熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用 (第4版)課件：熱能轉(zhuǎn)換的基本概念和基本定律

熱能轉(zhuǎn)換的基本概念和基本定律熱能轉(zhuǎn)換的基本概念一、熱力系統(tǒng)與工質(zhì)(一)熱力系統(tǒng)

人為劃定的一定范圍內(nèi)的研究對(duì)象稱為熱力系統(tǒng)，簡稱熱力系或系統(tǒng)。熱力系以外的物體稱為外界；熱力系與外界的交界處稱為邊界。

1、定義§1-1熱力系統(tǒng)、狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)系統(tǒng)固定邊界移動(dòng)邊界系統(tǒng)（二）、工質(zhì)：用來實(shí)現(xiàn)能量相互轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)稱為工質(zhì)。2、分類閉口系：與外界無物質(zhì)交換的系統(tǒng)CM

開口系：與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)CV

按物質(zhì)交換簡單可壓縮系：熱力系與外界只有熱量和可逆體積變化功的交換。孤立系：與外界無任何能量和物質(zhì)交換的熱力系。絕熱系：與外界無熱量交換的系統(tǒng)。熱源：與外界僅有熱量的交換，且有限熱量的交換不引起系統(tǒng)溫度變化的熱力系統(tǒng)。按能量交換工質(zhì)理想氣體

實(shí)際氣體

蒸氣

二、平衡狀態(tài)1、定義：一個(gè)熱力系統(tǒng)，如果在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的狀態(tài)能夠始終保持不變，則系統(tǒng)的這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。2、實(shí)現(xiàn)條件：Δp=0ΔT=0(Δμ=0)。

(一)熱力狀態(tài)

熱力系在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。(簡稱狀態(tài))(二)熱力狀態(tài)

三熱力狀態(tài)參數(shù)、基本狀態(tài)參數(shù)

（一）熱力狀態(tài)參數(shù)

1、定義：描述系統(tǒng)狀態(tài)的宏觀物理量

2、分類：廣延量參數(shù)：有關(guān)，如H、U、S等，具有可加性

強(qiáng)度量參數(shù)：無關(guān)，如p、T、v、u、h

等

按與所含工質(zhì)的量有關(guān)否基本狀態(tài)參數(shù)：可以直接或易測的狀態(tài)參數(shù)。如p、v和T。非基本狀態(tài)參數(shù)：不能直接或易測的狀態(tài)參數(shù)。如H、s、u

等

按是否直接或易測或3、數(shù)學(xué)特征：，（二）基本狀態(tài)參數(shù)

1、比體積：比體積就是單位質(zhì)量的工質(zhì)所占的體積。即

2、壓力：壓力即物理學(xué)中的壓強(qiáng)，單位是Pa。

絕對(duì)壓力：p

大氣壓力：

：表壓力

：真空度

3、溫度：俗稱是物體冷熱程度的標(biāo)志。

B．科學(xué)定義：溫度是決定系統(tǒng)間是否存在熱平衡的宏觀物理量。C．溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示

經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)建立的三要素：

熱力學(xué)溫標(biāo)：理論溫標(biāo)，符號(hào)T

單位

K

新攝氏溫標(biāo)：

符號(hào)t

單位℃。

t（℃）=T（K）-273.15

熱平衡A．熱力學(xué)第零定律

:如果兩物體和第三個(gè)物體處于熱平衡，則這兩個(gè)物體之間必然處于熱平衡。

國際實(shí)用溫標(biāo)：（ITS—90）

國際實(shí)用溫標(biāo)指包括水的三相點(diǎn)在內(nèi)的若干固定點(diǎn)的溫度，如下表所示

國際實(shí)用溫標(biāo)的固定點(diǎn)

同時(shí)，又把平衡氫三相點(diǎn)以上的溫度分了三個(gè)區(qū)間，并給出了相應(yīng)的溫度計(jì)算公式：①-259.34℃～630.74℃――用鉑電阻溫度計(jì)測量，電阻絲是無應(yīng)力的和退火的。公式（略）。②630.74℃～1064.43℃――用鉑銠（10％）－鉑熱電偶測量，電動(dòng)勢(shì)與溫度關(guān)系為

