高等工程热力学-第一章、热力学基本原理及定义

⑴试证明刚性容器绝热放气时，容器内剩余 气体经历了一个可逆的绝热膨胀过程。
⑵试写出终态温度T2及排出质量me的表达式。
§1-3 热力学第二定律
一、热力学第二定律的实质及说法
1、热力学第一定律的局限性及热力学第二定律的实质
◆热力学第一定律的实质是能量转换及守恒定律。.
◆任何一个已经完成或正在进行的过程都遵循热力学第一定律。
◆热过程是有方向性的，过程的进行是有条件的， 并有一定的限度。
◆热力学第一定律具有局限性。
热力学第二定律的实质----能质衰贬原理
◆热力学第二定律揭示了不同形式的能量，在转换成功 量的能力上是有“质”的差别的；
◆即使同一种形式的能量，其存在状态不同时，它的转 换能力也是不同的。
◆正是因为各种不同存在形式或不同存在状态的能量， 在传递及转换能力上存在着“质”的差别，所以，在能 量传递及转换过程中，就呈现出一定的方向、条件及限 度的特征。
①能量的存在形式。 有序能＞无序能 ②周围环境----定义能质高低的共同基准。
“不能脱离周围环境来进行能质分析!” ③能量的存在状态，即系统所处的状态。
2、寂态（dead state）
当系统与周围环境达到热力学平衡时，系统的状态称为寂态。 此系统中的能量就完全丧失了转换的能力，其能质为零。因此， 寂态可以作为度量任何系统能量品位高低的统一基准。 系统的状态偏离寂态越远，系统能量的品位越高。
∴ 而
则
忽略动、位能变化，则
一种流体的焓增加等于另一种流体的焓减。 即一种流体的吸收的热量等于另一种放出的热量。
例3、喷管
0
0
0
则 对1kg流动工质
∵ ∴ ∴
例4、绝热节流
0
0
0
则
忽略动、位能变化，则
注意：①绝热节流前后焓值相等，但不是一个定焓过程。
②节流过程是不可逆过程。
对绝热节流前后，虽能量在数量上不变，但能质衰贬。
net positive work is impossible to construct。
第二类永动机是不可能制成的。
热力学第二定律还可以概括为更一般的说法：
一切自发过程都是不可逆的; 一切实际过程都是不可逆的; 孤立系统的熵增原理； “能质衰贬”原理.
二、 有关能“质”的基本概念
1、影响能量品位的因素
2. 热机循环和制冷循环
热机循环:
循环热效率:
制冷循环:
制冷系数: 热泵系数：
3、热力学第二定律的典型说法
克劳修斯说法Clausius Statement:
It is impossible to construct a device that operates in a cycle and produces no effect other than the transfer of heat from a lowertemperature body to a higher-temperature body.
热量的能流： 功量的能流： 质量流的能流：
质量流的能容量： 质量流的能流：
0
0
0
0
0
0
有关热力学的工程问题，一般可分为：
闭口系统 开口系统 特例
SSSF(稳定状态稳定流动)
USUF（均匀状态均匀流动 ）
（1）闭口系统：
0
即 若忽略宏观动、位能的变化 则
若过程可逆 则
若针对一个循环
0
0
即
（2）开口系统
向真空容器中的绝热充气问题（p46）
由稳定气源（ ）向体积为V的刚性真空容器绝热
充气，直到容器内压力达到
时关闭阀门。
若已知该气体的比热力学能及比焓与温度的关系分别
为 ： u＝cvT，h＝cpT，k＝cp/cv， 试 计 算 充 气 终 了 时 ，
容器内气体的温度T2及充入气体的质量m2。
◆是否满足热力学第一定律的过程，都能够实现？ 怎样实现？条件是什么？ 例：①一杯热水放在桌子上，会自发地慢慢变冷。 ②杂技中耍手帕，或热功当量实验。 ③煤气（液化气）泄露事故。 热过程具有方向性。
◆自然界中的一切过程总是自发地朝着一定的方向进行。
◆但非自发过程并不是不可能实现的。非自发过程的实现 要花费一定的代价，需要补偿过程同时进行。 压气机→气体的压缩； 热机→热能转变为机械能； 制冷机→热量由低向高传递。
A: 若在 时间内， ， ， ，
则由 有 即 单位时间内
即
B: SSSF
0
则
例1、动力机与压气机
0
0
则
对1kg流动工质，
例2、换热器
（1）单以一种工质为系统（如1流体）
0
0
则
忽略动、位能的变化，则
即工质吸收（放出）的热量，等于其焓增（减）。
（2）以整个换热器中的工质为系统
0
0
0
SSSF 绝热
开尔文—普朗克说法 Kalvin-Planck Statement :
A device that operates in a cycle and has no effect on the surroundings other than the conversion of heat to an equivalent amount of
解：法一，CV
0
0
则
∴
∵
∴
∴
在绝热充气过程，焓转变为热力学能，
是不可逆过程，适用与任何工质。
又
∴
仅适用于理想气体。
法二，CM
0
0
∴ ∵ ∴ 又
∴
例6：绝热放气（p75）
有一个容积为V的刚性绝热容器，其中贮有 m1状态为p1及T1的理想气体，k为定值。阀门 开启后，一部分气体排向大气，待容器中压力 下降到p2时关闭阀门。
注意：无用能只是指能量的作功能力为零，并非绝对无用， 在非作功场合仍有使用价值。
第一章 热力学基本原理及定义
§1-1 外界分析法(SAM)的热力学模型 §1-2 热力学第一定律 §1-3 热力学第二定律
§1-1 外界分析法(SAM)的热力学模型
外界分析法的基本思想： 外因是变化的条件，
内因是变化的根据， 外因通过内因起作用。
§1-2 热力学第一定律
实质：能量守恒及转换定律
：系统的能容量， ：系统的热力学能；
3.有用能及无用能 useful energy and unuseful energy
在一定的环境条件下，一定形态的能量中可以转换成可逆 功的最大理论限度，称为该种形态能量中的有用能，而不可能 转换成功的部分称为无用能。
若以系统能容量E为例，则有
系统在状态1时的有用能，可以用从状态1完全可逆地变化 到寂态0的理想过程中，所能作出的最大可逆功来度量。