(jì)算式▲考察自由膨脹無熱、質(zhì)交換——不可逆使系統(tǒng)熵增加。二、系統(tǒng)熵變化的原因▲熵是廣延性質(zhì)的參數(shù)——系統(tǒng)與外界交換質(zhì)量；p2,v224三、閉口系熵方程或等號適用于可逆過程不等號適用于不可逆過程（熱）熵流—吸熱為正，放熱為負(fù)熵產(chǎn)—不可逆時(shí)永遠(yuǎn)為正，可逆時(shí)為零熵流和熵產(chǎn)25閉口系（定質(zhì)量系統(tǒng)）的熵方程

討論：1、系統(tǒng)的熵增（或熵變）只取決于系統(tǒng)的初、終態(tài)；但熵流和熵產(chǎn)不只取決于系統(tǒng)的初、終態(tài)，與過程有關(guān)，而且熵產(chǎn)永遠(yuǎn)不小于零；2、對于任何可逆過程3、對于任何絕熱過程，，或4、系統(tǒng)與外界傳遞任何形式可逆功時(shí)，都不會引起系統(tǒng)熵的變化，也不會引起外界熵的變化。26三、開口系熵方程

流入控制體的熵-流出控制體的熵+控制體熵產(chǎn)

=控制體熵的變化。27穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流：

絕熱穩(wěn)定流動：例2-6.ppt例2-5.ppt28對于孤立系統(tǒng)

或——孤立系統(tǒng)熵增原理表達(dá)式，也是熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

孤立系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行的一切實(shí)際過程雖然使孤立系統(tǒng)的總能量保持不變，但使熵增加——熵增原理。討論：

1、熵增原理可作為過程方向性的表述：對于絕熱的閉口系統(tǒng)或者具有相互熱作用的復(fù)合系統(tǒng)組成的孤立系統(tǒng)，熵是絕對不會減少的。因此使孤立系統(tǒng)和閉口絕熱系熵減少的過程是不可能發(fā)生的。

四、孤立系熵增原理

2、熵增原理是個(gè)不守恒定律，只有在可逆過程中，孤立系統(tǒng)的熵才守恒。

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3、正是由于發(fā)生了不可逆過程，才使孤立系統(tǒng)的熵增大，不可逆的程度愈大，熵的增加也愈大。因此，可以用孤立系統(tǒng)的熵增來度量過程不可逆的能量耗散效應(yīng)。

4、當(dāng)孤立系統(tǒng)的熵達(dá)到最大值時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到平衡。孤立系統(tǒng)總是由不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)過渡，其熵值不斷增大，達(dá)到平衡時(shí)，一切變化停止，熵也達(dá)到最大值。例2-4.ppt管內(nèi)流動方向30用一組等熵線分割循環(huán)可逆小循環(huán)不可逆小循環(huán)可逆小循環(huán)部分：不可逆小循環(huán)部分：opvB........12..A

克勞修斯積分不等式和熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式回顧?克勞修斯積分不等式31可逆部分+不可逆部分可逆“=”不可逆“<”注意：1）Tr是熱源溫度；

2）工質(zhì)循環(huán)，故q的符號以工質(zhì)考慮。結(jié)合克氏等式，有克勞修斯不等式令分割循環(huán)的可逆絕熱線無窮大，且任意兩線間距離0，則32？?第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式33所以可逆“=”不可逆，不等號第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式討論：

①違反上述任一表達(dá)式就可導(dǎo)出違反第二定律②熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式給出了熱過程的方向判據(jù)34a)b)若熱源相同，則說明或熱源相同，熱量相同，但終態(tài)不同，經(jīng)不可逆達(dá)終態(tài)s2'>s2（可逆達(dá)終態(tài)），如：q=0?并不意味因?yàn)?5§2-6能量轉(zhuǎn)換的特性

各種不同形式的能量對人類的有用程度不同

能量的轉(zhuǎn)換過程具有方向性與不可逆性

工程應(yīng)用中，熱力學(xué)第二定律具有特殊意義。

一、能量轉(zhuǎn)換的限度

熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ南薅?/p>

或循環(huán)過程中從熱源吸取的熱量q不能全部轉(zhuǎn)換為功，其最大值為。36熱力學(xué)能轉(zhuǎn)換為有用功的限度

閉口系統(tǒng)絕熱過程，系統(tǒng)由初態(tài)1變化到終態(tài)2，熱力學(xué)能轉(zhuǎn)化為功:

初態(tài)一定時(shí)，其終態(tài)2不能隨意給出:

