【正文】 本章目的 ： 學(xué)習(xí)熱力學(xué)基本原理和方法。 本章要求 ： 1. 正確理解并熟練應(yīng)用流動過程熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式 2. 正確理解并熟練掌握熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，了解熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度； 3. 掌握熵變的計算，并運用熵增原理判斷實際過程進(jìn)行的方向和限度。 第 2章 熱力學(xué)基本定律 1 用熱力學(xué)方法分析和解決工程實際問題的理論基礎(chǔ)是 熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)第二定律。 在 “ 物理化學(xué) ” 課程中我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過熱力學(xué)兩大定律，利用這兩大定律可以計算過程的熱和功，以及判斷過程的方向和限度。 第 2章 熱力學(xué)基本定律 2 但 《 物理化學(xué) 》 中 著重 介紹兩大定律在封閉系統(tǒng) 中的應(yīng)用，而在實際工程應(yīng)用中大量遇到的是 敞開體系 ，這類體系中進(jìn)行的是 流動 過程，因此在工程熱力學(xué)課程中進(jìn)一步討論兩大定律對流動過程的應(yīng)用。 第 2章 熱力學(xué)基本定律 3 熱力學(xué)第一定律的實質(zhì) 能量的傳遞形式 封閉系統(tǒng)的能量方程 敞開系統(tǒng)的能量方程 穩(wěn)定流動能量方程 熱力學(xué)第二定律的實質(zhì) 卡諾循環(huán) 多熱源的可逆循環(huán) 熵與克勞修斯不等式 孤立系統(tǒng)熵增原理 第 2章 熱力學(xué)基本定律 4 自然界的物質(zhì)是千變?nèi)f化的，但就其數(shù)量來說是不變的 — 質(zhì)量守恒； 自然界中能量具有多種形式，它們既不能創(chuàng)造，也不能被消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，且在轉(zhuǎn)化的過程中總能量保持不變 — 能量守恒。熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)就是明確表達(dá)了能量守恒與轉(zhuǎn)化的規(guī)律。 熱力學(xué)第一定律的實質(zhì) 5 能量守恒定律用數(shù)學(xué)式來表示就是 Δ (系統(tǒng)的能量 )+Δ (環(huán)境的能量 )=0 或 Δ (系統(tǒng)的能量 )= Δ (環(huán)境的能量 ) 對任一熱力系統(tǒng)，熱力學(xué)第一定律可表示為 進(jìn)入系統(tǒng)的能量 離開系統(tǒng)的能量 =系統(tǒng)儲存能量的增量 熱力學(xué)第一定律的實質(zhì) 6 能量的傳遞形式 能量 定義為做功的容量。自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量的形式多種多樣，且相互之間可以進(jìn)行轉(zhuǎn)化。在能量轉(zhuǎn)化的過程中，能量傳遞的形式有三種： ? 做功 ? 傳熱 ? 儲存能 由進(jìn)入或離開系統(tǒng)的物質(zhì)帶入或帶出的其本身所具有的能量 7 功 : 在熱力過程中， 由于存在著除溫度以外的其它位的梯度 (如壓力差 )，在系統(tǒng)和環(huán)境間傳遞著的能稱為功?；蛘哒f 系統(tǒng)與外界相互作用而傳遞的能量，若其全部效果可表現(xiàn)為 使外界物體改變宏觀運動狀態(tài) ，則這種傳遞的能量稱為功。 在熱力學(xué)中因做功的方式不同，有各種形式的功，如機械功、電功、化學(xué)功、表面功、磁功等。 熱力學(xué)中規(guī)定， 系統(tǒng)對外做功取為正值，外界對系統(tǒng)做功取為負(fù)值。 能量的傳遞形式 8 熱 :系統(tǒng)與外界之間僅僅由于溫度不同而傳遞的能量稱為熱量。 當(dāng)熱加到某體系統(tǒng)以后，其貯存的不是熱，而是增加了該系統(tǒng)的內(nèi)能。有人形象化地把 熱比作雨 ，而把 內(nèi)能比作池中的水 ，當(dāng)系統(tǒng)吸熱而變?yōu)槠鋬?nèi)能時，猶如雨下到池中變成水一樣。 熱力學(xué)中規(guī)定，系統(tǒng)吸熱為正，系統(tǒng)放熱為負(fù)。 