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1、 2.1 2.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式（5 5）单元单元2 热力学第一定律和第二定律热力学第一定律和第二定律 2.1.1 热力系统储存能（5）单元单元2 2 热力学第一定律和第二定律热力学第一定律和第二定律（5 5）2.1.2 热力系统与外界传递的能量（6）2.2 2.2 热力学第一定律简介热力学第一定律简介（2323）2.2.1 热力学第一定律的实质（24）2.2.2 闭口系统的能量方程（25）2.2.3 开口系统稳定流动能量方程（26）2.2.4 稳定流动能量方程工的应用（27）2.3 2.3 利用量热学方法计算理想气体的热量、内能及焓（利用量热学方法计算理想气
2、体的热量、内能及焓（2828）2.3.1 比热容的定义及影响因素（28）2.3.2 利用比热容计算气体的热量（30）2.3.3 利用比热容计算理想气体内能与焓的变化量（38）2.4 2.4 理想气体的主要热力过程理想气体的主要热力过程（3939）1 2.4.1 基本热力过程（40）2.4.2 多变过程（41）2.5 2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介（4646）单元单元2 热力学第一定律和第二定律热力学第一定律和第二定律 2.5.1 热力循环（46）2.5.2 热力学第二定律（46）2.5.3 卡诺循环与卡诺定律（46）2.5.4 熵与熵原理（46）2【知识点知识点】热力学第一定律，
3、热力循环，热力学第二定律，p-v图和T-s图。【能力目标能力目标】掌握掌握：热力系统储存能、功量及示功图、热量及示热图、焓、熵等基本概念。理解理解：热力学第一定律、热力学第二定律实质。熟悉熟悉：热力系统与外界传递的能量种类。应用应用：能应用热力学第一定律进行热力过程的分析和计算。单元单元2 热力学第一定律和第二定律热力学第一定律和第二定律3热力系统储存能（系统所包含的热力学范畴的能量）包括内部储存能（简称内能）和外部储存能。2.1.1.1 内部储存能（内能）内部储存能（内能）在热力学范畴，系统内部储存能指的是气体分子的内动能（包括气体分子平动动能、转动动能及振动动能，与工质温度T有关）和分子内
4、位能（分子间相互作用力，与工质比体积v有关）。这两项能量与热能有关，所以分子内动能和内位能又称为气体内部热能。2.1.1 2.1.1 热力系统储存能热力系统储存能热力系统储存能热力系统储存能2.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式4对于系统内与分子结构、原子结构有关的化学能和原子能，在热力学过程中不涉及化学反应和核反应，这部分能量保持不变，故不予考虑。对于mkg质量气体的内能用U表示，单位为J，对于1kg气体的内能则用u表示，单位是J/kg。如前所述，分子内动能与T有关，内位能与V有关，所以内能也是状态参数，而p、v、T之间存在一定关系，所以内能可表述为：U=f(P、V)（2-
5、1）或 u=f(p、v)（2-1a）2.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式5对于理想气体，分子间不存在相互作用力，所以内能仅与T有关，是温度的单值函数，即：U=f（T）（2-2）关于内能的计算，实际中只涉及内能的变化量，故可人为规定一个基准状态，作为内能的零值点。同时作为状态参数，其变化量只取决于工质热力过程的初、终状态，而与过程的途径无关。2.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式62.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式72.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式8在各种热力过程中，热力系统与外界之间所能进行的能量交换或传递的方
6、式包括热量传递，功量传递以及伴随工质流进和流出系统所传递的能量，下面分别予以讨论。2.1.2.1 功量及示功图功量及示功图功量是热力系统对外界或外界对热力系统作功多少的量度，是力差作用的结果。功量是一个过程量，伴随作功过程而发生。当力趋于平衡时，作功过程停止，系统与外界之间的功量传递也随即停止。力的形式不同，导致作功形式各异。在工程热力学中，主要涉及到的两种功量交换形式是体积变化功与轴功。2.1.2 2.1.2 热力系统与外界传递的能量热力系统与外界传递的能量热力系统与外界传递的能量热力系统与外界传递的能量2.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式9（1）体积变化功）体积变化功
