高等工程热力学第二章要点课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,LOGO,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高等工程热力学,主讲：王春华,高等工程热力学主讲：王春华,Contents,基本概念,1,热力学第一定律,2,热力学第二定律和熵,3,有效能和功函数,4,Contents基本,第二章 热力学第一定律,2.1,作用 功 热量 传质能 传递势,（,1,）作用,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。,本质是能量交换。,能量交换的基本形式：作功、传热和传质,第二章 热力学第一定,（,2,）功,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,。,机械功：,是一个强度参数（作用力,F,）和广延参数（位移,d,x,）的,乘积,广义功：各种模式的功，等于广义力,广义位移。,当系统存在多种模式的功时,（2）功,注意：,W,在传递中才有意义，一旦越过边界，就成为外界的能量,W,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：,系统对外做功为正，外界对系统做功为负。,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,=,pA,d,L,，称为容积功或体积功,注意：,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。,对于理想气体，温度恒等时,各种过程的体积功,各种过程的体积功,（,3,）热量,在温差作用下，通过微观粒子无序运动传递的能量。,也是一个强度参数（温度,T,）和广延参数（熵,S,）的,乘积。,也是热容与其温差的乘积,过程量,系统吸热为正，放热为负。,（3）热量,（,4,）传质能,系统和外界通过物质交换所传递的能量,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,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,也可看作是一个强度量和一个广延量的乘积,（4）传质能,传质能也可看作是一个强度量和一个广延量的乘积,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,i,广延量：系统中某组分物质的量,摩尔数,n,i,质量,m,i,传质能也可看作是一个强度量和一个广延量的乘积www.them,开口系的传质能,含有,k,种物质的多组分系中的总传质能：,多组分系从状态,1,变化到状态,2,时。总传质能变化：,开口系的传质能,（,5,）传递势,系统的势强度参数具有的传递能量的潜力,热力系中有三个势强度参数,压力：作功的势强度参数,温度：传热的势强度参数,化学势：改变组分量的传质能的势强度参数,比能、比焓不是势强度参数，是比势强度参数,是压力、温度的函数,（5）传递势,2.2,过程、准静态过程、可逆过程,（,1,）过程,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。,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,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。,平衡状态,平衡状态,变化过程,2.2 过程、准静态过程、可逆过程www.themegall,15,准平衡过程,（,quasistatic process,）,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,无限接近于,平衡状态的过程。,15准平衡过程 （quasistatic process）准,16,一般过程,1,、若,p,1,=,p,0,+,重物,为平衡状态,1,p,p,0,3,、,当,p,2,=,p,0,达到新的,平衡状态,2,p,v,1,2,.,.,2,、,突然去掉重物,则,p1 p0,活塞上行,中间状态：,不平衡状态,中间过程：,不平衡过程,16一般过程1、若p1 = p0+重物pp03、当p2 =,17,准静态过程,p,1,=,p,0,+,重物,p,，,T,p,0,假如重物有无限多层,每次只去掉无限薄一层,p,v,1,2,.,.,.,系统随时接近于平衡态,17准静态过程p1 = p0+重物p，Tp0假如重物有无限多,18,实现条件 ：,推动过程进行的,势差（温差，压差）无限小,，,保证系统在任意时刻皆,无限接近于,平衡状态。,特点：,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。,好处：,（,1,）可用确切的状态参数描述过程；,（,2,）可在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程,驰豫时间 （,relaxation time,）,当工质在平衡被破坏后，自动恢复到平衡所需时间。,18实现条件 ： 推动过程进行的势差,19,准静态过程的工程条件,破坏平衡所需时间,（外部作用时间）,恢复平衡所需时间,（驰豫时间）,系统状态的变化速度小于系统恢复平衡的速度，系统化,有足够时间恢复新平衡,准静态过程,19准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间恢复平衡所需时间,20,准静态过程的工程应用,例：,活塞式内燃机中，活塞运动速度为,10,m/s,压力波恢复平衡速度（声速）,350 m/s,破坏平衡所需时间,（外部作用时间）,恢复平衡所需时间,（驰豫时间）,一般的工程过程都可认为是准静态过程,20准静态过程的工程应用例： 活塞式内燃机中，活塞运动速度,21,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：,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不平衡势差为无限小。