1、LOGO高等工程热力学高等工程热力学主讲：王春华主讲：王春华Contents基本概念基本概念1热力学第一定律热力学第一定律2热力学第二定律和熵热力学第二定律和熵3有效能和功函数有效能和功函数第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律2.1作用 功 热量 传质能 传递势v （1）作用u发生在热力系和外界之间，能引起系统状态变化的 相互作用。u本质是能量交换。u能量交换的基本形式：作功、传热和传质v （2）功u在力的作用下，通过宏观有序运动而传递的能量，以W 表示，单位焦耳，符号为J。u机械功：l 是一个强度参数（作用力F）和广延参数（位移dx）的乘积u广义功：各种模式的功，等于广义力广义位移。u
2、当系统存在多种模式的功时ddWFxdiiWX x1i v 注意：uW在传递中才有意义，一旦越过边界，就成为外界的能量uW是过程量，与初终状态有关，还与过程有关。 对于过程中每一点都是平衡态时：u系统对外做功为正，外界对系统做功为负。u热力系通常是通过容积变化来实现功的传递的，称为容积变化功或体积功。 如活塞膨胀作功： 力：F=pA 位移：dL W=pAdL，称为容积功或体积功21pdVVWVv 在准静态可逆过程中，对外做功由系统内部参数决定的，不用考虑外界因素。v 对于理想气体，温度恒等时各种过程的体积功v （3）热量u在温差作用下，通过微观粒子无序运动传递的能量。u也是一个强度参数（温度T）
3、和广延参数（熵S）的乘积。u也是热容与其温差的乘积u过程量u系统吸热为正，放热为负。21ddQT SQT S21dddQmc TQmc Tv （4）传质能u系统和外界通过物质交换所传递的能量u开口系中物质的流入和流出、吸附和逸出 如：溴化锂溶液对外界水蒸气的吸附u也可延伸到封闭系统的化学反应和相的增减 如：氢气和氧气反应生成水 如：蒸发器中液体工质蒸发为气体v 也可看作是一个强度量和一个广延量的乘积u传质能也可看作是一个强度量和一个广延量的乘积l 强度量： 单组分系统：一般用比能e 开口系：一般用比焓h 多组分系：化学势il 广延量：系统中某组分物质的量 摩尔数ni 质量u开口系的传质能u含有
4、k种物质的多组分系中的总传质能：u多组分系从状态1变化到状态2时。总传质能变化：v （5）传递势u系统的势强度参数具有的传递能量的潜力u热力系中有三个势强度参数l 压力：作功的势强度参数l 温度：传热的势强度参数l 化学势：改变组分量的传质能的势强度参数u比能、比焓不是势强度参数，是比势强度参数l 是压力、温度的函数2.2 过程、准静态过程、可逆过程v （1）过程u热力过程：由于平衡被破坏，从某个平衡态变到另一个平衡的过程。l 必须始、终态都是平衡态，否则不归热力学范畴 平衡态可用状态参数表示 变化中的状态则不能l 过程中可能是平衡态或非平衡态 对于非平衡态，热力学只研究其始、终态的变化。平衡
5、状态平衡状态平衡状态平衡状态变化过程变化过程15准平衡过程准平衡过程 （quasistatic process）准平衡过程（准静态过程）准平衡过程（准静态过程） ： 假设过程中系统所经历的每一个状态都假设过程中系统所经历的每一个状态都无限接近于无限接近于 平衡状态的过程。平衡状态的过程。16一般过程一般过程1、若、若p1 = p0+ +重物重物 为平衡状态为平衡状态1 1pp03、当当p2 = p0 达到新的达到新的平衡状态平衡状态2pv12. . .2、突然去掉重物突然去掉重物 则则 p1 p0 活塞上行活塞上行 中间状态：中间状态：不平衡状态不平衡状态 中间过程：中间过程：不平衡过程不平衡
6、过程17准静态过程准静态过程p1 = p0+ +重物重物p，Tp0假如重物有无限多层假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层每次只去掉无限薄一层pv12. . . .系统随时接近于平衡态系统随时接近于平衡态18实现条件实现条件 ： 推动过程进行的推动过程进行的势差（温差，压差）无限小势差（温差，压差）无限小，保证系统在任意时刻皆保证系统在任意时刻皆无限接近于无限接近于平衡状态。平衡状态。特点：特点： 是实际过程进行的无限缓慢的极限情况，是热是实际过程进行的无限缓慢的极限情况，是热力学意义上的缓慢。力学意义上的缓慢。好处：好处： （1）可用确切的状态参数描述过程；）可用确切的状态参数描述过程； （
7、2）可在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程）可在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程驰豫时间驰豫时间 （relaxation time） 当工质在平衡被破坏后，自动恢复到当工质在平衡被破坏后，自动恢复到平衡所需时间。平衡所需时间。19准静态过程的工程条件准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）系统状态的变化速度小于系统恢复平衡的系统状态的变化速度小于系统恢复平衡的速度，系统化速度，系统化有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准准静态过程静态过程20准静态过程的工程应用准静态过程的工程应用例：例
