第二章能量轉(zhuǎn)換的基本概念和基本定律第二章能量轉(zhuǎn)換的基本概念1第一節(jié)基本概念一熱力系和工質(zhì)

1、熱力系熱力學中所研究的對象稱為熱力學系統(tǒng)，簡稱熱力系。第一節(jié)基本概念一熱力系和工質(zhì)2常見的熱力系(1)、閉口系：熱力系與外界沒有物質(zhì)交換。（C.M)(2)、開口系：熱力系與外界有物質(zhì)交換。(C.V)(3)、絕熱系：熱力系與外界無熱量交換。(4)、孤立系：熱力系與外界既無能量交換又無物質(zhì)交換。(5)、簡單可壓縮系：熱力系與外界只有一種體積變化功的交換。(6)、熱源：無限大的熱庫，吸入熱量和放出熱量后，溫度不變。常見的熱力系(1)、閉口系：熱力系與外界沒有物質(zhì)交換。3熱力系邊界的特點固定邊界移動邊界真實的邊界界面假想的空間界面熱力系邊界的特點固定邊界42、工質(zhì)實現(xiàn)能量相互傳遞與轉(zhuǎn)換的物質(zhì)（介質(zhì)）稱為工質(zhì)。

如：水蒸汽、內(nèi)燃機中工作的燃氣制冷劑常用的氣態(tài)物質(zhì)等。2、工質(zhì)實現(xiàn)能量相互傳遞與轉(zhuǎn)換的物質(zhì)（介質(zhì)5二平衡狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)1、平衡狀態(tài)在沒有外界影響的條件下，熱力系的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)（平衡態(tài)）。若系統(tǒng)的各部分之間沒有熱量傳遞,則系統(tǒng)處于熱平衡.若系統(tǒng)的各部分之間沒有相對位移,則系統(tǒng)處于力平衡.處于平衡態(tài)的熱力系，各處應具有均勻一致的溫度、壓力等宏觀物理量。

實現(xiàn)熱力平衡態(tài)的條件（無化學反應等其它不平衡勢）：溫度平衡（熱平衡）。壓力平衡（力平衡）。處于平衡態(tài)的熱力系可用確定的壓力、溫度等宏觀的物理量來描述。二平衡狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)1、平衡狀態(tài)62、狀態(tài)參數(shù)及其特點狀態(tài)參數(shù)；描述熱力系統(tǒng)所外狀態(tài)的宏觀物理量。狀態(tài)參數(shù)的特征：只取決于狀態(tài)，與過程（路徑）無關(guān)。數(shù)學特征強度量狀態(tài)參數(shù)：與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)數(shù)量無關(guān)的狀態(tài)參數(shù)。廣延量狀態(tài)參數(shù)：與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)數(shù)量有關(guān)的狀態(tài)參數(shù)。2、狀態(tài)參數(shù)及其特點狀態(tài)參數(shù)；強度量狀態(tài)參數(shù)：73、基本狀態(tài)參數(shù)(1)、比體積

單位m3/kg

密度3、基本狀態(tài)參數(shù)(1)、比體積8(2)、壓力（壓強）單位：Pa壓力的國際制單位：1MPa=103kPa=106Pa其它非國際制壓力單位：標準大氣壓atm：1atm=101325Pa工程大氣壓at(kgf/cm2);：1at=9.8067×104Pa巴bar，毫巴mbar1bar＝1000mbar＝105Pa毫米汞柱mmHg：1mmHg＝133.32Pa毫米水柱mmH2O：1mmH2O＝9.8067Pa(2)、壓力（壓強）9壓力的測量（1）

