能量转换的基本概念和基本定律课件

第二章第二章 能量能量转换转换的基本概念的基本概念 和基本定律和基本定律1a第二章 能量转换的基本概念1a第一第一节节 基本概念基本概念一一 热热力系和工力系和工质质 1、热热力系力系 热热力学中所研究的力学中所研究的对对象称象称为热为热力学系力学系统统，简简称称热热力系。力系。2a第一节 基本概念一 热力系和工质2a常常见见的的热热力系力系 (1)、闭闭口系：口系：热热力系与外界没有物力系与外界没有物质质交交换换。（。（C.M)(2)、开口系：、开口系：热热力系与外界有物力系与外界有物质质交交换换。(C.V)(3)、绝热绝热系：系：热热力系与外界无力系与外界无热热量交量交换换。(4)、孤立系：、孤立系：热热力系与外界既无能量交力系与外界既无能量交换换又无物又无物质质交交换换。(5)、简单简单可可压缩压缩系：系：热热力系与外界只有一种体力系与外界只有一种体积变积变化功的交化功的交换换。(6)、热热源：无限大的源：无限大的热库热库，吸入，吸入热热量和放出量和放出热热量后，温度不量后，温度不变变。3a常见的热力系 (1)、闭口系：热力系与外界没有物质交换。热热力系力系边边界的特点界的特点固定固定边边界界移移动边动边界界真真实实的的边边界界面界界面假想的空假想的空间间界面界面4a热力系边界的特点固定边界4a2、工、工质质 实现实现能量相互能量相互传递传递与与转换转换的物的物质质（介（介质质）称）称为为工工质质。如：水蒸汽、如：水蒸汽、内燃机中工作的燃气内燃机中工作的燃气 制冷制冷剂剂 常用的气常用的气态态物物质质等。等。5a2、工质 实现能量相互传递与转换的物质（介质二二 平衡状平衡状态态及基本状及基本状态态参数参数1、平衡状、平衡状态态 在没有外界影响的条件下，在没有外界影响的条件下，热热力系的宏力系的宏观观性性质质不随不随时间变时间变 化的状化的状态态称称为为平衡状平衡状态态（平衡（平衡态态）。）。若系若系统统的各部分之的各部分之间间没有没有热热量量传递传递,则则系系统处统处于于热热平衡平衡.若系若系统统的各部分之的各部分之间间没有相没有相对对位移位移,则则系系统处统处于于力平衡力平衡.处处于平衡于平衡态态的的热热力系，各力系，各处应处应具有均匀一致的温度、具有均匀一致的温度、压压力力等宏等宏观观物理量。物理量。实现实现热热力平衡力平衡态态的条件（无化学反的条件（无化学反应应等其它不平衡等其它不平衡势势）：）：温度平衡（温度平衡（热热平衡）。平衡）。压压力平衡（力平衡）。力平衡（力平衡）。处处于平衡于平衡态态的的热热力系可用确定的力系可用确定的压压力、温度等宏力、温度等宏观观的物的物 理理量来描述。量来描述。6a二 平衡状态及基本状态参数1、平衡状态6a2、状、状态态参数及其特点参数及其特点状状态态参数；参数；描述描述热热力系力系统统所外状所外状态态的宏的宏观观物理量。物理量。状状态态参数的特征：参数的特征：只取决于状只取决于状态态，与，与过过程（路径）无关。程（路径）无关。数学特征数学特征 强强度量状度量状态态参数：参数：与系与系统统内所含工内所含工质质数量无关的状数量无关的状态态参数。参数。广延量状广延量状态态参数：参数：与系与系统统内所含工内所含工质质数量有关的状数量有关的状态态参数。参数。7a2、状态参数及其特点状态参数；强度量状态参数：7a3、基本状、基本状态态参数参数(1)、比体、比体积积 单单位位 m3/kg 密度密度8a3、基本状态参数(1)、比体积8a (2)、压压力（力（压压强强）单单位：位：Pa压压力的国力的国际际制制单单位：位：1 MPa=103 kPa=106 Pa其它非国其它非国际际制制压压力力单单位：位：标标准大气准大气压压 atm：1 atm=101325 Pa 工程大气工程大气压压 at(kgf/cm2);：1 at=9.8067104Pa 巴巴 bar，毫巴，毫巴mbar 1 bar 1000 mbar105 Pa 毫米汞柱毫米汞柱 mmHg：1mmHg133.32 Pa 毫米水柱毫米水柱 mmH2O：1mmH2O9.8067 Pa9a (2)、压力（压强）9a 压压力的力的测测量（量（1）当当 p pb 时时，p=pb+pg p g 称称为为表表压压（压压力表）力表）当当 p pb 时，p=压压力的力的测测量（量（2）p=pb+pg=pb+gh p=pb pv=pb gh pg:表表压压 pv：真空度：真空度11a 压力的测量（2）11a(3)、温度、温度物体冷物体冷热热程度的程度的标标志；系志；系统热统热平衡的物理特征量。