8、： 活塞式内燃机中，活塞运动速度为10m/s压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程一般的工程过程都可认为是准静态过程21可逆过程可逆过程 （reversible process） 可逆过程： 系统经历某一过程后，如果令过程沿相同的路径而能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。 实现条件：实现条件： 过程是准静态过程，即过程所过程是准静态过程，即过程所涉及的有相互作用的各物体之间的涉及的有相互作用的各物体之间的
9、不平衡势差为无限小。不平衡势差为无限小。 过程中不存在耗散效应过程中不存在耗散效应 p A pext AF 21F=0耗散效应耗散效应： 通过摩擦，粘性扰动，温差传热通过摩擦，粘性扰动，温差传热等消耗功或潜在作功能力的损失等消耗功或潜在作功能力的损失22 可逆过程与准静态过程的关系可逆过程与准静态过程的关系区别：二者的着眼点不同。区别：二者的着眼点不同。 准静态：准静态： 只只着眼于工质内部的平衡着眼于工质内部的平衡，有无外部的机械，有无外部的机械 摩擦（耗散）对工质内部的平衡并无影响摩擦（耗散）对工质内部的平衡并无影响 可逆过程：可逆过程： 分析工质与外界作用所产生的总效果。分析工质与外界作
10、用所产生的总效果。 不仅强调工质内部的平衡，而且要求工质与不仅强调工质内部的平衡，而且要求工质与 外界作用可以无条件地逆复，过程进行时不存外界作用可以无条件地逆复，过程进行时不存 在任何能量的耗散。在任何能量的耗散。23引入可逆过程的意义引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的理想化过程，准静态过程是实际过程的理想化过程， 但并非最优过程，可逆过程是最优过程。但并非最优过程，可逆过程是最优过程。 可逆过程的功与热完全可用系统内工质可逆过程的功与热完全可用系统内工质 的状态参数表达，可不考虑系统与外界的状态参数表达，可不考虑系统与外界 的复杂关系，易分析。的复杂关系，易分析。 实际过程不是可逆
11、过程，但为了研究方实际过程不是可逆过程，但为了研究方 便，先按理想情况（可逆过程）处理，便，先按理想情况（可逆过程）处理， 用系统参数加以分析，然后考虑不可逆用系统参数加以分析，然后考虑不可逆 因素加以修正。因素加以修正。2.3 热力学第一定律v （1）热力学第一定律的一般表述u热力系内物质的能量可以传递，其形式可以转换，在转换和传递过程中各种形式能量的总量保持不变。l 总能E包括 热力学能U（内能） 宏观势能EZ（势能） 宏观动能EKl 比总能l 由于能量决定系统的状态总能是状态参数 热力学能是状态参数 势能、动能不是u系统与外界交换的传质能Em包括两部分：l 组分不变的进出口边界物质流引起
12、的系统能量变化量Em,fl 系统组分和外界组分存在化学势差造成系统组分变化，而引起的系统能量变化量Em,ef流体所携带的比总能；mf系统与外界交换的工质质量；i组分的化学势；ni组分量u热力学第一定律的表达式： 两状态之间： 微分表达式： 两状态之间能量的差值 Q、W本身就是过程量，不用再加 过程量的微小增量 d系统热力函数的微分量v (2)闭口系统的热力学第一定律u闭口系，单组分单相系或多组分均相系l 没有物质交换l 忽略宏观动能和宏观位能u微分表达式u从状态1到状态u对于一个循环，初终态相同l 产生一定量的净功必然消耗一定量的净热u热力学第一定律的另外说法l 不消耗能量作功的装置（第一类永
13、动机）是不可能制成的l 在热力系统的两个给定稳定态之间一切绝热过程的功是相同的。典型例子气体在汽缸内膨胀推动活塞移动而作功，闭口系对外界作的功是膨胀功 开口系对外界做的有用功，包括轴功，以及除了流动功之外的其他功v （3）开口系的热力学第一定律u1）开口系的模型l 图2-2l 在t时间内 系统与外界交换的功Wo （下标o表示开口系）， 包括两部分： 系统对外输出净功Wnet 进出口推出推入物质的流动功Wf 从外界吸收热量Q 流入流出系统的质量min、mout 系统由状态1变为状态u2）质量方程 t时间内系统质量变化u3）能量方程u4）功方程l 流动功Wf推入推出进出口边界的质量作功的差值即系统
14、维持其自身流动所需付出的功l 净功Wnet对外输出的有用功即除流动功以外的全部对外做功一般流体机械净功就是轴功v 无组分变化时开口系的热力学第一定律表达式v 5）焓Hu上式中表示流动项有（e+pv）u比总能e包含热力学能u、动能和位能u定义：焓H=U+pV或比焓h=u+pvu因u、p、v均是状态参数，则焓也是状态参数u焓等于内能加流动功v （5）开口系的技术功Wt 单位质量闭口系： 当闭口系和开口系吸热量q相同时，有 由焓的定义，比焓的微分式 又 得：v 定义技术功v 前两项动能和位能均有对外作功的能力v 第三项为实际对外作功的净功v 技术功的物理意义：v 开口系可以对外界作功或开口系所具有的有用功对于图2-3，对可逆过程1-2，可对其积分：而膨胀功：由图可知， 说明膨胀功包括了技术功和推动功 技术功、净功、推动功均来源于膨胀功图2-3 膨胀功和技术功v （6）开口系的能量方程将技术功代入式（2-34）则开口系的能量方程：微元过程：LOGOClick to edit company slogan .