當p>pb

時，p=pb

+pg

p

g稱為表壓（壓力表）當p<pb

時，p=pb

-pv

p

v稱為真空度（真空表）壓力的測量（1）當p>pb時，p=10壓力的測量（2）

p=pb+pg=pb+ρghp=pb–pv

=pb–ρgh

pg:表壓pv：真空度壓力的測量（2）11(3)、溫度物體冷熱程度的標志；系統(tǒng)熱平衡的物理特征量。熱力學第零定律：當物體C同時與物體A和B接觸而達到熱平衡時,物體A和B也一定熱平衡。這一事實說明物質(zhì)具備某種宏觀性質(zhì)。若兩個熱力系分別與第三個熱力系熱平衡，那么這兩個熱力彼此處于熱平衡。這一宏觀物理性質(zhì)稱為溫度。溫標：熱力學第零定律是溫標的理論依據(jù)。a、熱力學溫標:水的三相點為273.16K,單位“開爾文”是水有三相點溫度的1／273。16T單位K，T=273.15+tb、攝氏溫標水的三相點為0.01℃，水的標準沸點為100℃。

t單位℃t=T-273.15

＊（有關(guān)溫度熱力學溫標在第二定之后有嚴格證明）(3)、溫度物體冷熱程度的標志；系統(tǒng)熱平衡的物理特征量。12三狀態(tài)方程、坐標圖1、狀態(tài)方程基本狀態(tài)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式稱為工質(zhì)的狀態(tài)方程。由狀態(tài)公理得：只有兩保獨立變量）

F(p,v,T)=0或

p=p(T,v);v=v(p,T);T=T(p,v)2、坐標圖二個獨立變量時，可以用平面圖表示。而平面上的任意一點則代表了一個平衡狀態(tài)；所有的狀態(tài)都可以在平面上找到。三狀態(tài)方程、坐標圖1、狀態(tài)方程2、坐標圖13四準平衡態(tài)過程和可逆過程1、準平衡態(tài)（準靜態(tài)）過程●定義：由一系列偏高平衡態(tài)不遠的狀態(tài)組成的熱力過程稱為準平衡態(tài)過程。

●準平衡態(tài)過程的實現(xiàn)過程過程進行得非常緩慢，平衡破壞后能自動恢復平衡，且恢復需時間（弛豫時間）很短，過程中隨時都不致遠離平衡狀態(tài)。準平衡態(tài)過程就可在p-v圖上用連續(xù)曲線表示。●實現(xiàn)準平衡態(tài)過程的條件是：

熱平衡ΔT→0力平衡Δp→0四準平衡態(tài)過程和可逆過程1、準平衡態(tài)（準靜態(tài)）過程●142、可逆過程（理想過程）定義如果系統(tǒng)完成某一熱力過程后，再沿原來路徑逆向返回原來的狀態(tài)，并使相互作用中所涉及到的外界也回復到原來的狀態(tài)，而不留下任何變化，則這一過程為可逆過程。可逆過程＝準平衡態(tài)過程＋無耗散效應（耗散效應：通過摩阻、電阻、磁阻等使功變?yōu)闊岬男┛赡孢^程不僅要求工質(zhì)內(nèi)部是平衡的，而且要求工質(zhì)與外界的作用可以無條件地逆復。2、可逆過程（理想過程）定義15五功和熱量功和熱量是熱力過程中系統(tǒng)與外界交換的不同形式的能量。1、功（膨脹功或體積功）

W：表示系統(tǒng)與外界交換的膨脹功(外界得到的膨脹功量）。

根據(jù)功的定義，功可表示為Fdx或∫Fdx對于熱力系F·dx=pA·dx=pdV問題:對于一個準平衡態(tài)過程，過程中有確定的p、V，所以可以得到確定的pdV和∫pdV，但是它是否就等于系統(tǒng)與外界交換的膨脹功？結(jié)論：只有在可逆過程中才有

δW=pdV

W=∫12pdV

δw=pdv

w=∫12pdv以后在p－v圖及T－s圖中凡是用實線畫出的過程都表示可逆過程。五功和熱量功和熱量是熱力過程中系統(tǒng)與外界16有用功Wu、無用功Wr和耗散功Wl閉口系膨脹過程中用推動大所所消耗的功稱為無用功Wr.過程中由于耗散效應所消耗的功稱為耗散功Wl，則有用功Wu為Wu＝