平衡的物理特征量。热热力学第零定律：力学第零定律：当物体当物体C同同时时与物体与物体A和和B接触而达到接触而达到热热平衡平衡时时,物体物体A和和B也一定也一定热热平衡。平衡。这这一事一事实说实说明物明物质质具具备备某种宏某种宏观观性性质质。若两个。若两个热热力力系分系分别别与第三个与第三个热热力系力系热热平衡，那么平衡，那么这这两个两个热热力彼此力彼此处处于于热热平衡。平衡。这这一宏一宏观观物理性物理性质质称称为为温度。温度。温温标标：热热力学第零定律是温力学第零定律是温标标的理的理论论依据。依据。a、热热力学温力学温标标:水的三相点水的三相点为为 273.16 K,单单位位“开开尔尔文文”是水有三相点温度的是水有三相点温度的1273。16 T 单单位位 K，T=273.15+t b、摄摄氏温氏温标标 水的三相点水的三相点为为0.01，水的，水的标标准沸点准沸点为为100。t 单单位位 t=T-273.15 （有关温度（有关温度热热力学温力学温标标在第二定之后有在第二定之后有严严格格证证明）明）12a(3)、温度物体冷热程度的标志；系统热平衡的物理特征量。1三三 状状态态方程、坐方程、坐标图标图1、状、状态态方程方程 基本状基本状态态参数之参数之间间的函数关系式称的函数关系式称为为工工质质的状的状态态方程。由方程。由状状态态公理得：只有两保独立公理得：只有两保独立变变量）量）F(p,v,T)=0 或或 p=p(T,v);v=v(p,T);T=T(p,v)2、坐、坐标图标图 二个独立二个独立变变量量时时，可，可以用平面以用平面图图表示。而平面表示。而平面上的任意一点上的任意一点则则代表了一代表了一个平衡状个平衡状态态；所有的状；所有的状态态都可以在平面上找到。都可以在平面上找到。13a三 状态方程、坐标图1、状态方程2、坐标图13a四四 准平衡准平衡态过态过程和可逆程和可逆过过程程1、准平衡准平衡态态（准静（准静态态）过过程程 定定义义：由一系列偏高平衡：由一系列偏高平衡态态不不远远的的状状态组态组成的成的热热力力过过程称程称为为准平衡准平衡态态过过程。程。准平衡准平衡态过态过程的程的实现过实现过程程 过过程程进进行得非常行得非常缓缓慢，平衡破慢，平衡破坏后能自坏后能自动动恢复平衡，且恢复需恢复平衡，且恢复需时时间间（弛豫（弛豫时间时间）很短，）很短，过过程中随程中随时时都不致都不致远远离平衡状离平衡状态态。准平衡准平衡态过态过程就可在程就可在p-v图图上上用用连续连续曲曲线线表示。表示。实现实现准平衡准平衡态过态过程的条件是：程的条件是：热热平衡平衡 T 0 力平衡力平衡 p 014a四 准平衡态过程和可逆过程1、准平衡态（准静态）过程 2、可逆、可逆过过程（理想程（理想过过程）程）定定义义 如果系如果系统统完成某一完成某一热热力力过过程后，再沿原来路径逆向返回程后，再沿原来路径逆向返回原来的状原来的状态态，并使相互作用中所涉及到的外界也回复到原来，并使相互作用中所涉及到的外界也回复到原来的状的状态态，而不留下任何，而不留下任何变变化，化，则这则这一一过过程程为为可逆可逆过过程。程。可逆可逆过过程准平衡程准平衡态过态过程无耗散效程无耗散效应应 （耗散效（耗散效应应：通：通过过摩阻、摩阻、电电阻、磁阻等使功阻、磁阻等使功变为热变为热的效的效应应）可逆可逆过过程不程不仅仅要求工要求工质质内部是平衡的，而且要求工内部是平衡的，而且要求工质质与与外界的作用可以无条件地逆复。外界的作用可以无条件地逆复。15a2、可逆过程（理想过程）定义15a五五 功和功和热热量量 功和功和热热量是量是热热力力过过程中系程中系统统与外界交与外界交换换的不同形式的能量。