7、在力差的作用下，热力系的体积发生增大或缩小，并通过系统界面与外界发生的机械功传递称为体积变化功。用符号W表示，单位为J或KJ，对于1kg工质所传递的体积变化功，用符号w表示，单位为J/kg或kJ/kg。在热力学中规定：热力系统体积增大，系统对外做膨胀功，功量为正值；热力系统体积减小，外界对系统压缩做功，功量为负值。图图2.1 2.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式102.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式11（2）轴功）轴功工程实际中系统与外界的功量交换更多的是通过机械来进行,称为轴功，如图2.2所示。对1 kg工质，常用符号ws表示，单位为J/kg或kJ/
8、kg;对m kg工质，用Ws表示，单位为J或kJ。与体积变化功一致，热力学中规定系统对外输出轴功为正值，外界输入轴功为负值。从图2.2可看出，系统可 接收外界输入的轴功（水泵、离心制冷机），也可向外界输出轴功（汽 轮机）。工程中常用单位 时间做功多少来比较功量 强弱，即功率。单位为W或kW，1 W=1 J/s图图2.2 轴功示意图轴功示意图2.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式122.1.2.2 热量及示热图热量及示热图当两个温度不同的物体相互接触时，将有能量从高温物体自发地传递到低温物体，热力学中将这种由于热力系统与外界之间仅因存在温差而通过边界传递的能量称为热量。关于热量
9、，强调以下几点：（1）热量是与热力过程相关的一个过程量，而不是状态参数。可以说系统含有多少能量或热能，也可以说系统与外界交换了多少热量，但不能说系统含有多少热量。（2）热量交换只发生在界面上，热量是在温差作用下热传递过程中物体能量改变量的量度，当温度趋于一致（热平衡）时，热量传递即停止。2.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式13（3）热力学中规定：热力系统吸热为正，放热为负。用符号Q表示m kg工质吸收或放出的热量，单位是J或kJ；单位质量工质（1 kg）吸收或放出的热量用表示，单位为J/kg或kJ/kg。对于微元过程，则用Q或q表示。类似于前面讨论的功量表达式及示功图，经理
10、论推导，有状态参数熵存在。对于m kg工质，其熵用S表示，单位为J/K或kJ/K；对于1 kg工质，则其熵用s表示，单位为J/(kgK)或kJ/(kgK)。对于微元的可逆过程，热力系统与外界传递的热量可表示为 Q=TdS或q=Tds (2.10)2.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式14图图2-3 T-S（温（温-熵）图熵）图2.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式15从图2-3中可以看出，在T-S图中，过程线1-2下面的面积S12S2S11即为热力过程中系统和外界之间的换热量，所以T-S图又称为示热图，即图中面积即表示热量。另外，从图中还可看出，若热力学的初
11、、终状态相同，而所经历的过程不同时，其热传递量也不同，这也说明热量与过程有关，是过程量而不是状态量。2.1.2.3 伴随工质流动所传递的能量伴随工质流动所传递的能量对于开口热力系统，工质在流进或流出系统界面时，其自身所携带的一部分能量也同时通过界面，参与能量传递。这部分能量包括以下两部分。2.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式162.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式17如图2.4所示，质量为dm的工质流入系统时，假设界面1-1处工质的状态参数压力为p,比体积为v，过流断面积为A,则工质进入系统时带入系统的流动功为：流动功=力位移即 Wf=pAdx=pdV=
