HTRI-2-热力学基本定律(10学时)

热工基础2——热力学基本定律课题一、热力学第一定律内能（热力学能）内能：热力系统内部自身所具有的能量。它包括分子运动的动能以及分子之间的吸引和排斥所形成的位能。分子运动的动能又可分为移动动能、转动动能和振动动能。而热力系本身宏观运动的能量和外力场作用的能量都不算内能。对于理想气体，由于假定其分子间没有吸引力，所以理想气体不存在位能，其内能仅是分子运动的动能。我们知道温度表示分子运动的强弱程度，因此理想气体的内能只是温度的函数。国际单位制中内能的单位为“焦耳”，记作“J”，单位质量的内能称为比内能（u），比内能的单位为J／kg。在工程单位制中，内能的单位为大卡，记作kcal，比内能的单位为kcal/kg。两种单位制内能的换算关系为：1kcal=4186.8J=4.1868kJ。内能工质的内能，决定于工质的热力学温度和比容，即：u=f(T,v)。这表明：工质内能的大小完全取决于它所处的热力学状态。理想气体的内能，是温度的单值函数。内能是工质的一个状态参数。热力学第一定律*能量转换与守恒定律：在自然界中，一切物质都具有能量，能量既不能被消灭，也不能被创造；但它能够从一种形态转换为另一种形态。在转换过程中，能量的总量保持不变。“热是能的一种，热能变为机械能或机械能变为热能的时候，它们之间的比值一定”，或者说“热可变成功，功也可变成热；一定量的热消失时，必产生一定量的功；消耗一定量的功时，必出现与之对应的一定量的热”。(实质上是能量守恒及转换定律在热现象上的应用）热功当量定律：AWQ闭口系方程（解析式）：在热力过程中，加给工质的热量，一部分用来改变工质的内能，另一部分则用来使工质膨胀而对外作功（容积功）。UWQ稳定流动的概念稳定流动的条件单位时间内流入系统的工质质量与流出的工质质量保持不变，且二者相等；单位时间内加入系统的净热及系统对外做出的净功不随时间而改变；工质流过系统内各点时的状态参数及流速不随时间而改变流动功)()(11221122pvvpvpwpVVpVpWff焓焓是一个复合状态参数，它的数学表示式为h=u+pν式中：h为比焓，单位J／kg；u为比内能，单位J/kgp为压力，单位Pa；ν为比容，m3／kg：上式中的焓是单位质量的焓，叫作比焓。热力学中总焓用H表示，将比焓乘以质量就能得到总焓，即H=mh=U+pV焓的单位和内能一样，为“焦耳”，记做J。上式表示将l千克工质通过—定界面流入热力系统时，储存它内部的内能(u)带进了系统，同时还把从后面获得的推动功(pv)带进了系统，因此系统中因为引进lkg工质而获得的总能量是内能和推动功之和（pv），所以，焓的物理意义是：工质的内能加上对它的推动功。在热力设备中,工质总是不断地从一处流到另一处，随着工质的移动而转移的能量不等于热力学能而等于焓，故在热力工程的计算中焓有更为广泛的应用。稳定流动与开口系统能量方程式ZmgCmHWQi2)(21左边Q表示与外界交换的热量，右边第一项为工质所作的功，右边第二项为工质的焓降，右边第三项为工质的动能变化，右边第四项为工质的位能变化。核电厂稳定发电运行时属于稳定流动系统，即在工质流程中任何位置上流体的流速及状态参数均不随时间变化。在该系统中热力学第一定律一般表达式为进入系统的能量-流出系统的能量=系统能量的增量符号和图示热力学规定，系统对外做功时功取为正，外界对系统做功时功取为负；系统吸热时热量取为正，放热时取为负。可逆过程的功量和热量分别在p-v图和T-s图上的相应面积表示开口系和闭口系对比开口系和闭口系的能量方程：titiiwpVwzgcpvwWpVWzmgcmpVWWzmgcmpVUQWUQ)(21)()(21)(21)(222几种功的比较:体积膨胀功W系统体积变化所完成的功可逆时简单可压缩系统热变功的源泉对应对闭口系所做的功轴功Ws系统通过轴与外界交换热量轴功是开口系所求的功忽略动位能差时，开口系所求的功就是技术功流动功Wf开口系付诸于质量迁移所做的功进出口推动功之差技术功Wt技术上可以利用的功212)(21)(VdpWpV212211211221222)()(21)(21可逆过程稳定流动能量方程的应用动力机压气机锅炉及换热器管道节流21212122121221)(21)()(hhhhcchhqwqhh理想气体的基本热力过程热力过程研究热力过程的目的和任务:目的是力求通过有利的外部条件,合理地安排热力过程,以提高热能和机械能的转化效率;任务是:根据过程进行的条件,确定过程中工质状态参数的变化规律,并分析过程中的能量转化关系.分析热力过程的主要依据是:热力学第一定律,理想气体的热力性质以及可逆过程的特征.分析内容和步骤:建立过程方程;由过程方程和状态方程建立参数关系式;图示分析根据理想气体的性质,确定过程中的u\h\s计算过程中与外界交换的功量(膨胀功或技术功)和热量可逆过程和不可逆过程当完成了某一过程之后，如果有可能使工质沿相同的路径逆行而回复到原来状态，并使相互作用中所涉及的外界也回复到原来状态，而不留下任何改变，则这一过程就叫做可逆过程。不满足上述条件的过程为不可逆过程。不平衡过程必然是不可逆过程；有摩擦的过程（存在耗散效应）的过程必然是不可逆过程；可逆过程必然是准平衡过程，而准平衡过程只是可逆过程的必要条件工质的热力过程-定容过程定容过程:定容过程是在保持比容不变的条件下所进行的过程。在刚性容器中的工质发生的过程就是定容过程的最好例子。