的不同形式的能量。1、功（膨、功（膨胀胀功或体功或体积积功）功）W：表示系：表示系统统与外界交与外界交换换的膨的膨胀胀功功(外界得到的膨外界得到的膨胀胀功量）。功量）。根据功的定根据功的定义义，功可表示，功可表示为为 Fdx或或Fdx 对对于于热热力系力系 F dx=pA dx=pdV问题问题:对对于一个准平衡于一个准平衡态过态过程，程，过过程中有确定的程中有确定的p、V，所以可，所以可 以得到确定的以得到确定的pdV和和 pdV，但是它是否就等于系但是它是否就等于系统统与外界交与外界交换换的的膨膨胀胀功？功？结论结论：只有在可逆只有在可逆过过程中才有程中才有W=pdV W=12 pdVw=pdv w=12 pdv以后在以后在pv图图及及Ts图图中凡是用中凡是用实线实线画出的画出的过过程都表示可逆程都表示可逆过过程程。16a五 功和热量 功和热量是热力过程中系统与外界有用功有用功Wu、无用功、无用功Wr和耗散功和耗散功Wl闭闭口系膨口系膨胀过胀过程中用推程中用推动动大所所消耗的功称大所所消耗的功称为为无用功无用功Wr.过过程中由于耗散效程中由于耗散效应应所消耗的功称所消耗的功称为为耗散功耗散功Wl，则则有用功有用功Wu为为Wu WWrWl (111)Wrp0(V2 V1)p0 V (112)可逆可逆过过程程时时Wl=017a有用功Wu、无用功Wr和耗散功Wl闭口系膨胀过程中用推动大所2、热热量量 热热量是系量是系统统与外界之与外界之间间在温差的推在温差的推动动下，通下，通过过微微观观粒子粒子无序运无序运动动的方式与外界交的方式与外界交换换的能量。的能量。Q:表示系表示系统统与外界交与外界交换换的的热热量。量。若若过过程可逆程可逆则则：Q=TdS Q=12 TdSq=Tds q=12 Tdsw和和q都是都是过过程量而不是状程量而不是状态态量量18a2、热量 热量是系统与外界之间在温差的六六 热热力循力循环环工工质质从某一初从某一初态态出出发发，经历经历一系列一系列热热力状力状态态后，又回后，又回到原来初到原来初态态的的热热力力过过程称程称为热为热力循力循环环，即封，即封闭闭的的热热力力过过程，程，简简称循称循环环。1、正循、正循环环（动动力循力循环环）(顺时针顺时针方向方向)吸吸热热q1，放，放热热q2，对对外作功外作功wnet，且且wnet=q1-q2，热热效率效率为为t t=wnet/q12、逆循、逆循环环（制冷循（制冷循环环）(逆逆时针时针方向方向)放放热热q1，吸，吸热热q2，外界，外界输输入功入功wnet，且且wnet=q1-q2，制冷系数，制冷系数为为 =q2/wnet 19a六 热力循环工质从某一初态出发，经历一系列热力状态后，又回到 本本节节所介所介绍绍的不是工程的不是工程热热力学基本力学基本概念的全部，在以后的章概念的全部，在以后的章节节中中还还将出将出现现新的基本概念，到新的基本概念，到时时将一一将一一论论述。述。20a 本节所介绍的不是工程热力学基本概念的全问问答答题题1、基本状、基本状态态参的哪几个？参的哪几个？为为什么称他什么称他们为们为基本状基本状态态参数？参数？2、什么是平衡、什么是平衡态态？实现实现平衡平衡态态的条件是什么？的条件是什么？3、什么是可逆、什么是可逆过过程？程？实现实现可逆可逆过过程的条件是什么？程的条件是什么？4、可逆、可逆过过程的膨程的膨胀胀功功w、技、技术术功功wt如何如何计计算？如何在算？如何在p-v图图上上 表示可逆表示可逆过过程的膨程的膨胀胀功功w和技和技术术功功wt？5、写出、写出绝对压绝对压力力p、表、表压压pg、真空度、真空度pv之之间间的关系式。的关系式。测测量量 容器中的容器中的压压力力时时，压压力表上的力表上的读读数不数不变变，容器中的，容器中的压压力是力是 否会否会发发 生生变变化？化？21a问答题1、基本状态参的哪几个？为什么称他们为基本状态参数？2 第二第二节节 热热力学第一定律力学第一定律一一 热热力学第一定律的力学第一定律的实质实质热热力学第一定律是力学第一定律是能量守恒与能量守恒与转换转换定律定律在在热现热现象中的象中的应应用。