W－Wr－Wl(1－11)Wr＝p0(V2－

V1)＝p0

ΔV(1－12)可逆過程時Wl=0有用功Wu、無用功Wr和耗散功Wl閉口系膨脹過程中用推動大所172、熱量熱量是系統(tǒng)與外界之間在溫差的推動下，通過微觀粒子無序運動的方式與外界交換的能量。Q:

表示系統(tǒng)與外界交換的熱量。若過程可逆則：

δQ=TdS

Q=∫12TdS

δq=Tds

q=∫12Tdsw和q都是過程量而不是狀態(tài)量2、熱量熱量是系統(tǒng)與外界之間在溫差的18六熱力循環(huán)工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列熱力狀態(tài)后，又回到原來初態(tài)的熱力過程稱為熱力循環(huán)，即封閉的熱力過程，簡稱循環(huán)。1、正循環(huán)（動力循環(huán)）(順時針方向)吸熱q1，放熱q2，對外作功wnet，且wnet=q1-q2，熱效率為ηtηt=wnet/q12、逆循環(huán)（制冷循環(huán)）(逆時針方向)放熱q1，吸熱q2，外界輸入功wnet，且wnet=q1-q2，制冷系數(shù)為εε=q2/wnet

六熱力循環(huán)工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列熱力狀態(tài)后，又回到19

本節(jié)所介紹的不是工程熱力學基本概念的全部，在以后的章節(jié)中還將出現(xiàn)新的基本概念，到時將一一論述。本節(jié)所介紹的不是工程熱力學基本概念的全20問答題1、基本狀態(tài)參的哪幾個？為什么稱他們?yōu)榛緺顟B(tài)參數(shù)？2、什么是平衡態(tài)？實現(xiàn)平衡態(tài)的條件是什么？3、什么是可逆過程？實現(xiàn)可逆過程的條件是什么？4、可逆過程的膨脹功w、技術(shù)功wt如何計算？如何在p-v圖上表示可逆過程的膨脹功w和技術(shù)功wt？5、寫出絕對壓力p、表壓pg、真空度pv之間的關(guān)系式。測量容器中的壓力時，壓力表上的讀數(shù)不變，容器中的壓力是否會發(fā)生變化？問答題1、基本狀態(tài)參的哪幾個？為什么稱他們?yōu)榛緺顟B(tài)參數(shù)？21第二節(jié)熱力學第一定律一熱力學第一定律的實質(zhì)熱力學第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的應用。熱是一種能量，機械能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑹崮芤部梢赞D(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，在轉(zhuǎn)變過程中保持量的守恒。第二節(jié)熱力學第一定律一熱力學第一定律的22二熱力學能和系統(tǒng)的總能量1、熱力學能(1)、外部儲存的能量:系統(tǒng)由于宏觀運動所具有的能量。動能Ek勢能Ep。(2)、內(nèi)部儲存能量:系統(tǒng)內(nèi)部分子運動的內(nèi)動能、相互作用的內(nèi)位能及維持分子結(jié)構(gòu)的化學能和原子核內(nèi)部的原子能等。這些能量總稱為熱力學能。熱力系所儲存的能量可分為外部能量和內(nèi)部能量：二熱力學能和系統(tǒng)的總能量1、熱力學能(1)、外部儲存23在無化學反應和核反應的簡單可壓縮系統(tǒng)中

由熱力學能所包含的能量形式可知，熱力學能是狀態(tài)參數(shù)。比熱力學能可表示為：根據(jù)狀態(tài)參數(shù)的特點可有：熱力學能U單位:J或kJ

