热力学基础-课件2讲稿.doc

热力学基础课件2 第一、二定律一、热力学第一定律 能量守恒与转换定律在热力学中的应用便是热力学第一定律，它说明在热能与机械能的相互转换过程中，若消耗了一定量的机械能，则必定得到相当数量的热能；反之，消耗了一定量的热能，则必是产生相当数量的机械能。这就是说，在热能和机械能之间存在着一定的当量关系，所以热力学第一定律也叫做当量原理。 右上图表示轮轴上的叶轮置于盛有气体的热力学体系内，轮轴另一端的鼓轮绕一重物，重物下降，则轮转动，通过叶轮作用，对该体系内的气体产生扰拌作用。设这时的体系与外界没有热量的交换，即绝热的，那么重物下降表明外界通过叶轮对体系所做的功，由于扰拌作用使体系内的气体温度升高，然后让叶轮停止转动，即外界没有对体系做功，而让热力学体系对外放出热量，因而温度降低，最后又恢复至原来的温度。该热力学体系，经过这样的变化过程，起始状态和终了状态完全一样，并未发生任何变化，根据热力学第一定律可知，外界对体系所做的功必定等于体系向外界散失热量，从能量上来说，应该是相等的。但在工程上，功和热量采取的单位不同，所以说热和功是当量的。若以W表示重物下降时所做的功，Q表示体系向外散失的热量，那么上述的当量关系就写成 式中A是换算系数，决定于热量和功所采取的单位。在SI制中，力的单位是牛顿(N)，位移的单位是米(m)，因此，功的单位是牛顿米()，又叫做焦耳，简称焦。 在SI制中，功率的单位为瓦特，简称瓦，以符号W表示。每秒钟完成1焦耳的功，叫做1瓦，那么每秒钟完成1千焦耳的功，就叫做1千瓦，以符号KW表示。因此功的单位除用牛顿米或焦耳表示外，还可用千瓦小时(KWh)表示。1KWh=10003600=3610J=3600KJ 在工程制中，热量的单位是千卡(Kcal)，它是1kg纯水在1atm下，温度自14.5升高至15.5所需的热量，而单位是千克米(kgm) 在工程制中，功率的单位是马力，以符号hp表示。每秒钟完成75kgm的功，叫做1马力，因此功的单位除用千克米表示外，还用马力小时表示所以 假若热力学体系由起始状态经过一系列中间状态，最后又回到了起始状态，这样所形成的一个闭合过程，叫做热力循环，或简称循环。 二、总能量 内能总能量是体系在某一状态下的全部能量。具体地说，它包括三种能量：一是体系作整体运动时的宏观动能E；二是在重力场中，体系位于某一高度Z的位能；三是与体系整体运动和重力场存在无关，体系内部气体分子作无规则运动所具有的内部热能U(简称内能)。因此，体系的总能量E为 三、比热容物质的温度升高(或降低)1需要加入(或放出)的热量，叫做该物质的热容量；热容量不仅与过程和物质的性质有关，而且它的大小与物质的数量成正比。单位数量物质的热容量叫做物质的比热容，简称比热。四、理想气体的状态方程 式 P=RT状态方程确定了某一给定的完全气体的状态之间的参数关系。热力状态的几个过程如下： 五、等容过程 等容过程是指气体在容积不变或比容保持不变的条件下进行的热力过程。活塞式发动机和脉动式喷气发动机的燃烧过程就近似于等容过程。图 (a)表示等容加热过程，其中活塞不动。 它在Pv图上是一条与v坐标轴相垂直的直线，如图 (b)中线段12或I2所示，得出 即在等容过程中，气体的压力与热力学温度成正比，当对气体加热时，温度升高，压力增大，如图 (b)中线段12所示；反之，气体放热，温度降低，压力减少，如图 (b)中线段12所示。 等容加热过程使气体的温度升高，所以图（c）中线段12代表等容加热过程，因而熵亦增加；反之，放热过程，温度下降，熵亦减小，如图（c）中线段12所示。等容过程中，V=常数，所以不论是加热或放热，气体对外均不做容功。 六、等压过程 等压过程是气体在压力保持不变的条件下进行的热力过程。 活塞式柴油机及涡轮喷气发动机的燃烧过程， 压力变化很小，近似于定压加热。下图 (a)表示定压加热过程，活塞上的载重量mg保持不变，当气体作状态变化时，活塞可以移动以保证气缸中的气体压力不变。