第6章热力学分析

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热学-第6章热力学第二定律

•气体向真空自由膨胀就是一个不可逆过程。
气体自由膨胀
会自动发生
不会自动发生
气体自动收缩
气体向真空自由膨胀，对外没有做功，没有吸收热量，是一个内能不变的过程。
外界不发生变化，气体收缩到原来状态是不可能的。
•假设外界不发生变化，气体可以收缩到原来状态。
设计一个过程R ，使理想气体和单一热源接触，图（b）。从热源吸取热量Q，进行等温膨胀对外做功A’=Q。通过R过程使气体复原，图（c）。图（a）,（b）,（c）过程总的效果：自单一热源吸取热量，全部转变为对外做功而没有引起其他变化。
Q1 U(T) A u(T)S (T)S (u )S
表面系统经历微小卡诺循环对外做功：
所以
f (1,2 )
f (3,2 ) f (3,1)
3
因为
是任意温度，所以，
3
1
f (1,2 )
f (3,2 ) (2 ) f (3,1) (1)
Q2 Q1
2
即
（（12））
Q2 Q1
( ) 是的普适函数，形式与的选择有关。
开尔文建议引入温标T，且
T ( )
T叫做热力学温标或开尔文温标。
Q2 Q1
1
f
(1,2 )
（1）
f (1,2 )是的普适函数，与工作物质性
质及Q1 和Q2无关。
设另有一温度为 3 的热源
两部热机工作与
3
,
和
2
3 ,1之间
3 1 1
22
则
Q2 Q3
f
(3,2 )
Q1 Q3
f (3,1)
（2）
因为
Q2
Q2 Q3

大学物理第6章热力学基础课件讲义

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外界对系统做的功为 dW, W
作功改变系统热力学状态的微观本质
碰撞分子规则运动的能量
分子无规则运动的能量
功是系统与外界交换能量的量度
热力学第一定律
表明：系统从外界吸收的热量，一部分转化为系统的内能，另一部分转化为系统对外所做的功。热力学第一定律是包括热现象在内的能量转换与守恒定律，适用于任何系统的任何过程。
-------------------------------------------------------------------------------
要改变一个热力学系统的状态，也即改变其内能，有两种方法。 1.做功可以改变系统的状态
摩擦升温（机械功）、电加热（电功）功是过程量 2. 热量传递可以改变系统的内能热量是过程量使系统的状态改变,传热和作功是等效的.
作功和传递热量均可作为内能变化的量度
-------------------------------------------------------------------------------
第6章热力学基础
§6.1 热力学第一定律 §6.2 理想气体等值过程和绝热过程 §6.3 循环过程 §6.4 热力学第二定律 §6.5 熵熵增加原理 §6.6 热力学第二定律的统计意义
玻尔兹曼熵
-------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------

第6章：固体材料的热力学状态：自由能、相图、相和组织

④低温下：内能项为主→低温相多是低内能，原子排列规整紧密的相；高温下：熵项可超过内能项使→混乱度大的相稳定存在。
6.1.4 材料系统的化学势
材料系统多为多元体系，增加成分变数 → 要用化学热力学与化学位。由H = U+PV，dH = dU+PdV+VdP =
TdS - PdV+PdV+VdP=TdS+VdP
(2) 系统的功、能变化
容量性质（体积V、质量、熵S等）有加和性; 强度性质（温度T、压强P等）无加和性。
强度性质作用在容量性质上（使其变化），此过程涉及功：力F 压力P 而 T•dS 杆l 体积V dl(伸长) dV Fdl(变形功) PdV(机械功)
即强度性质×容量性质的变化 = 功 δQ（无序功）
合并Ⅰ、Ⅱ律：dU=δQ + δW， δQ≤TdS 得: dU－TdS ≤ δ W，恒温: d(U－TS) ≤ δ W 定义: F≡U－TS, dF ≤ δ W , 若恒V：δ W = 0 故 : d（U－TS）T，V ≤ 0 或 dF ≤ 0 自发过程（＜），平衡过程（=）
同理: d (H－TS)T，P ≤ 0,
热力学Ⅰ律： △U= Q+W 或 du=δQ+δw(以系统为主) P 、V 、T系统
①若恒容: δW= PdV =0 则 △U=Qv, du=δQv ②若恒压: δW = －PdV (系统对外做膨胀功) δQp = du－δW = du+d(PV) = d(U+PV), 令 H≡U+PV (Enthalpy) 则 δQP＝dH △H＝Qp ③若吸、放热（Ｔ变）：
dSU· （dH）S· V≥0；（dU）S· V≤0； P≤0；（dG）T· （dF）T· P≤0 V≤0；