12、pvdm图图2.4流动功示意流动功示意2.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式182.1 热力学系统涉及的能量形式热力学系统涉及的能量形式19能量守恒与转换定律是自然科学中关于物质运动的最重要的普遍规律之一。它可表述为：任何物质系统与外界的总能量之和是恒定不变的。相应于物质运动的不能创生或消灭，作为物质运动一般量度的能量也是不能创生或消灭的；能量只能在各部分物质之间进行传递，或者从一种形态转化为另一种形态，而总量不变。热力学第一定律，即是能量守恒与转换定律在热力学中的应用。结合我们前面讨论过的工程热力学所涉及到的能量形式，热力学第一定律可一般地表示为以下的能量方程式：进入热力系
13、的能量离开热力系的能量=热力系储存能的变化量（2.14）2.2.1 2.2.1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质2.2 热力学第一定律简介热力学第一定律简介20前所述，对于闭口系统，无工质穿越界面，系统与外界只能有热量和功量的交换，系统只考虑内部储存能的变化，其宏观动能和宏观位能的变化为零。如图2.5所示，若工质从状态1变化（膨胀）到状态2，系统从外界吸热为Q，对外做功为W，系统储存能变化为U，按公式（2.14），则有：Q-W=U或 Q=U+W （2.15）对1 kg工质而言，则为：q=u+w （2.16）对于微元过程：q=du+w (2.17)
14、2.2.2 2.2.2 闭口系统的能量方程闭口系统的能量方程闭口系统的能量方程闭口系统的能量方程2.2 热力学第一定律简介热力学第一定律简介21以上各式说明，外界加给热力系统的热能一部分用来对外做功，另一部分用来增加工质的内能。式中u的取值可正可负：u0表示系统内能增加；u0,为膨胀做功；反之，则v0、w0,为外界对系统做压缩功。内能的增、减以定温线为基准，以1点为开始，当过程终点位于p-v图中定温线右上区域，或T-s图中定温线上侧区域，则T0、u0、h0，为工质的内能及焓增加的过程；反之，则T0、u0、h0，工质内能及焓减少。需要指出的是，当1nk时，从图上可以看出，此时气体的膨胀过程中q为
15、正而T为负，气体的压缩过程中q为负而T为正。这意味着此时多变比热容为负值，其物理意义可认为是：当气体膨胀做功时，对外做的功大于气体吸收的热量，差数由气体内能来补偿，故气体温度降低；压缩时，外界对气体做的功大于气体向外界放出的热量，其内能增加而温度升高。2.4 理想气体的主要热力过程理想气体的主要热力过程72工程中都是通过工质来实现能量转换或转移的，为保持过程的连续性，工质常会循环使用。如采暖系统利用热水在散热器内散热可以维持室内温度，散热后的水绝对不会排掉，而是仍返回热源去继续被加热，如此循环往复，才能保证有热水连续不断地流入散热器而向室内供热。而将散热后的水排掉，显然是不合理的。工质从初始状
16、态出发，经过一系列热力状态变化后又回复到原来状态的全部过程称为热力循环，简称循环。2.5.1 2.5.1 热力循环热力循环热力循环热力循环2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介73如果组成循环的全部热力过程均为可逆过程，则该循环为可逆循环，在状态参数坐标中可用实线表示，并且是一条封闭的曲线，如图2.16所示。否则，为不可逆循环。按照热力循环的目的或效果不同，可分为正向循环和逆向循环。图图2.16热力循环热力循环（a）正向循环；）正向循环；(b)逆向循环逆向循环 2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介742.5.1.1 正向循环和热效率正向循环和热效率热力学中，将热能转变为机械能的循
17、环称为正向循环，图2.16(a)所示为1 kg工质在热机中进行12341的正向循环，在p-v图上是按顺时针方向进行的。在过程123中，工质从高温热源T1吸收热量q1，并向外界输出膨胀功，即面积S123v3v11。过程341为压缩过程，所消耗的压缩功即面积Sv1v3341v1，同时向低温热源T2放出q2的热量，并结束一个循环回到初始状态。如图2.17所示，按热力学第一定律，在这一个循环过程中，系统向外界输出的净功w0，应等于工质从高温热源吸收的热量q1与向低温热源放出的热量q2的差值，即 2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介752.17热机和制冷机工作过程热机和制冷机工作过程（a）热机；