比熱力學能u=U/m單位:J/kg或kJ/kg在無化學反應和核反應的簡單可壓縮系統(tǒng)中由熱力學能所包含242、系統(tǒng)的總能量2、系統(tǒng)的總能量25三熱力學第一定律的能量方程式根據(jù)熱力第一定律，對于一個任意熱力系統(tǒng)，能量方程可寫成進入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量＝系統(tǒng)能量的增加（2－9）1、閉口系統(tǒng)的能量方程式當宏觀的動能的勢能的變化可以忽略不計或系統(tǒng)靜止時ΔE＝ΔU，則第一定律的方程式可寫成三熱力學第一定律的能量方程式根據(jù)熱力第一定律，對于一個26Q與W正、負號的規(guī)定系統(tǒng)吸熱Q為正，放熱Q為負；系統(tǒng)對外作功W為正，外界對系統(tǒng)作功W為負能量方程式（2－27）常寫成上式的適用條件是：任何過程，任可工質(zhì)。對于可逆過程Q與W正、負號的規(guī)定系統(tǒng)吸熱Q為正，放熱Q為負；能量方程式（27閉口系任何工質(zhì)、可逆過程的能量方程式可寫成對于一個循環(huán)閉口系任何工質(zhì)、可逆過程的能量方程式可寫成對于一個循環(huán)282、開口系統(tǒng)的能量方程式(1)、穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量方程穩(wěn)定流動：流動過程中開口系內(nèi)部的狀態(tài)參數(shù)（熱力學參數(shù)和動力學參數(shù)）不隨時間變化的流動稱為穩(wěn)定流動。穩(wěn)定流動時必有2、開口系統(tǒng)的能量方程式(1)、穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量方程穩(wěn)定流29穩(wěn)定系統(tǒng)的能量分析：進入系統(tǒng)的能量：離開系統(tǒng)的能量：系統(tǒng)能量的增加：ΔECV＝0進入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量＝系統(tǒng)能量的增加穩(wěn)定系統(tǒng)的能量分析：進入系統(tǒng)的能量：離開系統(tǒng)的能量：系統(tǒng)能量30由于m1=m2=m,整理上式得由于m1=m2=m,整理上式得31對上式兩邊同除以m得(3)、焓的定義及物理意義(2)、推動功和流動功推動功：由于工質(zhì)移動而傳遞的功稱為推動功：pV流動功：用于維持流動所需要的功：Δ(pV)=p2V2－p1V1定義：H=U+pV或h=u+pv

單位：J,kJ或J/kg,kJ/kg焓的物理意義:隨著工質(zhì)移動的能量.。對上式兩邊同除以m得(3)、焓的定義及物理意義(2)、推32(4)、技術(shù)功在式(2-32)中是機構(gòu)能的形式,可供工程中直接利用，所以定義它為技術(shù)功：比較式（2－28a)和（2－32）(4)、技術(shù)功在式(2-32)中33若為可逆過程若為可逆過程34引入技術(shù)功后穩(wěn)定系統(tǒng)能量方程式可寫為若過程可逆引入技術(shù)功后穩(wěn)定系統(tǒng)能量方程式可寫為若過程可逆35(5)、一般開口系統(tǒng)的能量方程進入系統(tǒng)的能量：離開系統(tǒng)的能量：系統(tǒng)能量的增加：

Δesy,CV在dτ間內(nèi)代入能量方程,整理后得(5)、一般開口系統(tǒng)的能量方程進入系統(tǒng)的能量：離開系統(tǒng)的能量36四穩(wěn)定系統(tǒng)能量方程式的應用

1、動力機（蒸汽輪機和燃氣輪機2、壓氣機壓氣機的耗功為wc3、換熱器4、管道5、節(jié)流四穩(wěn)定系統(tǒng)能量方程式的應用1、37(1)燃氣在噴管出口的流速c3;(2)每干克燃氣在燃氣輪機中所作的功；(3)當燃氣質(zhì)量流量為5.6kg/s時，燃氣輪機輸出的功率。