第6章热力学讲解

第六章思考题6-3 (1)是错误的。

温度是状态量，是分子平均动能大小的标志。

“温度高”表示物体处在一个分子热运动的平均效果比较剧烈的宏观状态，无热量可言。

热量一定与过程相联系．(2)对理想气体是正确的。

对一般热力学系统，内能是分子热运动的动能与势能之和，即内能并非只是温度的单值函数。

6-7 如本题图所示，一定量的理想气体从状态“1”变化到状态“2”，一次经由过程A ，另一次经由过程B 。

试问在过程A 和过程B 中吸收的热量Q A 与Q B 何者较大？答：因为1→A →2的内能改变等于1→B →2的内能改变，设它等于ΔE 12，另外1→A →2做的功W 大于1→B →2做的功W '，而ΔE 12＝Q A －W =Q B －W '，所以Q A ＞Q B 。

6-8 如本题图所示，一定量的气体，体积从V 1膨涨到V 2，经历等压过程a →b 、等温过程a→c 、绝热过程a →d ，问：(1) 从p －V 图上看，哪个过程做功最多？哪个过程做功最少？(2) 哪个过程内能增加？哪个过程内能减少？(3) 哪个过程从外界吸热最多？哪个过程从外界吸热最少？答：(1) 做功最多的是a →b 等压过程，最少的是绝热过程a →d 。

(2) a →b 过程内能增加，a →d 过程内能减少；(3) 吸热最多的是a →b 过程，吸热最少的a →d 过程。

6-9 对于一定量的理想气体，下列过程是否可能？（1）恒温下绝热膨胀；（2）恒压下绝热膨胀；（3）绝热过程中体积不变温度上升；（4）吸热而温度不变；（5）对外做功同时放热；（6）吸热同时体积缩小i答：（1）不能；（2）不能；（3）不能；（4）能；（5）能；（6）能。

6-11 两条绝热线和一条等温线是否可以构成一个循环？为什么？答：不能。

如本题图所示，若等温线Ⅲ与Ⅰ和Ⅱ两个绝热线相交，就构成了一个循环。

这个循环只有一个单一热源，它把吸收的热量全部转变为功，即%100＝η，并使周围环境没有变化，这是违背热力学第二定律的。

化学原理6化学热力学初步

V = 0 ，W = -pV，故W = 0
U = Qv + W U = Qv
在恒容反应中，体系的热效应全部用来改变体系的内能。
弹式量热计 Qv = T (C水 + C量热计)
恒压热效应Qp
若反应在恒压条件下进行，其热效应称为恒压热效应Qp。
U = Qp + W W = -pV = -p(V2-V1) U = Qp + W = Qp- p(V2-V1) U2 - U1 = Qp- p(V2-V1)
QpQvnRT 4807.12(4)8.314298103 4817.03 kJ
反应进度煤炭燃烧反应，C + O2 = CO2，放出的热
量显然和反应掉多少煤炭有关。
AA + BB GG + HH
t = 0时: n0(A) n0(B) n0(G) n0(H) t = t时: n(A) n(B) n(G) n(H)
3.2 盖斯定律
1840年前后，俄国科学家 Hess ：一个化学反应不论是一步完成、还是能分成几步来完成，其热效应是相同的。
rHm
H 2 (g ) 1 2O 2 (g ) H 2 O (l)
rHm1
rHm2
rHm4
2 H (g ) O (g ) H 2 O (g )
rHm3
rHm = rHm1 + rHm2 + rHm3 + rHm4
盖斯定律实际上是热力学第一定律的延伸。实质是化学反应的焓变只与始态和终态有关，而与途径无关。
某反应的 rHm (1) 与其逆反应的rHm (2) 数值相等，符号相反。
rHm (1) = - rHm (2)
例2：已知 C (石墨 )O 2(g) C O 2(g)