18、）热机；(b)制冷机（热泵）制冷机（热泵）2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介762.5.1.2 逆向循环和工作系数逆向循环和工作系数逆向循环是消耗机械能（或其他能量），将热能从低温热源转移（传递）到高温热源的热力循环。如制冷装置及热泵型空调等，均是由外界对系统输入循环净功（压缩过程321与膨胀过程143的功量代数和，w00）来实现热能由低温物体向高温物体转移的。如图2.16(b)和2.17(b)所示，逆向循环在p-v图上为逆时针方向进行。若1 kg工质完成一个逆向循环，消耗净功w0，从低温热源T2吸收热量q2，向高温热源T1放出热量q1，则注意，上式中，循环净功w0本应为负值，但为计
19、算方便，将q1放热取绝对值，按上式求得w0为正。2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介772.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介782.5.2.1 自发过程与非自发过程自发过程与非自发过程按过程的发生是否为人类所为,我们所涉及的一切过程可分为自发与非自发过程。在重力场、温度场等自然条件下能够自动进行的过程我们称为自发过程。由于人为干涉或影响才能进行的过程称为非自发过程。按照上述划分，我们稍加注意后就会发现，自然界所发生的自然过程都是按一定方向进行的，是不可逆的。如水可以自发地从高处流向低处、气体可以自发地由高压向低压膨胀、热自发地从高温物体传向低温物体、机械能可以通过摩擦自发地转换
20、为热能，等等。这些自然过程不需附加任何人为的条件而自然进行，我们称之为自发过程。2.5.2 2.5.2 热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介79反过来，水不会自发地从低处流向高处，但人们用水泵却可以将水输送到高处；气体不会自发地进行压缩升压，但我们可以利用压缩机来对其进行压缩，提高其压力；同样，热不能自发地从低温物体传递到高温物体，也不能自发地转化为机械能，但我们可以利用制冷机或热机来实现这些过程。上面这些须附加人为条件才可实现的过程称为非自发过程，而所有非自发过程的完成，必须要人为地付出一定的代价，如水泵、制冷机等消耗额外的机械
21、能来作为补偿；热机则有部分热量(q2)从T1传递到T2使这部分热的可用性降低来作为补偿。2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介802.5.2.2 热力学第二定律的表述和实质热力学第二定律的表述和实质热力学第二定律不单只解决能量转换和传递有关热过程的方向、限度等问题，而且也指明一切自发过程的方向性问题。所以热力学第二定律的表述有多种，都反映同一客观规律，而每一种说法又都紧密地与自然界的具体现象相联系。下面介绍两种与热能的传递和转换联系紧密的经典说法。（1）开尔文）开尔文普朗克（普朗克（KelvinPlank）表述）表述：不可能制造从单一热源取得热量使之完全变成机械能而不引起其他变化的热机。
22、这种说法指明，从某热源取得的热量不能全部变成机械能。要使热能连续不断地变为机械能，必须有一部分热能从高温热源流向低温热源（即式(2.58)中的q2不为零），这就是热能变为机械能的不可或缺的补偿过程。换句话说，即热机效率永远小于100%。2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介81过去曾有人试图制造一种使工质可以无偿地从大气或海水中吸取热量并使之全部转变为功的机器，即所谓的“第二类永动机”。此种机器并不违反热力学第一定律，但它违反了热力学第二定律：单热源的热机是不存在的。（2）克劳修斯（）克劳修斯（Clausius）表述）表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。这种说法指出
23、了热传递过程的方向性：热可以自发地从高温物体传向低温物体；反之，则是非自发的，需要消耗其他能量作为补偿来实现。热力学第二定律还有很多种表述，但实质上是一致的，都说明了自发过程是有方向性的，非自发过程必须在一定条件下才能进行。2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介82另外，按开尔文普朗克表述我们还可以认识到，能量不单有数量的守恒（热力学第一定律），而且还存在质量的差异。因为我们知道，机械能可以百分之百地转化为热，而热机却不能百分之百地将热能转变为机械能。所以，同样是能量，但能的存在形式不同，其品质（即可用性）也不同，电能、机械能的可用性远优于热能。因此热能有时被称为低级能。同样是热量，其存