能量的傳遞形式 9 功與熱的聯(lián)系 宏觀上，功和熱是能量的兩種傳遞形式 ，是在狀態(tài)變化的過程中體現(xiàn)出來的，因此它們不是系統(tǒng)的能量，而是 過程的函數(shù) ，為了與狀態(tài)函數(shù)區(qū)別開來。微分量用 δ W和 δ Q表示，而積分量用 W和 Q表示。 能量的傳遞形式 10 功與熱的區(qū)別 應(yīng)當(dāng)注意，熱和功雖然是能量傳遞的形式，但它們之間存在著根本的區(qū)別。 當(dāng)外界對系統(tǒng)或系統(tǒng)對外界 作功時 ，系統(tǒng)和外界物體發(fā)生 宏觀的相對位移 ；而系統(tǒng)與外界進(jìn)行 熱交換時 ，二者之間 沒有相對的宏觀位移 ，熱交換是由于系統(tǒng)和外界之間存在的溫度差而產(chǎn)生的，此種形式的能量傳遞是通過 微觀分子碰撞或熱輻射 完成的。因此，盡管熱量也是能量傳遞的宏觀形式，但它與物質(zhì)的微觀運動有密切的聯(lián)系。 能量的傳遞形式 11 能量的傳遞形式 儲存能 :是 物質(zhì)本身具有的能 量。儲存能分為 外部儲存能 和 內(nèi)部儲存能 兩類。即 系統(tǒng)的總能 量 為 ?外部儲存能 ：是與系統(tǒng)整體宏觀運動有關(guān)的能量，它分為 動 能和位能 兩種。 ?內(nèi)部儲存能 ： 儲存于系統(tǒng)內(nèi)部的能量，即 內(nèi)能 ，它與物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及微觀運動形式有關(guān)， 包括物理內(nèi)能、化學(xué)內(nèi)能和核能 。內(nèi)能代表著微觀水平的能的形式，沒有絕對值，而只能計算出它的變化。 UEEE pk ??? ueee pk ??12 能量的傳遞形式 為了便于下面能量平衡方程的討論，我們簡單回顧一下有關(guān)系統(tǒng)的概念 功 封閉系統(tǒng)（限定質(zhì)量系統(tǒng)） 與環(huán)境僅有能量交換，而無質(zhì) 量交換，系統(tǒng)內(nèi)部是固定的。 敞開系統(tǒng)（限定容積體系） 熱 與環(huán)境既有能量交換也有質(zhì)量 功 交換。由于敞開系統(tǒng)與環(huán)境有物 流體 質(zhì)交換，因此，體系內(nèi)部的物質(zhì) 流體 是不斷更新的，敞開體系實際是 以一定空間范圍為研究對象的。 熱 13 《 物理化學(xué) 》 中已經(jīng)討論了 封閉系統(tǒng) 的能量平衡方程，形式為 對單位質(zhì)量流體 式中 w為體積膨脹功，對于可逆過程 封閉系統(tǒng)的能量方程 13)(2 WQU ????? 21vvR pdvw 15)(2 wqu ???14 ? 作業(yè)： P39習(xí)題 4 ? 答案： 4. W= kJ/s, Wt= kJ/s, N= kW 封閉系統(tǒng)的能量方程 tttwpvuwqhwpvwwuq??????????????)( )( :或提示15 敞開系統(tǒng)的能量方程 112dm221dx1dm11,vpQ? sW?1Z Z22,vp敞開體系流程圖 基準(zhǔn)面 換熱器 透平機 16 物料平衡方程 ?? ?? 進(jìn)入系統(tǒng)的量 離開系統(tǒng)的量 =系統(tǒng)積累的量 可得到體系物料平衡的微分式 體系dmdmdm ?? 21 敞開系統(tǒng)的能量方程 17 能量平衡方程 ?? 能量的分析 儲存 能 ： 熱量： 功： ,即 流動功，是推動工質(zhì)進(jìn)行宏觀位移所做的功， 只有在流動過程中才能體現(xiàn) 。 ， 單位流體通過機器時所作的功 敞開系統(tǒng)的能量方程 gzcue ??? 22Q? pvAvApwf ?????? 則單位質(zhì)量流體距離力功sW?18 能量平衡方程 ： 在 時間內(nèi) ? 進(jìn)入系統(tǒng)的能量 =微元體帶入的能量 +環(huán)境對微元體所作的流動功 +環(huán)境傳入的熱量 = 離開系統(tǒng)的能量 =微元體帶出的能量 +流體對環(huán)境所作的流動功 +體系對環(huán)境所作的軸功 =? 系統(tǒng)儲存能量的增量 = Qdmvpdme ??? 11111 敞開系統(tǒng)的能量方程 sWdmvpdme ??? 