燃氣輪機裝置如圖所示。已知在截面1處h1=286kJ/kg的燃料與空氣的混合物以20m/s的速度進入燃燒室，在定壓下燃燒，相當于從外界獲得熱量q=879kJ/kg。燃燒后的燃氣在噴管中絕熱膨脹到3，h3=502kJ/kg.流速增加到c3。然后燃氣推動葉輪轉(zhuǎn)動作功。若燃氣推動葉輪時熱力狀態(tài)不變，只是流速降低。離開燃氣輪機的速度c4=150m/s.試求：例題：(1)燃氣在噴管出口的流速c3;燃氣輪機裝38解：（1）取1－3截面為熱力系統(tǒng)解：（1）取1－3截面為熱力系統(tǒng)39（2）取3－4截面為熱力系統(tǒng)又由“若燃氣推動葉輪時熱力狀態(tài)不變”，（2）取3－4截面為熱力系統(tǒng)又由“若燃氣推動葉輪時熱力狀態(tài)不40（3）功率為PP＝qmwsh34=5.6×652=3651.2kW試分析有無其它的解題思路？（3）功率為PP＝qmwsh34=5.6×652試分析有無其41問答題1、熱力學第一定律的實質(zhì)是什么？2、工程熱力學中，熱力學能包含哪幾項能量的形式。3、寫出穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量方程式，當用于鍋爐、汽輪機及節(jié)流過程時方程的簡化形式。在以上三種過程中膨脹功的表現(xiàn)形式。4、說明焓的定義式及物理意義。5、寫出技術(shù)功的定義式。可逆過程的技術(shù)功在p-v圖上如何表示。6、給一不可壓縮的流體絕熱的情況下加壓，熱力學能和焓如何變化？問答題1、熱力學第一定律的實質(zhì)是什么？42第三節(jié)熱力學第二定律一熱力過程的不可逆性及熱力第二定律的實質(zhì)說明熱力過程進行的方向、條件、和限度等間題的規(guī)律。其中熱力過程的方向性最為重要。1、常見的不可逆過程(1)、摩擦使功變?yōu)闊?3)、有限溫差傳熱(4)、自由膨脹(5)、混合過程(2)、電阻使電能變?yōu)闊?、第二定律的實質(zhì)第三節(jié)熱力學第二定律一熱力過程的不可逆性及43二熱力學第二定律的表述

熱力學第二定律應用范圍極為廣泛（諸如熱量傳遞、熱功轉(zhuǎn)換、化學反應、燃料燃燒、氣體擴散、分離、溶解、結(jié)晶、生物化學、生命現(xiàn)象、低溫物理、氣象等其他領(lǐng)域）。針對各類具體問題，熱力學第二定律有各種形式有表述，這里只介紹兩種最基本的、表達形式1、克勞修斯說法熱量不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳至高溫物體。2、開爾文說法

不可能制造出單一熱源吸熱、使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其他任何變化的熱力發(fā)動機。（第二類永動機是不可能實現(xiàn)的）二熱力學第二定律的表述熱力學第二定律應44以上兩種說法是一致的。如果違犯了開爾文說法，必將違犯克勞修斯說法。熱機違犯了開爾文說法，最后聯(lián)合循環(huán)的效果違犯了克勞修斯說法以上兩種說法是一致的。如果違犯了開爾文說法，必將違犯克勞修斯45三卡諾循環(huán)及卡諾定律1、卡諾循環(huán)工作于溫度分別為T1和T2的兩個熱源之間的正向循，由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程組成。三卡諾循環(huán)及卡諾定律1、卡諾循環(huán)46卡諾循環(huán)的熱效率為(1)、熱效率只與T1與T2有關(guān)，與工質(zhì)無關(guān)。(2)、熱效率只能小于1（第二類永動機不能實現(xiàn)）。(3)、當T1＝T2時，熱效率為零。卡諾循環(huán)的熱效率為(1)、熱效率只與T1與T2有關(guān)，與工質(zhì)無472、逆卡諾循環(huán)2、逆卡諾循環(huán)483、概括性卡諾循環(huán)3、概括性卡諾循環(huán)494、多熱源可逆循環(huán)吸熱量q1'=面積ehgnme放熱量q2'

=面積elgnme4、多熱源可逆循環(huán)吸熱量q1'=面積ehgnme放熱量q250定義平均吸和放熱溫度定義平均吸和放熱溫度515、卡諾定理定理一

在相同溫度的高溫熱源T1和相同溫度低溫熱源T2之間工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相等，與可逆循環(huán)的種類無關(guān)，與采用哪一種工質(zhì)也無關(guān)。定理二