用。热热是一种能量，机械能可以是一种能量，机械能可以转变为热转变为热能，能，热热能也可以能也可以转转变为变为机械能，在机械能，在转变过转变过程中保持量的守恒。程中保持量的守恒。22a 第二节 热力学第一定律一 热力学第一定律的二二 热热力学能和系力学能和系统统的的总总能量能量1、热热力学能力学能(1)、外部、外部储储存的能量存的能量:系系统统由于宏由于宏观观运运动动所具有的能量。所具有的能量。动动能能 Ek 势势能能 Ep。(2)、内部、内部储储存能量存能量:系系统统内部分子运内部分子运动动的内的内动动能、相互作用的内能、相互作用的内位能及位能及维维持分子持分子结结构的化学能和原子核内部的原子能等。构的化学能和原子核内部的原子能等。这这些能量些能量总总称称为为热热力学能力学能。热热力系所力系所储储存的能量可分存的能量可分为为外部能量和内部能量：外部能量和内部能量：23a二 热力学能和系统的总能量1、热力学能(1)、外部储存在无化学反在无化学反应应和核反和核反应应的的简单简单可可压缩压缩系系统统中中 由由热热力学能所包含的能量形式可知，力学能所包含的能量形式可知，热热力学能是状力学能是状态态参数参数。比比热热力学能可表示力学能可表示为为：根据状根据状态态参数的特点可有：参数的特点可有：热热力学能力学能 U 单单位位:J 或或 kJ比比热热力学能力学能 u=U/m 单单位位:J/kg 或或 kJ/kg24a在无化学反应和核反应的简单可压缩系统中 由热力学能所包含2、系、系统统的的总总能量能量25a2、系统的总能量25a三三 热热力学第一定律的能量方程式力学第一定律的能量方程式根据根据热热力第一定律，力第一定律，对对于一个任意于一个任意热热力系力系统统，能量方程可写成，能量方程可写成进进入系入系统统的能量离开系的能量离开系统统的能量系的能量系统统能量的增加能量的增加 （29）1、闭闭口系口系统统的能量方程式的能量方程式 当宏当宏观观的的动动能的能的势势能的能的变变化可以忽略不化可以忽略不计计或系或系统统静止静止时时E U，则则第一定律的方第一定律的方程式可写成程式可写成26a三 热力学第一定律的能量方程式根据热力第一定律，对于一个Q与与W正、正、负负号的号的规规定定系系统统吸吸热热Q为为正，放正，放热热Q为负为负；系系统对统对外作功外作功W为为正，外界正，外界对对系系统统作功作功W为负为负能量方程式（能量方程式（227）常写成）常写成 上式的适用条件是：上式的适用条件是：任何任何过过程，任可工程，任可工质质。对对于可逆于可逆过过程程27aQ与W正、负号的规定系统吸热Q为正，放热Q为负；能量方程式（闭闭口系口系任何工任何工质质、可逆、可逆过过程程的能量方程式可写成的能量方程式可写成对对于一个循于一个循环环28a闭口系任何工质、可逆过程的能量方程式可写成对于一个循环28a2、开口系、开口系统统的能量方程式的能量方程式(1)、稳稳定流定流动动系系统统的能量方程的能量方程稳稳定流定流动动：流流动过动过程中开口系内部的状程中开口系内部的状态态参数（参数（热热力学参数和力学参数和动动力学参数）不随力学参数）不随时间变时间变化的流化的流动动称称为稳为稳定流定流动动。稳稳定流定流动时动时必有必有29a2、开口系统的能量方程式(1)、稳定流动系统的能量方程稳定流稳稳定系定系统统的能量分析：的能量分析：进进入系入系统统的能量：的能量：离开系离开系统统的能量：的能量：系系统统能量的增加：能量的增加：ECV0进进入系入系统统的能量离开系的能量离开系统统的能量系的能量系统统能量的增加能量的增加30a稳定系统的能量分析：进入系统的能量：离开系统的能量：系统能量由于由于m1=m2=m,整理上式得整理上式得31a由于m1=m2=m,整理上式得31a对对上式两上式两边边同除以同除以 m 得得(3)、焓焓的定的定义义及物理意及物理意义义(2)、推、推动动功和流功和流动动功功推推动动功：功：由于工由于工质质移移动动而而传递传递的功称的功称为为推推动动功：功：pV流流动动功：功：用于用于维维持流持流动动所需要的功：所需要的功：(pV)=p2V2p1V1定定义义：H=U+pV 或或 h=u+pv 单单位：位：J,kJ 或或 J/kg,kJ/kg焓焓的物理意的物理意义义:随着工随着工质质移移动动的能量的能量.。