第六章-热力学第二定律PPT课件

力学中称为方向性问题。
.
2
3，第二类永动机是不可能实现的
4，热力学第二定律与第一定律相互独立互相补充
二，热力学第二定律的克劳修斯表述
克劳修斯（Rudolf Clausius，1822-1888），德国物理学家，对热力
学理论有杰出的贡献，曾提出热力学第二定律的克劳修斯表述和熵
的概念，并得出孤立系统的熵增加原理。他还是气体动理论和热力
.
4
3，更简单的克劳修斯表述：热量不可能自发地从低温热源传向高温热源。
通过以上内容，我们来判断以下说法正确与否：
① 功可变成热，热不能变成功。（若对，举一例说明）
② 功可完全变成热，热不能完全变成功。（若不对，举一反例）
③ 功不能完全变成热，热能完全变成功。
④ 功可完全变成热，但要在外界作用下，热能完全变成功。
2，两种表述将的都是热和功的问题，功不仅限于机械功的广义功，每一种功热转换过程也可以作为热力学第二定律的表述。
热力学第二定律不是若干典型热学事例的堆积仓库，物理定律也不能停留在具体的表面描述，真正的热力学定律应当是对物理本质的描述，不同的表述应当有共同的物理本质，热力学第二定律应该有更好的叙述。
第六章，热力学第二定律
问题的引入：
1，焦耳理论与卡诺热机理论的矛盾：同属能量转换，有用功变热可以全部实现，为什么反过来就不能全部实现，能量转换与守恒定律可没有这样的限制。
2，热机效率始终小于1并不全是技术原因
3，大量与热有关的自然过程仅靠热力学第一定律是不足以解释的：1）热传递是不可逆的；2）电影散场后，观众自发离开影院走向各方，却不能自发地重新聚集在原来的电影院； 3）空气自由膨胀不能自发收缩等。
小结：上述三个不可逆过程，在推理过程中，很容易找到使系统复原的方法，但这种情况并不多见，并且花费很多精力时间去寻找系统复原的方法，很不经济。所以，我们必须借助其他方法。

化工热力学第6章流动系统的热力学原理及应用

P160 三（1）求算在流动过程中温度为540℃，压力为5.0MPa的1 kmol 氮气所能给出的理想功是多少？环境温度为15 ℃，环境压力为0.1MPa。
将氮气当做理想气体
Cipg 30.811.255102T 2.575105T 2 1.133108T 3(J mol K 1)
S
δQ T
d Sg
(6-16)
S
Q
T
Sg
(6-17)
熵流
——若有热量流入或流出系统，则必定伴有相应的熵变化，记为△Sf或dSf
dS f
δQrew T
(6-18)
熵流可为正、为负、为零
敞开体系熵平衡简图
物流流入
mi Si
i
图6-3
△Sf
物流流出
△Sg
mj Sj
j
Q
dS f T
敞开系统的熵平衡方程式为：
在封闭系统中进行的任何过程
对孤立系统δQ = 0
dS孤立≥0 或（△S）孤立≥0
△St =△S +△S0 ≧0
dS Q
T
(6-13)
(6-14) (6-15)
熵产生
——系统在不可逆过程中，有序的能量耗散为无序的热
能（如摩擦等），并为系统吸收而导致系统熵的增加，
这部分熵称为熵产生,记为△Sg。
dS
S
s 2
0 H T
334.7 273
1.226k J k g1 K 1
理想功的计算与环境有关
(a) Wid T0S H 298 (1.226 0.367) (334.72 104.88) 35.10kJ kg1
(b) Wid 268 (1.226 0.367 ) (334 .72 104 .88) 12.69kJ kg1