式中：由630.74±0.2℃的銀凝固點(diǎn)與金凝固點(diǎn)溫度確定。③1064.43℃以上――由普朗克輻射定律定義，用1064.43℃作參考溫度，取

。3、狀態(tài)方程式描述平衡態(tài)基本狀態(tài)參數(shù)間關(guān)系表達(dá)式稱為狀態(tài)方程式。

2、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖四、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖和狀態(tài)方程式

1、獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)：簡單可壓縮系統(tǒng)

2。

一、熱力過程

定義：熱力系從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)變化時(shí)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和。（一）準(zhǔn)平衡(準(zhǔn)靜態(tài))過程

準(zhǔn)平衡過程的實(shí)現(xiàn)定義：由一系列平衡態(tài)組成的熱力過程實(shí)現(xiàn)條件：破壞平衡態(tài)存在的不平衡勢(shì)差(溫差、力差、化學(xué)勢(shì)差)應(yīng)為無限小。即Δp→0ΔT→0(Δμ→0)

§1-2熱力過程、功量及熱量

（二）可逆過程定義：當(dāng)系統(tǒng)完成某一熱力過程后，如果有可能使系統(tǒng)再沿相同的路徑逆行而回復(fù)到原來狀態(tài)，并使相互中所涉及到的外界亦回復(fù)到原來狀態(tài)，而不留下任何變化，則這一過程稱為可逆過程。

實(shí)現(xiàn)條件：準(zhǔn)平衡過程加無耗散效應(yīng)的熱力過程才是可逆過程。力學(xué)例子：

二、可逆過程的功量和熱量

一、體積變化功可逆過程的體積變化功

或

符號(hào)規(guī)定

系統(tǒng)對(duì)外作功：+

外界對(duì)系統(tǒng)作功：-可逆過程的熱量（二）熱量

或符號(hào)規(guī)定

吸熱：+

放熱：-

§1-3熱力循環(huán)

1、定義：

工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)經(jīng)歷一系列熱力狀態(tài)變化后又回到原來初態(tài)的熱力過程．即封閉的熱力過程,簡稱循環(huán)。

2、分類

:按性質(zhì)

可逆循環(huán):全部由可逆過程構(gòu)成。

不可逆循環(huán):只要存在不可逆過程。按目的

正循環(huán)(即動(dòng)力循環(huán))：對(duì)外輸出動(dòng)力。

逆循環(huán)(即制冷循環(huán)或熱泵循環(huán)）：制冷或制熱。

3、能量利用經(jīng)濟(jì)性

能量利用經(jīng)濟(jì)性

動(dòng)力循環(huán)：制冷循環(huán)：制熱（熱泵）：熱力學(xué)第一定律

§2-1熱力學(xué)第一定律及其實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第一定律：熱能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，機(jī)械能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，在它們的傳遞和相互轉(zhuǎn)換過程中，總量保持不變。

熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)：“量”守恒

§2-2熱力學(xué)能和總儲(chǔ)存能一、內(nèi)部儲(chǔ)存能——熱力學(xué)能：工質(zhì)微觀粒子所具有的能量。

熱力學(xué)能分子運(yùn)動(dòng)所具有的內(nèi)動(dòng)能分子間由于相互作用力所具有的內(nèi)位能

維持一定分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)能和原子核內(nèi)部的核能

熱力學(xué)能U

是狀態(tài)參數(shù)；

比熱力學(xué)能

u＝U/m

二、外部儲(chǔ)存能

或

或三、總儲(chǔ)存能

比儲(chǔ)存能

§2-3熱力學(xué)第一定律的一般表達(dá)式

一、一般的關(guān)系式為：

進(jìn)入系統(tǒng)的能量—流出系統(tǒng)的能量＝系統(tǒng)能量的增量入—出＝增量

二、一般表達(dá)式：

出：

或

增量：入：§2-4閉口系的能量方程——熱力學(xué)第一定律基本表達(dá)式

一、能量方程：

三、其他形式：

二、分析：

外熱能

內(nèi)熱能或微元：

或可逆：

或或機(jī)械能

體積變化功熱能§2-5穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量方程

一、穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)