32a对上式两边同除以 m 得(3)、焓的定义及物理意义(2)、推(4)、技、技术术功功在式在式(2-32)中中 是机构能是机构能的的形式形式,可供工程中直接利用，所以定可供工程中直接利用，所以定义义它它为为技技术术功：功：比比较较式（式（228a)和（和（232）33a(4)、技术功在式(2-32)中 若若为为可逆可逆过过程程34a若为可逆过程34a引入技引入技术术功后功后稳稳定系定系统统能量方程式可写能量方程式可写为为若若过过程可逆程可逆35a引入技术功后稳定系统能量方程式可写为若过程可逆35a(5)、一般开口系、一般开口系统统的能量方程的能量方程进进入系入系统统的能量：的能量：离开系离开系统统的能量：的能量：系系统统能量的增加：能量的增加：esy,CV在在d间间内内代入能量方程代入能量方程,整理后得整理后得36a(5)、一般开口系统的能量方程进入系统的能量：离开系统的能量四四 稳稳定系定系统统能量方程式的能量方程式的应应用用 1、动动力机力机（蒸汽（蒸汽轮轮机和燃气机和燃气轮轮机机2、压压气机气机压压气机的耗功气机的耗功为为 wc3、换热换热器器4、管道、管道5、节节流流37a四 稳定系统能量方程式的应用 1、(1)燃气在燃气在喷喷管出口的流速管出口的流速c3;(2)每干克燃气在燃气每干克燃气在燃气轮轮机中所作机中所作的功；的功；(3)当燃气当燃气质质量流量量流量为为5.6 kg/s时时，燃气燃气轮轮机机输输出的功率。出的功率。燃气燃气轮轮机装置如机装置如图图所示。已知在截面所示。已知在截面1处处 h1=286 kJ/kg的燃的燃料与空气的混合物以料与空气的混合物以 20 m/s 的速度的速度进进入燃入燃烧烧室，在定室，在定压压下燃下燃烧烧，相当于从外界相当于从外界获获得得热热量量q=879 kJ/kg。燃。燃烧烧后的燃气在后的燃气在喷喷管中管中绝绝热热膨膨胀胀到到 3，h3=502kJ/kg.流速增加到流速增加到 c3。然后燃气推。然后燃气推动动叶叶轮轮转动转动作功。若燃气推作功。若燃气推动动叶叶轮时热轮时热力状力状态态不不变变，只是流速降低。，只是流速降低。离开燃气离开燃气轮轮机的速度机的速度 c4=150 m/s.试试求：求：例例题题：38a(1)燃气在喷管出口的流速c3;燃气轮机装解：解：（1）取）取13截面截面为热为热力系力系统统39a解：（1）取13截面为热力系统39a（2）取）取34截面截面为热为热力系力系统统又由又由“若燃气推若燃气推动动叶叶轮时热轮时热力状力状态态不不变变”，40a（2）取34截面为热力系统又由“若燃气推动叶轮时热力状态不（3）功率）功率为为PPqmwsh34=5.6652 =3651.2 kW试试分析有无其它的解分析有无其它的解题题思路？思路？41a（3）功率为PPqmwsh34=5.6652试分析有无其问问答答题题1、热热力学第一定律的力学第一定律的实质实质是什么？是什么？2、工程、工程热热力学中，力学中，热热力学能包含哪几力学能包含哪几项项能量的形式。能量的形式。3、写出、写出稳稳定流定流动动系系统统的能量方程式，当用于的能量方程式，当用于锅锅炉、汽炉、汽轮轮机及机及节节流流过过程程时时方程的方程的简简化形式。在以上三种化形式。在以上三种过过程中膨程中膨胀胀功的表功的表现现形式。形式。4、说说明明焓焓的定的定义义式及物理意式及物理意义义。5、写出技、写出技术术功的定功的定义义式。可逆式。可逆过过程的技程的技术术功在功在p-v图图上如何上如何表示。表示。6、给给一不可一不可压缩压缩的流体的流体绝热绝热的情况下加的情况下加压压，热热力学能和力学能和焓焓如如何何变变化？化？42a问答题1、热力学第一定律的实质是什么？42a第三第三节节 热热力学第二定律力学第二定律一一 热热力力过过程的不可逆性及程的不可逆性及 热热力第二定律的力第二定律的实质实质 说说明明热热力力过过程程进进行的方向、条件、和限度等行的方向、条件、和限度等间题间题的的规规律。