工程热力学第11讲-第6章热力循环

新型热力循环的优势
新型热力循环可以更高效地利用能源，减少对环境的污染，并且可以提供更稳定的能源输出。
03
新型热力循环的挑战
新型热力循环的研究面临着许多挑战，如技术难度大、成本高、安全性
等问题。
高效热力循环的探索
高效热力循环
为了提高能源利用效率，人们正在探索各种高效热力循环。例如，有研究正在探索利用高温高压的热力循环，以提高能源的转换效率。
热力循环的组成
一个完整的热力循环通常包括四个主要过程，即吸热过程、膨胀过程、放热过程和压缩过程。
热力循环的特性
热力循环具有可逆性和效率。在理想情况下，可逆热力循环是效率最高的循环。
热力循环的分类
80%
根据工作物质分类
根据所使用的工作物质，热力循环可以分为气体循环、液体循环和固体循环。
100%
低温热源温度的降低可以减少循环总热量，从而提高效率。
提高高温热源温度
高温热源温度的提高可以增加循环净功，从而提高效率。
采用高效工质
选择具有高热容和低流动阻力的工质可以提高循环效率。
05
热力循环的未来发展
新型热力循环的研究
01 02
新型热力循环
随着科技的不断进步，新型热力循环的研究也在不断深入。例如，有研究正在探索利用核能、太阳能、地热能等新能源的热力循环，以替代传统的化石燃料热力循环。
应用
燃气轮机循环广泛应用于航空、船舶和工业领域。
制冷循环
定义
制冷循环是一种利用制冷剂的相变过程实现热量转移的循环过程。
工作原理
制冷剂在蒸发器中吸收热量蒸发，然后在冷凝器中放出热量冷凝，通过压缩机的压缩和膨胀机的膨胀实现循环。
应用

工程热力学第6章实际气体性质及热力学

dv v
du ? dh ? ds ?
气体的u、h、s 等参数无法直接测量；
实际气体的u、h、s 也不能利用理想气体简单关系计算。
需依据热力学第一、第二定律建立这些参数与可测参数的微分关系求解。
28
一、全微分(total differential)条件和循环关系
1. 全微分判据
设 z zx, y
甲烷 191.1 4.64 氮 126.2 3.39 乙烷 305.5 4.88 丙烷 370 4.26 二氧化硫 430.7 7.88
0.088 3 0.093 0 0.254 7 0.217 9 0.099 3 0.089 9 0.148 0 0.199 8 0.121 7
0.302 0.294 0.274 0.273 0.290 0.291 0.284 0.277 0.268
本章学习目标：
1. 指出实际气体对理想气体性质偏离、描述代表性状态方程； 2. 说明压缩因子的物理意义； 3. 应用热力学一般关系和常用热系数求解熵等参数的变化量； 4. 熟练应用N-O图及通用余焓图和通用余熵图； 5. 列举克拉贝隆方程、蒸气压方程、平衡的熵判据和单元系
相平衡条件。
2
本章教学内容
b）因U，T，S均为状态参数，所以F也是状态参数
c）单位 J （ kJ）;J/kg（kJ/kg）
d）物理意义 δq du δw 可逆 Tds du pdv
du Tds pdv
df du Tds sdT df sdT pdv
2
可逆定温过程 f f1 f2 1 p d v
可逆定温过程中自由能的减少量是过程膨胀功。
pv 1 RgT
压缩因子物理意义
压缩因子(compressibility factor) 实际气体