1、定義：穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)是指熱力系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化的流動(dòng)系統(tǒng)。2、實(shí)現(xiàn)條件：(1)進(jìn)出系統(tǒng)的工質(zhì)流量相等且不隨時(shí)間而變；(2)系統(tǒng)進(jìn)出口工質(zhì)的狀態(tài)不隨時(shí)間而變；

(3)系統(tǒng)與外界交換的功和熱量等所有能量不隨時(shí)間而變。二、流動(dòng)功

開口系統(tǒng)中工質(zhì)流入和流出系統(tǒng)所作的推動(dòng)功的代數(shù)和。

推動(dòng)功：同理：或

流動(dòng)功：三、穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量方程

引入焓H：

或

或

對(duì)于微元過程：四、技術(shù)功及穩(wěn)流能量方程的其他形式從而有

或

可逆過程：

或或五、焓

定義式比焓

物理意義：焓是開口系統(tǒng)中流入（或流出）系統(tǒng)工質(zhì)所攜帶的取決于熱力學(xué)狀態(tài)的總能量。§2-6能量方程的應(yīng)用

一、葉輪式機(jī)械1、動(dòng)力機(jī)（汽輪機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)）：

能量方程

化簡：

同理可得

確立系統(tǒng)：穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)（sssf）葉輪式動(dòng)力機(jī)葉輪式耗功機(jī)械

2、耗功機(jī)械（葉輪式壓氣機(jī)機(jī)，水泵）

三、熱交換器

確立系統(tǒng)：sssf能量方程

化簡：

設(shè)備示意簡圖

或

四、

(絕熱)節(jié)流

確立系統(tǒng)：準(zhǔn)sssf例1進(jìn)入汽輪機(jī)新蒸汽的參數(shù)為，，，；出口參數(shù)為：，，；蒸汽的質(zhì)量流量。試求(1)汽輪機(jī)的功率；(2)忽略蒸汽進(jìn)、出口動(dòng)能變化引起的計(jì)算誤差。

依題意：q＝o，?z＝0，故有解（1）取汽輪機(jī)進(jìn)、出口所圍空間為控制容積系統(tǒng)，如圖所示，則系統(tǒng)為穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)。從而有

（2）忽賂工質(zhì)進(jìn)出口動(dòng)能變化，單位質(zhì)量工質(zhì)對(duì)外輸出功的增加量(或減少量)功率

忽略工質(zhì)進(jìn)出口動(dòng)能變化引起的相對(duì)誤差例2空氣在一活塞式壓氣機(jī)中被壓縮。壓縮前空氣的參數(shù)是：，；壓縮后空氣的參數(shù)是：，。設(shè)在壓縮過程中每千克空氣的熱力學(xué)能增加，同時(shí)向外放出熱量，試求（1）壓縮過程中對(duì)每千克空氣所做的功；（2）每生產(chǎn)壓縮空氣所做的功；（3）若該壓氣機(jī)每分鐘生產(chǎn)壓縮空氣，帶動(dòng)此壓氣機(jī)要用多大功率的電動(dòng)機(jī)？則系統(tǒng)為閉口系，能量方程為：解（1）（2）系統(tǒng)可視為穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)（如圖所示）則能量方程為：由：得：由（1）知：（3）帶動(dòng)此壓氣機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率

熱力學(xué)第二定律§3-1熱力過程的方向性溫差傳熱過程√×2、自由膨脹

氣體自由膨脹

√×1、溫差傳熱一、方向性

3、摩擦生熱√×4、電容－電感電路電容－電感電路√×二、熱力學(xué)第二定律的任務(wù)

研究熱力過程的方向性，以及由此而引起的非自發(fā)過程的補(bǔ)償和補(bǔ)償限度是熱力學(xué)第二定律的任務(wù)?！?-2熱力學(xué)第二定律的表述克勞修斯的說法：不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化。開爾文的說法：不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?。其他說法，如：