24、储的温度越是远离自然环境温度（不论高于还是低于），则其可用性就越好。因为存储于大气和海水中的热能几乎无法再被利用。我们平常所讲的“能耗”、“机械能损失”、“能耗枯竭”的意思，并非是指能的“量”的缺失，而是指能的质的贬低，即在一定程度和范围内能的可用性的缺失或降低。2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介83热力学第二定律已指明热机效率不可能达到100%，那么在一定的高、低温热源之间热机循环效率最高能达到多少呢？法国工程师卡诺（Carnot）于1842年从理论上解决了这个问题。2.5.3.1 卡诺循环及其热效率卡诺循环及其热效率卡诺提出的理想热机循环是工作于两个恒温热源T1与T2之间、由两个
25、可逆等温过程和两个可逆绝热（等熵）过程所组成的可逆正向循环。如图2.18所示，图中ab为等温吸热膨胀过程；bc为等熵绝热膨胀过程；cd为等温放热压缩过程；da为等熵绝热压缩过程。2.5.3 2.5.3 卡诺循环与卡诺定律卡诺循环与卡诺定律卡诺循环与卡诺定律卡诺循环与卡诺定律2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介84对于1 kg工质，在ab过程中从高温热源吸收热量q1，并对外做膨胀功，温度T1不变；在bc过程中，工质对外做膨胀功，温度由T1降至T2；在cd过程中，工质被等温压缩，并在T2温度下放出热量q2;在da过程中，工质被等熵绝热压缩，温度由T2升至T1；返回初始状态点a，完成一个循环
26、。P-v图上面积Sabcda 就是循环输出净功。由T-s图可得：q1=T1(sb-sa)q2=T2(sc-sd)2.18 卡诺循环卡诺循环(a)p-v图；图；(b)T-s图图 2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介852.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介862.5.3.2 逆向卡诺循环及其性能系数逆向卡诺循环及其性能系数逆向卡诺循环在p-v图和T-s图上的表示如图2.19所示。对于1 kg工质，在dc过程中从低温源T2吸热q2，在ba过程中向高温热源T1放热q1。整个循环过程中外界输入压缩净功为w0。图图2.19 逆卡诺循环逆卡诺循环(a)p-v图；图；(b)T-s图图 2.5
27、热力学第二定律简介热力学第二定律简介872.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介882.5.3.3 卡诺定理卡诺定理卡诺定理可表述为：（1）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切热机，可逆热机的热效率最高。（2）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其热效率相等，而与所用工质的种类无关。【例例2.7】假设需某热泵以逆卡诺循环向室内供热1.6 kW,若室内温度t1=18,室外温度t2=-10,求：(1)该热泵每小时需从大气中吸取多少热量?(2)热泵所耗功率是多少?(3)若直接用电采暖,需耗电多少?2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介892.5.4.1 熵熵2
28、.5.4 2.5.4 熵与熵增原理熵与熵增原理熵与熵增原理熵与熵增原理2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介902.5.4.2 熵增原理熵增原理2.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介912.5 热力学第二定律简介热力学第二定律简介92R RE E G GONG ONG X XUE UE J JI I C CHUHU高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材武汉理工大学出版社发行部武汉理工大学出版社发行部http:/http:/地地 址：武汉市武昌珞狮路址：武汉市武昌珞狮路122122号号邮邮 编：编：430070430070电电 话：话：027-87394412 87383695027-87394412 87383695传传 真：真：027-87397097027-87397097热工学基础93