絕熱系統(tǒng)熱力學(xué)轉(zhuǎn)換為有用功最大值為

相反，任意數(shù)量有用功可以通過耗散全部轉(zhuǎn)換為熱力學(xué)能。

能量轉(zhuǎn)換的非對稱性——機(jī)械能和電能可以不受限制地轉(zhuǎn)換為熱力學(xué)能；但即使是可逆過程熱力學(xué)能和熱量不能全部轉(zhuǎn)換為功。37二、能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律

能量轉(zhuǎn)換程度作為準(zhǔn)則1、無限轉(zhuǎn)換能

2、有限轉(zhuǎn)換能

3、非轉(zhuǎn)換能一切形式的能量由?和火無組成，?是能量的屬性。

能量可轉(zhuǎn)換為任何其他形式能量的部分—?能量中無法轉(zhuǎn)變?yōu)榈牟糠帧馃o在給定的環(huán)境介質(zhì)下能量=?+火無，其中每一組成部分可分別為零。根據(jù)?和火無，熱力學(xué)第二定律也可表述為：（1）一切不可逆過程中，必有?轉(zhuǎn)化為火無。（2）由火無轉(zhuǎn)化為?的過程是不可能的。

（3）孤立系統(tǒng)的?減不增。

38一切過程都是不可逆的，?轉(zhuǎn)變火無是無法改變的，無限轉(zhuǎn)換能（?）的儲存會不斷地減少，所以人類活動不能建立在無節(jié)制向自然界的索取上。環(huán)境參數(shù)對能量轉(zhuǎn)換的影響

?環(huán)境介質(zhì)作為一個(gè)無限蓄熱系統(tǒng)，認(rèn)為它永遠(yuǎn)處于平衡狀態(tài)，而參與一切熱力過程，即它能吸收熱量或放出熱量而不改變其強(qiáng)度參數(shù)T0及p0。?環(huán)境中積聚的能量是無法利用的，全球海水質(zhì)量約為

m=1.42×1021kg，如海水溫度降低3.36×10–6K，其熱力學(xué)能減小量相當(dāng)于20世紀(jì)80年代中期全球一年用電量。?系統(tǒng)與環(huán)境平衡的狀態(tài)稱為“死態(tài)”，在死態(tài)系統(tǒng)的熱力學(xué)能完全喪失轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能力。因此，各種形式能量中可轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ牟糠值挠?jì)算都以環(huán)境狀態(tài)為基點(diǎn)。39三、系統(tǒng)能量分析方法

目的：確定系統(tǒng)各部位的能量損失的性質(zhì)、大小，提高系統(tǒng)或裝置對能量利用的效率。方法：第一定律分析法和第二定律分析法依據(jù)—能量在數(shù)量上守恒；方法—計(jì)算各部位能量轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失的數(shù)量，確定該系統(tǒng)的能量利用或轉(zhuǎn)換效率；特征—能量數(shù)量上的平衡，考慮了能量數(shù)量利用程度，反映能量數(shù)量的“外部損失”。如蒸汽動力裝置熱平衡揭示鍋爐散熱、排煙和不完全燃燒損失、汽輪機(jī)和管道等的散熱損失及冷凝器的熱損失；標(biāo)志—裝置的熱效率。

?第一定律分析法40?第二定律分析法

依據(jù)—綜合第一定律、第二定律；方法—從能量的數(shù)量和質(zhì)量來分析系統(tǒng)各部位揭示出能量中?的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失情況；特征—抓住不可逆過程中?轉(zhuǎn)變?yōu)榛馃o、火無不可能轉(zhuǎn)變?yōu)?，揭示系統(tǒng)內(nèi)部能量“質(zhì)”的貶值和損耗；標(biāo)志—系統(tǒng)?效率41兩類方法所揭示的不完善部位及損失的大小不同設(shè)備能量損失占輸入能量的比（%）?損失占輸入?量的比（%）鍋爐：燃燒過程傳熱過程煙道損失其他損失汽輪機(jī)冷凝器加熱器其他合計(jì)9

≈047≈03594929.714.90.683.7241.51.05.561某蒸汽動力裝置兩種分析結(jié)果42

系統(tǒng)與外界有不平衡存在，即具備作功能力，作功能力也可稱為有效能，可用能等?！?-7?一、熱量?和冷量?熱量?熱量火無冷量?冷量火無電加熱水過程?損43二、閉口系統(tǒng)工質(zhì)的熱力學(xué)能?閉口系統(tǒng)工質(zhì)的火無為：

閉口系統(tǒng)由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2時(shí)的最大可用功44三、穩(wěn)流開口系統(tǒng)工質(zhì)的焓?開口系統(tǒng)工質(zhì)火無