根据此过程的特点，显然其过程方程式为 P = 常数，得出 即在定压过程中，气体的比容与热力学温度成正比；对气体加热，温度升高，比容增大，如下图 (b)中线段12所示；反之，气体放热，温度降低，比容减小，如下图 (b)中线段12所示。七、等温过程等温过程是气体在温度保持不变的条件下进行的加热或放热过程。在充分冷却，并且运转速度比较慢的压气机的压缩过程是接近等温过程的。等温过程的特点是： ，得出如右下图 (b)中线段12或12所示，起始状态和终了状态之间的参数关系式为 它在图上是一根以P轴和v轴为渐近线的等轴双曲线即在等温过程中，气体的压力和比容成反比。右图 (a)所示的等温膨胀过程12，比容增大，压力降低；反之，等温压缩过程12，比容减小，压力升高。八、可逆绝热过程(定熵过程)可逆绝热过程又叫定熵过程。所谓绝热过程乃是气体在和外界没有热量交换的条件下进行的热力过程。 上述四个过程是一些特殊的热力过程，在每个过程中都有一个状态参数保持不变，例如，在定压过程中，压力保持不变；定熵过程，熵值保持不变，等等。在一般情况下，任意一个过程往往是所有状态参数都要变化，但是它们的规律仍然遵循着一定的规律，即按下述多变过程式进行变化 式中n叫做多变指数，在一定的多变过程中，n保持为一定值。上式事实上已概括了上述的四个过程： 当时，即为定压过程； 当时，即为定温过程； 当时，即为绝热过程； 当时，可写成故，即为定容过程。 九、热力学第二定律为了使连续做功成为可能，必须在工质膨胀做功之后，再经历某种压缩过程使它恢复到初始状态，以便重新进行膨胀做功的过程。这样一来，工质就可以周而复始连续不断地把热量转变为功。这种使工质经历一系列的状态变化，又重新恢复到初始状态的封闭过程，叫做热力循环，或简称循环。 按照循环所产生的效果不同，循环可以分为正向循环和逆向循环。正向循环是把热能转变为机械能的循环，逆向循环则是把机械能转变为热能的循环。下面分别来介绍它们。为了方便起见，下面所用到的热量Q及功W暂时均代表绝对值，并未考虑放热为负，输入功为负。1、正向循环 上图 (a)中1A2表示工质在气缸中的膨胀过程，工质所做的膨胀功为曲线下所包围的面积。为了构成循环以便连续做功，工质必须沿较低的压缩过程线恢复到初始状态，这样压缩所耗费的功为曲线下所包围的面积，它必定小于膨胀功。因此，通过一个循环之后，工质做出的净功（即循环功）为正值，它可以表示为 工质进行热力循环，从热源吸得的热量只有其中一部分转变为功，而另一部分则排给冷源。由此可知，不断地“向冷源排热”正是热量连续不断地转变为功的必要条件（或补充条件），没有这一部分热量从高温热源传向低温热源，就不能使热量连续不断地转变为功。这一类把热量变为功的循环，叫做正向循环。它在状态图上的特点是循环过程线按顺时针方向进行的。一切热力发动机循环都具有这个特点，所以又叫动力循环。为了表达循环对热能利用的程度，通常把转变为循环功的热量与工质由高温热源吸入的热量之比作为衡量循环经济性的指标，称为热效率，以表示，即 2、逆向循环 如上图 (a)所示，工质由状态1沿A膨胀到2以后，如果沿较高的压缩线恢复到初始状态，则由过程曲线下所包围的面积看出，压缩过程所消耗的压缩功为面积2C1432，它大于膨胀过程所得的膨胀功的面积，这表明循环的结果是工质消耗了循环功，并转变为循环热排出。与正向循环相反，这一类循环在状态图上的特点是循环过程按逆时针方向进行的，所以叫做逆向循环。综上所述，可知道循环需要耗费一定的功，并且把它转变为热量，这是这种循环得以实现的必要条件（或补充条件），如果这个条件不能满足，企图把热量从低温物体传给高温物体是不可能的。3、可逆循环循环所经历的过程如果全部是可逆的，则叫做可逆循环，当然，可逆循环可以是正向的，也可以是逆向的。对于可逆循环来说，当工质经历一个正向可逆循环，再经过一个与此相反的逆向可逆循环之后，将会得到：体系(工质)和外界(包括热源、冷源及功源)都恢复到原来状态，而不留下丝毫的改变。这是可逆循环所具有的重要性质。循环所经历的过程如果部分是或全部是不可逆过程，就叫做不可逆循环。4、热力学第二定律的表述不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。