其中律。其中热热力力过过程的程的方向性方向性最最为为重要。重要。1、常、常见见的不可逆的不可逆过过程程(1)、摩擦使功、摩擦使功变为热变为热(3)、有限温差、有限温差传热传热(4)、自由膨、自由膨胀胀(5)、混合、混合过过程程(2)、电电阻使阻使电电能能变为热变为热2、第二定律的、第二定律的实质实质43a第三节 热力学第二定律一 热力过程的不可逆性及 二二 热热力学第二定律的表述力学第二定律的表述 热热力学第二定律力学第二定律应应用范用范围围极极为为广泛（广泛（诸诸如如热热量量传递传递、热热功功转换转换、化学反、化学反应应、燃料燃、燃料燃烧烧、气体、气体扩扩散、分离、溶解、散、分离、溶解、结结晶、生物化学、生命晶、生物化学、生命现现象、低温物理、气象等其他象、低温物理、气象等其他领领域）域）。针对针对各各类类具体具体问题问题，热热力学第二定律有各种形式有表述，力学第二定律有各种形式有表述，这这里只介里只介绍绍两种最基本的、表达形式两种最基本的、表达形式1、克、克劳劳修斯修斯说说法法 热热量量不可能不可能自自发发地地、不付代价地不付代价地从低温物体从低温物体传传至高温物体。至高温物体。2、开、开尔尔文文说说法法 不可能不可能制造出制造出单单一一热热源吸源吸热热、使之全部、使之全部转转化化为为功而不留下功而不留下 其他任何其他任何变变化的化的热热力力发动发动机。机。（第二（第二类类永永动动机是不可能机是不可能实现实现的）的）44a二 热力学第二定律的表述 热力学第二定律应以上两种以上两种说说法是一致的。法是一致的。如果如果违违犯了开犯了开尔尔文文说说法，必将法，必将违违犯克犯克劳劳修斯修斯说说法。法。热热机机违违犯了开犯了开尔尔文文说说法，最后法，最后联联合循合循环环的效果的效果违违犯了克犯了克劳劳修斯修斯说说法法45a以上两种说法是一致的。如果违犯了开尔文说法，必将违犯克劳修斯三三 卡卡诺诺循循环环及卡及卡诺诺定律定律1、卡、卡诺诺循循环环 工作于温度分工作于温度分别为别为 T1 和和 T2 的两个的两个热热源之源之间间的正向循，的正向循，由两个可逆定温由两个可逆定温过过程程 和两个可逆和两个可逆绝热过绝热过程程组组成。成。46a三 卡诺循环及卡诺定律1、卡诺循环46a卡卡诺诺循循环环的的热热效率效率为为(1)、热热效率只与效率只与T1与与T2有关，与工有关，与工质质无关。无关。(2)、热热效率只能小于效率只能小于1（第二（第二类类永永动动机不能机不能实现实现）。）。(3)、当、当T1 T2时时，热热效率效率为为零。零。47a卡诺循环的热效率为(1)、热效率只与T1与T2有关，与工质无2、逆卡、逆卡诺诺循循环环48a2、逆卡诺循环48a3、概括性卡、概括性卡诺诺循循环环49a3、概括性卡诺循环49a4、多、多热热源可逆循源可逆循环环吸吸热热量量q1=面面积积ehgnme放放热热量量q2 =面面积积elgnme50a4、多热源可逆循环吸热量q1=面积ehgnme放热量q2 定定义义平均吸和放平均吸和放热热温度温度51a定义平均吸和放热温度51a5、卡、卡诺诺定理定理定理一定理一 在相同温度的高温在相同温度的高温热热源源 T1 和相同温度低温和相同温度低温热热源源T2之之间间工工作的一切可逆循作的一切可逆循环环，其，其热热效率都相等，与可逆循效率都相等，与可逆循环环的种的种类类无无关，与采用哪一种工关，与采用哪一种工质质也无关。也无关。定理二定理二 在相同温度的高温在相同温度的高温热热源源T1 和相同温度低温和相同温度低温热热源源T2之之间间工工作的一切不可逆循作的一切不可逆循环环，其，其热热效率必小于可逆循效率必小于可逆循环环的的热热效率。效率。