【正文】 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 基準面 換熱器 透平機 16 物料平衡方程 ?? ?? 進入系統(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)進行宏觀位移所做的功， 只有在流動過程中才能體現(xiàn) 。 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。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。即 系統(tǒng)的總能 量 為 ?外部儲存能 ：是與系統(tǒng)整體宏觀運動有關的能量，它分為 動 能和位能 兩種。 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。 當外界對系統(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。微分量用 δ W和 δ Q表示，而積分量用 W和 Q表示。 熱力學中規(guī)定，系統(tǒng)吸熱為正，系統(tǒng)放熱為負。 當熱加到某體系統(tǒng)以后，其貯存的不是熱，而是增加了該系統(tǒng)的內(nèi)能。 熱力學中規(guī)定， 系統(tǒng)對外做功取為正值，外界對系統(tǒng)做功取為負值?；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。自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量的形式多種多樣，且相互之間可以進行轉(zhuǎn)化。熱力學第一定律的實質(zhì)就是明確表達了能量守恒與轉(zhuǎn)化的規(guī)律。 第 2章 熱力學基本定律 2 但 《 物理化學 》 中 著重 介紹兩大定律在封閉系統(tǒng) 中的應用，而在實際工程應用中大量遇到的是 敞開體系 ，這類體系中進行的是 流動 過程，因此在工程熱力學課程中進一步討論兩大定律對流動過程的應用。 第 2章 熱力學基本定律 1 用熱力學方法分析和解決工程實際問題的理論基礎是 熱力學第一定律 熱力學第二定律。本章目的 ： 學習熱力學基本原理和方法。 本章要求 ： 1. 正確理解并熟練應用流動過程熱力學第一定律的數(shù)學表達式 2. 正確理解并熟練掌握熱力學第二定律的數(shù)學表達式，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行的方向和限度。 在 “ 物理化學 ” 課程中我們已經(jīng)學習過熱力學兩大定律，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 熱力學基本定律 3 熱力學第一定律的實質(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。 熱力學第一定律的實質(zhì) 5 能量守恒定律用數(shù)學式來表示就是 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)，熱力學第一定律可表示為 進入系統(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。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。 在熱力學中因做功的方式不同，有各種形式的功，如機械功、電功、化學功、表面功、磁功等。 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。有人形象化地把 熱比作雨 ，而把 內(nèi)能比作池中的水 ，當系統(tǒng)吸熱而變?yōu)槠鋬?nèi)能時，猶如雨下到池中變成水一樣。 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。 能量的傳遞形式 10 功與熱的區(qū)別 應當注意，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。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。儲存能分為 外部儲存能 和 內(nèi)部儲存能 兩類。 ?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， 包括物理內(nèi)能、化學內(nèi)能和核能 。 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。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。 ， 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 式中 21)(2 2212 12112222 EWQqgzchqgzchsmm ??? ???????????????????????? 敞開系統(tǒng)的能量方程 量流量。 2121???????ddmqddmqddEEdWWdmmss????????21 敞開系統(tǒng)的能量方程 在以上推導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。 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 。 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 。 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。 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。 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，不易計算，當 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)相關聯(lián)，就可以解決熱量計算的問題了。因此，節(jié)流膨脹過程為等焓過程， 即 則 0??h31 ⑷對噴嘴 如 噴射器 ，是通過改變流體截面以使體的動能與內(nèi)能發(fā)生變化的一種裝置。若空氣流量為 100kg/s，試計算：①壓縮機功率；②噴管出口流速 c4；③汽輪機功率；④整套裝置功率。 解： ①水泵功率 P1,t1 P2,t2 △ Z=40 m qV= d1= d2= 35 穩(wěn)定流動能量方程 ②焓變 注意： 化工原理穩(wěn)定流動連續(xù)性方程只適用于液體 36 作業(yè)： P39習題 6 答案： 6. (1)NC=7000kW, (2)m燃 =(3)NT=11891kW, (4)N=4891kW 。凡違背熱力學第一定律的過程一定不會發(fā)生，但不違背熱力學第一定律的過程是否一定會自發(fā)發(fā)生呢？ 這個問題熱力學第一定律是回答不了的，必須用熱力學第二定律。 熱力學第二定律的實質(zhì) 38 基本概念 ?? 自發(fā)過程 ： 是不消耗功即可進行的過程。自然界中類似的自發(fā)過程的進行有一定的方向性。 如：炎熱的夏天，水變成冰就是非自發(fā)過程， 而寒冷的冬天，水變成冰就是自發(fā)過程。 例 2 換熱過程 Q吸 =Q放 ，第一定律無法解釋高溫流體轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏亓黧w的能量損失。 ?熱力學第一定律的缺陷 （ 1） 熱力學第一定律只能確定能量的數(shù)量利用，無法確定能量的質(zhì)量利用。 熱力學第二定律的實質(zhì) 40 熱力學第二定律的實質(zhì) 熱力學第二定律的表述與實質(zhì) ?克勞修斯 (Clausius)說法 熱量不可能自動地 、 無償?shù)貜牡蜏匚矬w傳至高溫物體 。熱量傳遞的方向性是指高溫物體可自發(fā)向低溫物體傳熱，而低溫物體向高溫物體傳熱則必須消耗功。 41 ?開爾文 普朗克 (Kelvin— Plank)說法 不可能制成一種循環(huán)動作的熱機，只從一個熱源吸取熱量，使之全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉?，而其他物體不發(fā)生任何變化。熱機把從高溫熱源吸收熱量的一部分轉(zhuǎn)變成功是以向低溫熱源放熱這個自發(fā)過程為補充條件的。 要使非自發(fā)過程得以實現(xiàn)，必須伴隨一個適當?shù)淖园l(fā)過程作為補充條件。 熱力學第二定律的實質(zhì) 43 卡諾 (Carnot)循環(huán)是熱力學的基本循環(huán)，它由四個可逆過程組成，解決了工質(zhì)從高溫熱源吸收的熱量轉(zhuǎn)換為功的最大限度。 卡諾循環(huán) 44 Carnot熱力循環(huán)的 4個過程 如下： ①可逆等溫膨脹 1→2 ，工作介質(zhì)蒸發(fā)，吸熱 QH ② 可逆絕熱膨脹 2→3 ，做功 ③ 可逆等溫壓縮 3→4 ，工作介質(zhì)冷凝，放熱 QL ④ 可逆絕熱壓縮 4→1 ，消耗功 卡諾循環(huán) 23 SW S S?產(chǎn) ，41 SW S S?耗 ，45 卡諾循環(huán) 根據(jù)熱力學第一定律，定義熱轉(zhuǎn)化為功的效率 (即熱效率） ?? 熱力學第一定律 ?? 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