在相同溫度的高溫熱源T1和相同溫度低溫熱源T2之間工作的一切不可逆循環(huán)，其熱效率必小于可逆循環(huán)的熱效率。5、卡諾定理定理一定理二52定理一證明定理一證明53

由于卡諾循環(huán)是這些可逆循環(huán)之一，所以A、B兩熱機的熱效率可用卡諾熱機的熱率表示由于卡諾循環(huán)是這些可逆循環(huán)之一，所以A、B54定理二證明定理二證明55四狀態(tài)參數(shù)熵1、熵的導出對任意可逆循環(huán)1A2B1，用絕熱線a-g、b-f等循環(huán)進行分割，當兩條線非常接近時，吸熱和放熱可看成定溫微無過程，對于微元卡諾循環(huán)abfga有下標r表示熱源參數(shù)。當考慮放熱正負號時，上式可寫成四狀態(tài)參數(shù)熵1、熵的導出對任意可逆循環(huán)1A2B1，用56積分上式T是工質(zhì)的溫度，可逆時Tr=T，式（5－6）稱克勞修斯積分式。由式（5－6）可知δQrev/T具有狀態(tài)參數(shù)的特性，定義為熵。積分上式T是工質(zhì)的溫度，可逆時Tr=T，式（5－657對于狀態(tài)參數(shù)熵有對于狀態(tài)參數(shù)熵有582、不可逆過程熵的變化對于不可逆循環(huán)1A2B1有考慮放熱正負號時，上式可寫成上式稱為克勞修斯積爭式，將式(2－49)和式(2－52)結(jié)合，可得式（2－53）稱為熱力學第二定律數(shù)學表達式之一。2、不可逆過程熵的變化對于不可逆循環(huán)1A2B1有考慮放熱正負59現(xiàn)在分析不可逆過程1A2過程的熵變?yōu)榱擞嬎?A2過程的熵變，增加可逆過程2B1，這形成一個不可逆循環(huán)，則現(xiàn)在分析不可逆過程1A2過程的熵變60所以不可逆過程1A2的熵變?yōu)閷⑹剑?－50）和（2－54）合并得過程的熵變上面這些都可稱為第二定律的數(shù)學表達式。所以不可逆過程1A2的熵變?yōu)閷⑹剑?－50）和（2－54）合613、熵流與熵產(chǎn)對于閉口系，式（2－54）可以在右邊加一項，使不等號變?yōu)榈忍枽腟f,Q稱為熵流,它是由于系統(tǒng)與外界交換熱量引起的;δSg稱為熵產(chǎn),它是由于不可逆因素引起的。δSf,Q可正可負，也可等于零；δSg大于或等于零。絕熱系與外界設(shè)有熱量交換，故沒有熱量引起的熵流，則3、熵流與熵產(chǎn)對于閉口系，式（2－54）可以在右邊加一項，使62五熵增原理對于孤立系，由式（2－54）可得上式的含義為：孤立系內(nèi)部發(fā)生不可逆變化時，孤立系的熵增大,dSiso>0;極限情況（發(fā)生可逆變化）熵保持不變,dSiso=0;使孤立系熵減小的過程不可能出現(xiàn)。簡言之，孤立系統(tǒng)的嫡可以增大或保持不變，但不可能減少。這一結(jié)論即孤立系統(tǒng)熵增原理，簡稱熵增原理。

注意：熵增原理只適用于孤立系統(tǒng)。至于非孤立系，或者孤立系中某個物體，它們在過程中可以吸熱也可以放熱，所以它們的熵既可能增大、可能不變，也可能減小。

五熵增原理對于孤立系，由式（2－54）可得63熵增原理的實質(zhì)一、熵增原理闡明了過程進行的方向，即dSiso>0。二、熵增原理指出了熱過程進行的限度，即dSiso＝0。