热力学第六章

3点对应的是饱和水，由p2=5kPa查(附表14)，得 h3 h 137.72kJ/kg
s3 s 0.4763kJ/(kg.K)
4点对应的是未饱和水，
p4 p1 5MPa h4 h3 137.72 kJ kg
s4 s3 0.4763kJ/(kg.K)
3.增加了过热器，蒸汽在过热器中的吸热过程(6→1)也是定压过程，提高了平均吸热温度，从而提高了乏气的干度x，提高了循环效率，也改善了汽轮机的工作条件。
p 4 5 6 3
1
2 v
郎肯循环热效率的计算
1. 锅炉中的定压吸热过程(4→5→6→1)吸入的热量：
q1 h1 h4
2. 定熵膨胀过程(1→2)中工质(或汽轮机)做功：
制热
动力
T2 环境温度
T0
制冷
T2
s
热力循环其它分类
气体动力循环：空气为主的燃气 1. 按工质如燃气轮机等，按理想气体处理蒸汽动力循环：以水蒸气为主如蒸汽轮机等，按实际气体处理 2. 按燃料燃烧方式分内燃式：燃料在内部燃烧，燃气即工质，
如内燃机、燃气轮机等。
外燃式：燃料在外部燃烧，燃烧放出的热
为克服蒸汽卡诺循环的缺陷，工程实际中学常用朗肯循环
朗肯循环
朗肯循环(Rankine Cycle)
朗肯循环系统工作原理
蒸汽过热器锅炉汽轮机四个主要装置：锅炉汽轮机发电机凝汽器给水泵凝汽器
给水泵
蒸汽电厂示意图
朗肯循环(Rankine Cycle)
二、蒸汽动力循环系统的简化(理想化)
h2 h x h h 137 kJ kg
例1：朗肯循环，蒸汽进入汽轮机初压 p1=5MPa,初温 t1=500℃，乏汽压力 p2=5kPa，不计水泵功耗。要求：将朗肯循环表示在Ts图上，并求循环净功、加热量、循环热效率及汽耗率。

第6章-热力学

Q Q1 Q2 Q3 761J 2
1
E Q W 312 J
V V1 V4 V3
6.3 绝热过程
理想气体旳绝热过程
绝热过程:气体在物态变化过程中系统和外界没有热量旳互换。
dQ 0
绝热过程旳热力学第一定律:
0 dWQ dEQ
p p
V1
V2 V
绝热过程内能增量：
EQ
m M
i 2
R(T2
一热力学旳等值过程
1. 等体过程气体在物态变化过程中体积保持不变。
等体过程旳热力学第一定律: dQV dE
结论：
在等体过程中，系统吸收旳热量完全用来增长本身旳内能
m
p
吸收热量： QV M CV ,m (T2 T1)
内能增量：
E m M
i 2
R(T2
T1 )
等体过程系统做功为0
Q
V0
V
2. 等压过程
O
( pA,VA,TA ) ( pC,VC,TC ) ( pB,VB,TB )
V
3 理想气体物态方程
理想气体：在任何情况下都严格遵守“波意耳定律”、 “盖-吕萨克定律”以及“查理定律”旳气体。
p1V1 p2V2 恒量
T1
T2
（质量不变）
理想气体物态方程：pV m RT R 称为“摩尔
M mol
dW PSdl PdV
W V2 PdV V1
已知过程（p～V曲线或 p=p(V)）；A为p～V曲线下旳面积。A与过程
有关
Am An
功与热量旳异同（1）都是过程量：与过程有关；
（2）等效性：变化系统热运动状态作用相同；
1 cal = 4.18 J ， 1 J = 0.24 cal （3）功与热量旳物理本质不同 .