當(dāng)開口系統(tǒng)從初態(tài)1變化到終態(tài)2時(shí)，工質(zhì)所能做的最大有用功就是初態(tài)與終態(tài)焓?之差45§2-8?損失和?平衡方程

一、不可逆過程的?損失和?減原理

孤立系統(tǒng)中一切過程均不改變其總內(nèi)部儲能，即任意過程中能量守恒。但各種不可逆過程均造成機(jī)械能損失，任何不可逆過程均是ΔSiso>0，所以熵產(chǎn)與?損失存在必然聯(lián)系。例a)熱能機(jī)械能熱源：失q1冷源：得q2熱機(jī)：輸出46rev“=”irrev“>”不可逆使孤立系熵增大造成后果是機(jī)械能（?）減少若可逆循環(huán)，循環(huán)凈功及放熱中的?若不可逆循環(huán)，循環(huán)凈功及放熱中的?47b)熱量：高溫→低溫rev“=”irrev“>”

若不可逆，TA>TB，以A為熱源B為冷源，利用熱機(jī)可使一部分熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，所以孤立系熵增大意味?損失。損失值為從A傳出熱量中含的?與從B傳出熱量中含?之差。A：失qB：得q48

c)機(jī)械功（或電能）轉(zhuǎn)化為熱能輸入WsQ（=Ws），氣體由T1

上升到T2，v1=v2。工質(zhì)熵變外界ΔS外=0熱能不可能100%轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，故ΔSiso>0還是意味?損失。?損失等于輸入軸功與氣體熱力學(xué)能?的增量差

由于容器體積不變，散熱不計(jì)，輸入軸功等與熱力學(xué)能增量，氣體熵增即為過程熵產(chǎn)49d)有壓差的膨脹（如自由膨脹）孤立系熵增（即熵增）意味?損失，50

一切自發(fā)過程都不可逆——?轉(zhuǎn)變?yōu)榛馃o無法改變，任何不可逆過程必引起?損失，因此實(shí)際過程中?不守恒。孤立系統(tǒng)的?減少原理：

——孤立系統(tǒng)中一切實(shí)際的或不可逆的過程都使系統(tǒng)的?減少，其極限（所有過程都可逆）使系統(tǒng)的?保持不變。任何使孤立系統(tǒng)的?增加的過程是不可能發(fā)生的。系統(tǒng)或過程?平衡方程：

輸入系統(tǒng)的?—

輸出系統(tǒng)的?—

?損失

=系統(tǒng)?的變化

51二、封閉系統(tǒng)的?平衡方程或?損失

系統(tǒng)輸出的有用功機(jī)械功?熱量?熱力學(xué)能?差52?損失和熵產(chǎn)能量平衡：

熱源熵變量：環(huán)境熵變量：

封閉系統(tǒng)不可逆過程的?損失，等于該系統(tǒng)及其外界組成的孤立系統(tǒng)熵增（或過程熵產(chǎn)）與環(huán)境溫度的乘積。53三、穩(wěn)定流動系統(tǒng)?平衡方程系統(tǒng)能量平衡：熵方程54物流?移項(xiàng)例2-7.ppt55TsoB1TmH.32A.4qT0qaqun..

系統(tǒng)與外界有不平衡存在，即具備作功能力，作功能力也可稱為有效能，可用能等。熱源傳出的熱量中理論上可轉(zhuǎn)化為最大有用功的熱量。因T0基本恒定，故qunΔs12★熱量q1的可用能qa—熱量?56討論：

1）qa是環(huán)境條件下熱源傳出熱量中可轉(zhuǎn)化為功的最高分額份額，稱為熱量

；

2）qun是理想狀況下熱量中仍不能轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ牟糠?，是熱能的一種屬性，環(huán)境條件和熱源確定后不能消除減少，稱為熱量；

3）與環(huán)境有溫差的熱源傳出的熱量具備作功能力，但循環(huán)中排向低溫?zé)嵩吹臒崃课幢厥菑U熱，而環(huán)境介質(zhì)中的內(nèi)熱能全部是廢熱。

4）qa與熱源放熱過程特征有關(guān)，因此qa從嚴(yán)格意義上講不是狀態(tài)參數(shù)。57TsoB132AqT0qc...mn..整理★

冷量的作功能力

冷量—低于環(huán)境溫度傳遞的熱量。

58.討論：

1）熱量的可用能和冷量的可用能計(jì)算式差一負(fù)號。熱量可用能冷量可用能3）熱（冷）量可用能與T的關(guān)系。2