第二類永動(dòng)機(jī)是造不成的。熱力學(xué)第二定律各種表述的等效性：熱源：失去

冷源：失去

總效果：從單一熱源吸熱全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣ν饨纾旱玫健?-3卡諾循環(huán)和卡諾定理一、卡諾循環(huán)與概括性卡諾循環(huán)

卡諾循環(huán)由兩個(gè)定溫和兩個(gè)絕熱可逆過程組成，如右圖。1、卡諾循環(huán)的組成2、卡諾循環(huán)的熱效率（一）卡諾循環(huán)

（二）、概括性卡諾循環(huán)

1、組成

（理想氣體）兩個(gè)定溫+吸熱和放熱變化率相同的過程+回?zé)?/p>

2、熱效率二、卡諾定理定理1：

假設(shè)且由，得

令B機(jī)逆轉(zhuǎn)成為一制冷機(jī)，使A、B構(gòu)成一聯(lián)合熱機(jī)：

熱源：得到外界：得到

冷源：失去違反熱力學(xué)第二定律的克勞修斯的說法，不可能

同理：不可能只有

反證法證明定理1

定理2：（三）、卡諾循環(huán)卡諾定理的意義1、

2、，應(yīng)盡量減少不可逆

3、

不可能，不可能；

4、5、

熱量有效能（熱火用）：熱量無效能（熱火無）：

三、變溫?zé)嵩矗ǘ酂嵩矗┑目赡嫜h(huán)

定義：

所謂平均吸熱溫度(或平均放熱溫度)是工質(zhì)在變溫吸熱(或放熱)過程中溫度變化的積分平均值。吸熱量：同理，平均放熱溫度：熱效率用平均溫度可表示為：平均吸熱溫度：§3-4狀態(tài)參數(shù)熵考慮到Q

的正、負(fù)號(hào)

微元可逆循環(huán)a-b-c-d-a

整個(gè)可逆循環(huán)1-A-2-B-1

即：

或

一.克勞修斯不等式

考慮到Q

的正、負(fù)號(hào)

微元不可逆循環(huán)a-b-c-d-a

整個(gè)不可逆循環(huán)1-A-2-B-1

即：

克勞修斯不等式

熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式之一

§3-5克勞修斯不等式和不可逆過程的熵變產(chǎn)解：（1）作熱機(jī)時(shí)（2）作制冷機(jī)時(shí)，按題設(shè)工作參數(shù)有例1：某熱機(jī)從的熱源吸熱，向的冷源放熱。此循環(huán)滿足克勞修斯不等式嗎？是可逆循環(huán)還是不可逆循環(huán)？若將此熱機(jī)作制冷機(jī)用，從的冷熱源吸熱時(shí)，是否可能向的熱源放熱？

二、不可逆過程的熵變

對(duì)于不可逆過程1-A-2,構(gòu)成循環(huán)1-A-2-B-1：

微元過程：

或

熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式之一三、熵流和熵產(chǎn)

熵流

熵產(chǎn)

§3-6熵增原理

一、孤立系的熵增原理

孤立系：

孤立系的熵增原理：孤立系統(tǒng)的熵可以增大或保持不變，但不可能減少。

熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式之一熵增原理的應(yīng)用：

解（1）（2）例2：某熱機(jī)從的熱源吸熱，向的冷源放熱。此循環(huán)可行嗎？是可逆循環(huán)還是不可逆循環(huán)？若將此熱機(jī)作制冷機(jī)用，從的冷熱源吸熱時(shí)，是否可能向的熱源放熱？例3

設(shè)兩恒溫物體A和B，溫度分別為1500K和500K。試根據(jù)熵增原理計(jì)算分析下面兩種情況是否可行？若可行是否可逆？（1）B

向A傳遞熱量1000kJ;

（2）A向B傳遞熱量1000kJ

解

（1）（2）同理，對(duì)于A放出熱量和B得到熱量的情況，有例4

將0.5kg溫度為1200℃的碳鋼放入盛有4kg溫度為20℃的水的絕熱容器中，最后達(dá)到熱平衡。試求此過程中不可逆引起的熵產(chǎn)。碳鋼和水的比熱容分別為