52a5、卡诺定理定理一定理二52a定理一定理一证证明明53a定理一证明53a 由于卡由于卡诺诺循循环环是是这这些可逆循些可逆循 环环之一，所以之一，所以A、B两两 热热机的机的热热效率可用卡效率可用卡诺热诺热机的机的热热率表示率表示54a 由于卡诺循环是这些可逆循 环之一，所以A、B定理二定理二证证明明55a定理二证明55a四四 状状态态参数参数熵熵1、熵熵的的导导出出对对任意可逆循任意可逆循环环1A2B1，用，用绝绝热线热线a-g、b-f等循等循环进环进行分割，行分割，当两条当两条线线非常接近非常接近时时，吸，吸热热和和放放热热可看成定温微无可看成定温微无过过程，程，对对于微元卡于微元卡诺诺循循环环abfga有有下下标标r表示表示热热源参数。当考源参数。当考虑虑放放热热正正负负号号时时，上式可写成，上式可写成56a四 状态参数熵1、熵的导出对任意可逆循环1A2B1，用积积分上式分上式 T 是工是工质质的温度，可逆的温度，可逆时时Tr=T，式（，式（56）称克）称克劳劳修斯修斯积积分式。分式。由式（由式（56）可知）可知Qrev/T 具有状具有状态态参数的特性，定参数的特性，定义为熵义为熵。57a积分上式 T 是工质的温度，可逆时Tr=T，式（56对对于状于状态态参数参数熵熵有有58a对于状态参数熵有58a2、不可逆、不可逆过过程程熵熵的的变变化化对对于不可逆循于不可逆循环环1A2B1有有考考虑虑放放热热正正负负号号时时，上式可写成，上式可写成上式称上式称为为克克劳劳修斯修斯积积争式，将式争式，将式(249)和式和式(252)结结合，可得合，可得式（式（253）称）称为热为热力学第二定律数学表达式之一。力学第二定律数学表达式之一。59a2、不可逆过程熵的变化对于不可逆循环1A2B1有考虑放热正负 现现在分析不可逆在分析不可逆过过程程1A2过过程的程的熵变熵变 为为了了计计算算1A2过过程的程的熵变熵变，增，增加可逆加可逆过过程程 2B1，这这形成一个不形成一个不可逆循可逆循环环，则则60a 现在分析不可逆过程1A2过程的熵变 所以不可逆所以不可逆过过程程1A2的的熵变为熵变为将式（将式（250）和（）和（254）合并得）合并得过过程的程的熵变熵变 上面上面这这些都可称些都可称为为第二定律的数学表达式。第二定律的数学表达式。61a所以不可逆过程1A2的熵变为将式（250）和（254）合3、熵熵流与流与熵产熵产对对于于闭闭口系口系，式（，式（254）可以在右）可以在右边边加一加一项项，使不等号，使不等号变为变为等号等号 Sf,Q称称为熵为熵流流,它是由于系它是由于系统统与外界交与外界交换热换热量引起的量引起的;Sg称称为为熵产熵产,它是由于不可逆因素引起的。它是由于不可逆因素引起的。Sf,Q可正可可正可负负，也可等于零；，也可等于零；Sg大于或等于零大于或等于零。绝热绝热系与外界系与外界设设有有热热量交量交换换，故没有，故没有热热量引起的量引起的熵熵流，流，则则62a3、熵流与熵产对于闭口系，式（254）可以在右边加一项，使五五 熵熵增原理增原理对对于孤立系，由式（于孤立系，由式（254）可得）可得 上上式式的的含含义义为为：孤孤立立系系内内部部发发生生不不可可逆逆变变化化时时，孤孤立立系系的的熵熵增增大大,dSiso0;极极限限情情况况（发发生生可可逆逆变变化化）熵熵保保持持不不变变,dSiso=0;使使孤孤立立系系熵熵减减小小的的过过程程不不可可能能出出现现。简简言言之之，孤孤立立系系统统的的嫡嫡可可以以增增大大或或保保持持不不变变，但但不不可可能能减减少少。这这一一结结论论即即孤孤立立系系统统熵熵增增原理原理，简简称称熵熵增原理。增原理。注注意意：熵熵增增原原理理只只适适用用于于孤孤立立系系统统。至至于于非非孤孤立立系系，或或者者孤孤立立系系中中某某个个物物体体，它它们们在在过过程程中中可可以以吸吸热热也也可可以以放放热热，所以它所以它们们的的熵熵既可能增大、可能不既可能增大、可能不变变，也可能减小。，也可能减小。63a五 熵增原理对于孤立系，由式（254）可得 熵熵增原理的增原理的实质实质一、一、熵熵增原理增原理阐阐明了明了过过程程进进行的方向，即行的方向，即dSiso0。二、二、熵熵增原理指出了增原理指出了热过热过程程进进行的限度，即行的限度，即dSiso0。