QUWUquCdTv所以系统所获得的热量，全部用于增加工质的内能。wpdv120其膨胀功为：工质的热力过程-定压过程定压过程是在保持压力不变下进行的过程。其过程方程式为p=const，即dp=0。膨胀功wpdvpvv1221()wpdvpvv1221()quwuupvv2121()upvupvhhCdTp221121()工质的热力过程-定温过程定温过程是保持温度不变下进行的过程，其过程方程式为即。也就是。wpdvpvdvvpvvv1112112112lnpvppRTpp1112112lnln因为T=const,dT=0所以Δu=0。quwwpvpp1112ln工质的热力过程-绝热过程绝热过程:是既无热量输入热力系统，也无热量从热力系统输出的过程。这个过程是可以可逆的，也可以是不可逆的。对于可逆的绝热过程是定熵过程，即S=const，ds=0。我们这里忽略公式推导，可得绝热过程的状态参数间的关系式为：pvconstk膨胀功2111212111kkkkvdvvpvdvvppdvw111111122121211kpvpvRkTTRTkppkk()()()对于封闭系统，q=Δu+w，今q=0，所以w=－Δu=－(u2-u1)=u1-u2对于开口稳定流动系统：tshWhWZgchq2)(21工质的热力过程-绝热过程技术功22212111vppdvvpvdpwtkkppkkRTTTkkRvpvpkk1121212211)(11)(1)(1对于开口稳定流动系统：212)(21hhhwWhWZgchqttsh实际上,理想气体绝热功和技术功的表达式用于量的计算不是很准确,尤其是当过程前后温度变化范围较大时,故一般只用在质的评价和估算中工质的热力过程-多变过程多变过程中气体状态参数的变化符合常数的规律，则这类过程就成称为“多变过程”，而其中指数n叫做多变指数。多变过程和绝热过程的过程方程式的结构是相同的，完全可以引用绝热过程中那些既定的关系式，只需把式中的绝热指数k换成多变指数n即可。据此，可得nnnnppTTTTpp12112112122112气体在多变过程中所做有用功亦可参照得到，即221121111ppnTTnRw工质的热力过程-多变过程与绝热过程不同的是，在多变过程中工质与外界之间常有热量的交换。气体在多变过程中与外界所交换的热量可按热力学第一定律求得：12211211TTnRcTTnRTTcwuq考虑到cnknncccnRcp111则有121TTcnknqcnkncn112TTcqn定义:则有:1nk的多变过程膨胀过程中输出的过程功大于气体的吸热量，气体的内能减少，温度降低；相反，这类多变过程压缩过程消耗的过程功大于气体的放热量，内能增加，温度升高。因此，并不是气体吸热温度一定升高，放热温度降低。p-ν图和T-S图p-ν图T-s图正负判断理想气体可逆过程计算公式表变比热容和定值比容时计算12121201021212lnlnln)()(212121ppRTTcppRsssttchttcugttpgttpttV1212121212121212lnlnlnlnlnln)()(vvcppcsvvRTTcsppRTTcsTTchTTcupvgVgppV功量和热量计算概括#计算功量计算热量技术功\焓\熵计算热力学第二定律热力循环热力循环是指工质从某一初始状态出发,经历一系列热力状态变化后又回到原来的初始状态的热力过程，即构成一个封闭的热力过程。各种热机有各自的热力循环，例如内燃机循环、燃气轮机循环、制冷循环等等。对热力循环的研究建立在热力学第一定律和热力学第二定律的基础上，对实际热力循环的研究一般分为两个步骤：首先将实际循环简化为理想的可逆循环，即暂时忽略不可逆因素的影响，研究影响该热力循环效率的主要因素以及为提高热效率而可能采取的措施；然后，在研究理想可逆循环的基础上，进一步研究实际循环中存在的不可逆损失，找出这些损失的环节、大小、原因以及相互关系，并研究减少不可逆损失的方法，分析可能提高热经济性的程度。效率的概念自然过程的方向性功热转化：功可以自动地转化为热，热不可能全部无条件地转化为功。有限温差传热自由膨胀混合过程自然过程中凡是能力独立地、无条件自动进行的过程，称为自发过程。另一类不能独立地自动进行而需要外界帮助作为补充条件的过程称为非自发过程。自发过程的反向过程是非自发过程。不可逆是自发过程的重要特征和属性。卡诺循环卡诺循环是由两个定温过程和两个绝热过程组成，且假定都是可逆过程。以理想气体为工质的卡诺循环，其p-v图和T-s图如下所示：卡诺循环和卡诺定律•卡诺循环的热效率只决定于高温热源和低温热源的温度T1、T2，也就是工质吸热和放热的温度，提高T1或降低T2，可以提高热效率；•卡诺循环的热效率只能小于1，决不能等于1，更不可能大于1；•当T1=T2，循环的热效率=0，它表明,在温度平衡的体系中，热能不可能转化为机械能，即借助单一热源连续做功的机器是制造不出的，或第二类永动机是不存在的。概括性卡诺循环多热源可逆循环卡诺定理定理1：在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环其热效率都相等；定理2：在温度同为T1的热源和同为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。卡诺定律#不可逆过程中熵变的分析12AB热源T1冷源T2dq1dq2pv002222