三、熵增原理揭示了熱過程進行的條件（孤立系的熱過程中有部分物體熵減小，必有部分物體的熵增大的相伴隨）。熵增原理全面地、透徹地揭示了熱過程進行的方向、限度和條件，這些正是熱力學第二定律的實質(zhì)。由于熱力學第二定律的各種說法都可以歸結(jié)為熵增原理，又總能將任何系統(tǒng)與相關(guān)物體、相關(guān)環(huán)境一起歸人一個孤立系統(tǒng)，所以可以認為式(5一20a)，即是熱力學第二定律數(shù)學表達式的一種最基本的形式。熵增原理的實質(zhì)一、熵增原理闡明了過程進行的方向，即dSiso64熱力學第二定律數(shù)學表達式熱力學第二定律數(shù)學表達式65六熵產(chǎn)與作功能力損失

由于摩擦等耗散效應而損失的機械功稱耗散功，以Wl表示。當孤立系統(tǒng)內(nèi)部存在不可逆耗散效應時，耗散功轉(zhuǎn)化為熱量，稱為耗散熱，以Qg表示。這時δQg=δWl,它由孤立系內(nèi)某個(或某些)物體吸收，引起物體的熵增大，稱為熵產(chǎn)Sg。可逆過程因無耗散熱，故熵產(chǎn)為零。設(shè)吸熱時物體溫度為T,則

耗散功轉(zhuǎn)化的熱能，如果全部被一個溫度與環(huán)境溫度T0相同的物體吸收，它將不再具有作出有用功的能力，或者說作功能力喪失殆盡。作功能力損失以I表示,dI＝δWI。因而，可得出孤立系統(tǒng)的熵增與作功能力損失（亦即后文的煙損失）的關(guān)系為六熵產(chǎn)與作功能力損失由于摩擦等耗散效66七熵方程一、閉口系的熵方程二、開口系的熵方程七熵方程一、閉口系的熵方程二、開口系的熵方程67穩(wěn)定流動時或?qū)懗蓪τ?kg工質(zhì)對于絕熱過程穩(wěn)定流動時或?qū)懗蓪τ?kg工質(zhì)對于絕熱過程68八熱量的可用能（火用）與不可用能（火無）

熱量中能最大可能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能（或功）的部分稱為熱量中的火用（有效能、可用能）；無論怎樣都不能轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ牟糠址Q為熱量中的火無（無效能、不可用能）。八熱量的可用能（火用）與不可用能（火無）691、恒溫熱源放出熱量的火用熱量Q中的可用能為熱量Q中的不可用能為1、恒溫熱源放出熱量的火用熱量Q中的可用能為熱量Q中的不可用70在T－s圖上可用面積表法在T－s圖上可用面積表法712、變溫熱源放出熱量的火用熱量δQ中的可用能為熱量δQ中的不可用能為同樣2、變溫熱源放出熱量的火用熱量δQ中的可用能為熱量δQ中的不723、冷量火用當熱源溫度低于環(huán)境溫度T0時，系統(tǒng)吸入熱量Q0時作出的最大有用功稱為冷量火用，用Ex,Q0表示(1)、恒溫熱源由能量守恒關(guān)系得從而有冷量火無為循環(huán)從環(huán)境的吸熱量,即3、冷量火用當熱源溫度低于環(huán)境溫度T0時，系73(2)、變溫熱源(2)、變溫熱源74請看思考題請看思考題75第二章能量轉(zhuǎn)換的基本概念和基本定律第二章能量轉(zhuǎn)換的基本概念76第一節(jié)基本概念一熱力系和工質(zhì)

1、熱力系熱力學中所研究的對象稱為熱力學系統(tǒng)，簡稱熱力系。第一節(jié)基本概念一熱力系和工質(zhì)77常見的熱力系(1)、閉口系：熱力系與外界沒有物質(zhì)交換。（C.M)(2)、開口系：熱力系與外界有物質(zhì)交換。(C.V)(3)、絕熱系：熱力系與外界無熱量交換。(4)、孤立系：熱力系與外界既無能量交換又無物質(zhì)交換。(5)、簡單可壓縮系：熱力系與外界只有一種體積變化功的交換。(6)、熱源：無限大的熱庫，吸入熱量和放出熱量后，溫度不變。常見的熱力系(1)、閉口系：熱力系與外界沒有物質(zhì)交換。78熱力系邊界的特點固定邊界移動邊界真實的邊界界面假想的空間界面熱力系邊界的特點固定邊界792、工質(zhì)實現(xiàn)能量相互傳遞與轉(zhuǎn)換的物質(zhì)（介質(zhì)）稱為工質(zhì)。