三、三、熵熵增原理揭示了增原理揭示了热过热过程程进进行的条件（孤立系的行的条件（孤立系的热过热过程中程中 有部分物体有部分物体熵熵减小，必有部分物体的减小，必有部分物体的熵熵增大的相伴随）。增大的相伴随）。熵熵增原理全面地、透增原理全面地、透彻彻地揭示了地揭示了热过热过程程进进行的方向、限度和行的方向、限度和条件，条件，这这些正是些正是热热力学第二定律的力学第二定律的实质实质。由于。由于热热力学第二定律的力学第二定律的各种各种说说法都可以法都可以归结为熵归结为熵增原理，又增原理，又总总能将任何系能将任何系统统与相关物体、与相关物体、相关相关环环境一起境一起归归人一个孤立系人一个孤立系统统，所以可以，所以可以认为认为式式(5一一20a)，即，即 是是热热力学第二定律数学表达式的一种最基本的形式。力学第二定律数学表达式的一种最基本的形式。64a熵增原理的实质一、熵增原理阐明了过程进行的方向，即dSiso热热力学第二定律数学表达式力学第二定律数学表达式65a热力学第二定律数学表达式65a六六 熵产熵产与作功能力与作功能力损损失失 由于摩擦等耗散效由于摩擦等耗散效应应而而损损失的机械功称耗散功，以失的机械功称耗散功，以Wl表示。表示。当孤立系当孤立系统统内部存在不可逆耗散效内部存在不可逆耗散效应时应时，耗散功，耗散功转转化化为热为热量，量，称称为为耗散耗散热热，以，以Qg表示。表示。这时这时Qg=Wl,它由孤立系内某个它由孤立系内某个(或或某些某些)物体吸收，引起物体的物体吸收，引起物体的熵熵增大，称增大，称为熵产为熵产Sg。可逆。可逆过过程因程因无耗散无耗散热热，故，故熵产为熵产为零。零。设设吸吸热时热时物体温度物体温度为为T,则则 耗散功耗散功转转化的化的热热能，如果全部被一个温度与能，如果全部被一个温度与环环境温度境温度T0相同相同的物体吸收，它将不再具有作出有用功的能力，或者的物体吸收，它将不再具有作出有用功的能力，或者说说作功能力作功能力丧丧失殆尽。作功能力失殆尽。作功能力损损失以失以I表示表示,d IWI。因而，可得出孤立。因而，可得出孤立系系统统的的熵熵增与作功能力增与作功能力损损失（亦即后文的烟失（亦即后文的烟损损失）的关系失）的关系为为66a六 熵产与作功能力损失 由于摩擦等耗散效七七 熵熵方程方程一、一、闭闭口系的口系的熵熵方程方程二、开口系的二、开口系的熵熵方程方程67a七 熵方程一、闭口系的熵方程二、开口系的熵方程67a稳稳定流定流动时动时或写成或写成对对于于1kg工工质质对对于于绝热过绝热过程程68a稳定流动时或写成对于1kg工质对于绝热过程68a八八 热热量的可用能（量的可用能（火用火用）与不可用能（）与不可用能（火无火无）热热量中能最大可能量中能最大可能转变为转变为机械能（或功）的部机械能（或功）的部分称分称为热为热量中的量中的火用火用（有效能、可用能（有效能、可用能）；）；无无论论怎怎样样都不能都不能转变为转变为功的部分称功的部分称为热为热量中量中的的火无火无（无效能、不可用能）。（无效能、不可用能）。69a八 热量的可用能（火用）与不可用能（火无）1、恒温、恒温热热源放出源放出热热量的量的火用火用热热量量Q中的可用能中的可用能为为热热量量Q中的不可用能中的不可用能为为70a1、恒温热源放出热量的火用热量Q中的可用能为热量Q中的不可用在在Ts图图上可用面上可用面积积表法表法71a在Ts图上可用面积表法71a2、变变温温热热源放出源放出热热量的量的火用火用热热量量Q中的可用能中的可用能为为热热量量Q中的不可用能中的不可用能为为同同样样72a2、变温热源放出热量的火用热量Q中的可用能为热量Q中的不3、冷量、冷量火用火用 当当热热源温度低于源温度低于环环境温度境温度T0时时，系系统统吸入吸入热热量量Q0时时作出的最大有用作出的最大有用功称功称为为冷量冷量火用火用，用，用Ex,Q0表示表示(1)、恒温、恒温热热源源由能量守恒关系得由能量守恒关系得从而有从而有冷量冷量火火无无为为循循环环从从环环境的吸境的吸热热量量,即即73a3、冷量火用 当热源温度低于环境温度T0时，系(2)、变变温温热热源源74a(2)、变温热源74a请请看思考看思考题题75a请看思考题75a