【学习】第六章实际气体的性质及热力学一般关系式

RT a p v b v2
范.德瓦尔斯方程
3、临界点C
T 一个交点
三个相等实根
整理课件
实际气体的p-v图
p
C
T Tc Tc
v
整理课件
拐点
p
v
TC
0
2p
v2
TC
0
范.德瓦尔斯方程的定临量界计点算参不数准确
pC
RTC vC b
a vC2
多数物质
ZC
0.23 ~ 0.29
pCpv2TC7ab2TvCCRTC b2782aRb 2vC a3 vC 0 3b Ca点压262v74缩p2 因TRCpT子CC 2v2ZCR CTbCbp3RCTv8RCC6vpTC a4CC 830R0.8337pT5ccvc
第六章实际气体的性质及热力学一般关
系式
整理课件
确 u,h,与s 可测参数（p,v,T,cp )之
间的关系，便于编制工质热力性质表。
确定 c p , c v 与 p,v,T 的关系，用以建立
实际气体状态方程。
确定 c p 与 c v 的关系，由易测的 c p 求得 c v 。
热力学微分关系式适用于任何工质，可用其检验已有图表、状态方程的准确性。
1 8 0 K T 4 8 0 K 0 p 整理课7 件0 M P a0 1 6 0 0 k g / m 3
§6-5 麦克斯伟关系式和热系数
简单可压缩系统，两个独立变量。
uf(p,v)
uf(T,v)
uf(s,v)
uf(s,p) •••
一些参数（u,h,s等)无法直接测量，必须根据热力学第一、第二定律建立的热力学参数间一般函数关系式加以确定。

第六章热力学第一定律-及其应用

因此可逆绝热稳流过程为等熵过程。
5）柏努利方程
不可压缩的流体在管道中的流动，若假设流体无粘性（无阻力，无摩擦），并且管道保温良好，流动过程中流体环境无热、无轴功的交换。
p
1 2 g z u 0 2
(6-10)
例 6-1～例 6-5
§6.2 热力学第二定律及其应用
第二定律的典型表述： ⑴、有关热流方向的表述： 1850年克劳休斯：热不可能自动的从低温物体传给高温物体。 ⑵、有关循环过程的表述： 1851年开尔文：不可能从单一热源使之完全变成有用功，而不引起其他变化。
WS ( R) QH QL
由热力学第二定律：可逆过程： (S sys
S sur ) 0
循环过程：则：
S sys 0
Ssur S高温源 S低温源
S 低温源 QL TL
QH 可逆： S 高温源 TH
S sur
Q H QL 0 TH TL
T
Q 0
dSt 0
——熵增原理
若将系统和环境看作一个大系统，则：由 St (Ssys Ssur ) 0 可知：
即孤立体系永远不会发生熵减少的过程。
1、有热量传递不做功两个热源之间热传递过程如下图所示：
热源
T1
TH
高温源
Q1
循环装置
T1 T2
QH
循环装置
WS ( R ) 功
S f S g mi si m j s j i j in out
进入物流流出物流
物流熵差
过程不可逆引起的熵变
敞开系统熵平衡式即为：
dSopsys dt

热力化学第六章化工过程热力学分析

Wid 耗功：a WS
T0 T0 Q低 Q 1 1 T L T I a T0 Q高 1 T H
T0 1 T L T0 1 T H
100%转化为理想功。 100%转化为理想功。
E XP
E XPh 部分转化为理想功。 E XC 部分转化为理想功。
稳流过程，流体具有的总有效能为：
EX EXK EXP EXPh EXC
6.3 过程热力学分析法
1）动能和位能 100%转化为理想功。
E XK
2）物理
6.2 化工单元过程的热力学分析
1. 流体流动过程的热力学分析问题的提出：由于流体流动有摩擦，包括流体的内摩擦及流体与管道、设备的摩擦，使流体的一部分机械能耗散为热能，导致功损耗，并有熵产生。流体流动的推动力是压力差，为不可逆过程，也有熵产生。讨论流体流动过程的功损耗应首先找出熵产生与压力降之间的关系：Δ Sg Δ p
6.2 化工单元过程的热力学分析
(4)换热过程的热力学效率：例题6-9
H L Wid WL Wid a H H Wid Wid 无温差的传热过程，若无散热损失： a 1，但实际生产中均为不可逆的有温差传热：
H L Wid Wid
a 1
思考： (1)热量全部回收，仍有功耗，为什么？
T Q ) Q(1 0 ) T T
|QH|=|QL|=Q
T0 ) TH T L Wid Q (1 0 ) TL
H Wid Q (1
损耗功： WL W
H id
T0 (TH TL )Q W TH TL
L id