, 过程中不存在耗散效应,p A,p,ext,A,F,2,1,F=0,耗散效应,：,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,21可逆过程 （reversible process）,22,可逆过程与准静态过程的关系,区别：二者的着眼点不同。,准静态：,只,着眼于工质内部的平衡,，有无外部的机械,摩擦（耗散）对工质内部的平衡并无影响,可逆过程：,分析工质与外界作用所产生的总效果。,不仅强调工质内部的平衡，而且要求工质与,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。,22 可逆过程与准静态过程的关系区别：二者的着眼点不同。,23,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，,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,的状态参数表达，可不考虑系统与外界,的复杂关系，易分析。,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，,用系统参数加以分析，然后考虑不可逆,因素加以修正。,23引入可逆过程的意义 准静态过程是实际过程的理想化过,2.3,热力学第一定律,（,1,）热力学第一定律的一般表述,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。,2.3 热力学第一定律www.themegallery.co,总能,E,包括,热力学能,U,（内能）,宏观势能,E,Z,（势能）,宏观动能,E,K,比总能,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,总能E包括,系统与外界交换的传质能,E,m,包括两部分：,组分不变的进出口边界物质流引起的系统能量变化量,E,m,f,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,E,m,n,e,f,流体所携带的比总能；,m,f,系统与外界交换的工质质量；,i,组分的化学势；,n,i,组分量,系统与外界交换的传质能Em包括两部分：www.themeg,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,热力学第一定律的表达式：www.themegallery.c,(2),闭口系统的热力学第一定律,闭口系，单组分单相系或多组分均相系,没有物质交换,忽略宏观动能和宏观位能,微分表达式,从状态,1,到状态,2,(2)闭口系统的热力学第一定律www.themegaller,对于一个循环，初终态相同,产生一定量的净功必然消耗一定量的净热,热力学第一定律的另外说法,不消耗能量作功的装置（第一类永动机）是不可能制成的,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。,对于一个循环，初终态相同www.themegallery.c,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,典型例子,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,（,3,）开口系的热力学第一定律,1,）开口系的模型,图,2-2,在,t,时间内,系统与外界交换的功,W,o,（下标,o,表示开口系），,包括两部分：,系统对外输出净功,W,net,进出口推出推入物质的流动功,W,f,从外界吸收热量,Q,流入流出系统的质量,m,in,、,m,out,系统由状态,1,变为状态,2,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,2,）质量方程,t,时间内系统质量变化,3,）能量方程,2）质量方程,4,）功方程,4）功方程,流动功,W,f,推入推出进出口边界的质量作功的差值,即系统维持其自身流动所需付出的功,净功,W,net,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,流动功W,无组分变化时开口系的热力学第一定律表达式,无组分变化时开口系的热力学第一定律表达式www.themeg,5,）焓,H,上式中表示流动项有（,e+pv,）,比总能,e,包含热力学能,u,、动能和位能,定义：焓,H=U+pV,或比焓,h=u+pv,因,u,、,p,、,v,均是状态参数，则焓也是状态参数,焓等于内能加流动功,5）焓H,（,5,）开口系的技术功,W,t,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：,（5）开口系的技术功Wtwww.themegallery.c,定义技术功,前两项动能和位能均有对外作功的能力,第三项为实际对外作功的净功,技术功的物理意义：,开口系可以对外界作功或开口系所具有的有用功,定义技术功,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,对于图2-3 膨胀功,（,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：,（6）开口系的能量方程www.themegallery.co,Click to edit company slogan .,Thank You !,Click to edit company slogan .,