22222 ? ?meddE ??d19 能量平衡方程式為 以 h表示流體的焓值 dEWdmvpdmgzcuQdmvpdmgzcus????????????????????????????????????????222222221111121122 敞開系統(tǒng)的能量方程 pvuh ??20 以單位時間為基準(zhǔn) 式中 21)(2 2212 12112222 EWQqgzchqgzchsmm ??? ???????????????????????? 敞開系統(tǒng)的能量方程 量流量。為進(jìn)入和離開系統(tǒng)的質(zhì)；為系統(tǒng)儲存能的增加率為系統(tǒng)輸出的軸功率；為系統(tǒng)的吸熱速率； 。 2121???????ddmqddmqddEEdWWdmmss????????21 敞開系統(tǒng)的能量方程 在以上推導(dǎo)過程中沒有任何條件限制，所以能量平衡方程式 （ 221） 不受流體屬性的限制，也不受其過程的限制。在實際過程中，能量平衡方程可以進(jìn)行適當(dāng)簡化，下面我們就具體討論能量平衡方程的應(yīng)用。 22 穩(wěn)定流動能量方程 穩(wěn)定流動能量方程 穩(wěn)流過程 敞開體系中發(fā)生的過程為流動過程，如果流動過程進(jìn)行時，系統(tǒng)內(nèi)任一點工質(zhì)的狀態(tài)都 不隨時間而變 ，則此過程稱為 穩(wěn)定流動過程 ，簡稱 穩(wěn)流過程 。穩(wěn)流系統(tǒng)應(yīng)滿足的條件： ① 進(jìn)出體系物料的質(zhì)量流量相等 ， 即 ② 系統(tǒng)中任一點的熱力學(xué)參數(shù)都不隨時間而變 。 ③ 系統(tǒng)內(nèi)沒有能量的積累 ， 即系統(tǒng)與環(huán)境交換的功和熱也不隨時間而變化 。 則 22211121 vAcvAcqqqmmm ????0?E?23 穩(wěn)定流動能量方程 24)(2 22 12112222 sm WQqgzchgzch ?? ???????????????? ??????????? ??式 (221) 可 簡化為 對單位質(zhì)量流體 或 化工生產(chǎn)中大都為穩(wěn)定流動體系 ? ? ? ? ? ? 25)(2 21 12212212 swqzzgcchh ???????? ? ? ? ? ? ? ? 26)(2 21122122112212 swqzzgccvpvpuu ?????????24 穩(wěn)定流動能量方程 應(yīng)用以上各式時要注意以下幾點： ?? ⑴單位要一致，且用國際單位制，若用工程單位制，所得公式與此式不同； ?? ⑵式中 Q和 ws為代數(shù)值，即： Q以系統(tǒng)吸熱為正，以系統(tǒng)輸出功 (系統(tǒng)對環(huán)境做功）為正；⑶應(yīng)用條件是穩(wěn)定流動系統(tǒng)，不受過程是否可逆或流體性質(zhì)的影響。 25 能量方程的分析 比較式 (215)和式 (226)，可以看出 式中 w可視為由熱量轉(zhuǎn)變來的機械能。 對于非流動過程 w為體積功； 對于流動過程 ， w為流體的流動凈功、動位能增量及通過熱力設(shè)備輸出的軸功三部分之和。 穩(wěn)定流動能量方程 28)(2 21 2swzgcpvw ???????26 穩(wěn)定流動能量方程 技術(shù)功 在流動過程中，可以利用的機械能成為技術(shù)功。即 則穩(wěn)定流動能量方程還可表示為 29)(2 21 2 st wzgcpvww ????????31)(2 twqh ???27 對于可逆過程 而 所以 ? ?pvdpdvW t ?? ??? ? vdppdvpvd ????? 32)(2 vdpW t 穩(wěn)定流動能量方程 ab01 234 vvdppdv技術(shù)功的計算圖 72 ?28 穩(wěn)定流動能量方程的 應(yīng)用與簡化 ⑴對化工機器：如膨脹機、壓縮機等 則 ⑵對化工設(shè)備：如反應(yīng)器、熱交換器、傳質(zhì)設(shè)備、閥門、管道等 則 0 021 2 ???? zgCSwqh ??? 穩(wěn)定流動能量方程 0w 0 021 s2 ????? zgCqh ??29 ?? 這個式子的物理意義表現(xiàn)在：體系狀態(tài)變化，如發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、相變化、溫度變化時與環(huán)境交換的熱量（反應(yīng)熱、相變熱、顯熱）等于體系的焓差。 這里 Q是過程函數(shù)，不是狀態(tài)函數(shù)，與過程的途徑有關(guān)，不易計算，當(dāng) 時，則可由熱量衡算式 將熱量的計算與體系的狀態(tài)函數(shù)相關(guān)聯(lián)，就可以解決熱量計算的問題了。 0?