如：水蒸汽、內(nèi)燃機中工作的燃氣制冷劑常用的氣態(tài)物質(zhì)等。2、工質(zhì)實現(xiàn)能量相互傳遞與轉(zhuǎn)換的物質(zhì)（介質(zhì)80二平衡狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)1、平衡狀態(tài)在沒有外界影響的條件下，熱力系的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)（平衡態(tài)）。若系統(tǒng)的各部分之間沒有熱量傳遞,則系統(tǒng)處于熱平衡.若系統(tǒng)的各部分之間沒有相對位移,則系統(tǒng)處于力平衡.處于平衡態(tài)的熱力系，各處應具有均勻一致的溫度、壓力等宏觀物理量。

實現(xiàn)熱力平衡態(tài)的條件（無化學反應等其它不平衡勢）：溫度平衡（熱平衡）。壓力平衡（力平衡）。處于平衡態(tài)的熱力系可用確定的壓力、溫度等宏觀的物理量來描述。二平衡狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)1、平衡狀態(tài)812、狀態(tài)參數(shù)及其特點狀態(tài)參數(shù)；描述熱力系統(tǒng)所外狀態(tài)的宏觀物理量。狀態(tài)參數(shù)的特征：只取決于狀態(tài)，與過程（路徑）無關(guān)。數(shù)學特征強度量狀態(tài)參數(shù)：與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)數(shù)量無關(guān)的狀態(tài)參數(shù)。廣延量狀態(tài)參數(shù)：與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)數(shù)量有關(guān)的狀態(tài)參數(shù)。2、狀態(tài)參數(shù)及其特點狀態(tài)參數(shù)；強度量狀態(tài)參數(shù)：823、基本狀態(tài)參數(shù)(1)、比體積

單位m3/kg

密度3、基本狀態(tài)參數(shù)(1)、比體積83(2)、壓力（壓強）單位：Pa壓力的國際制單位：1MPa=103kPa=106Pa其它非國際制壓力單位：標準大氣壓atm：1atm=101325Pa工程大氣壓at(kgf/cm2);：1at=9.8067×104Pa巴bar，毫巴mbar1bar＝1000mbar＝105Pa毫米汞柱mmHg：1mmHg＝133.32Pa毫米水柱mmH2O：1mmH2O＝9.8067Pa(2)、壓力（壓強）84壓力的測量（1）

當p>pb

時，p=pb

+pg

p

g稱為表壓（壓力表）當p<pb

時，p=pb

-pv

p

v稱為真空度（真空表）壓力的測量（1）當p>pb時，p=85壓力的測量（2）

p=pb+pg=pb+ρghp=pb–pv

=pb–ρgh

pg:表壓pv：真空度壓力的測量（2）86(3)、溫度物體冷熱程度的標志；系統(tǒng)熱平衡的物理特征量。熱力學第零定律：當物體C同時與物體A和B接觸而達到熱平衡時,物體A和B也一定熱平衡。這一事實說明物質(zhì)具備某種宏觀性質(zhì)。若兩個熱力系分別與第三個熱力系熱平衡，那么這兩個熱力彼此處于熱平衡。這一宏觀物理性質(zhì)稱為溫度。溫標：熱力學第零定律是溫標的理論依據(jù)。a、熱力學溫標:水的三相點為273.16K,單位“開爾文”是水有三相點溫度的1／273。16T單位K，T=273.15+tb、攝氏溫標水的三相點為0.01℃，水的標準沸點為100℃。

t單位℃t=T-273.15

＊（有關(guān)溫度熱力學溫標在第二定之后有嚴格證明）(3)、溫度物體冷熱程度的標志；系統(tǒng)熱平衡的物理特征量。87三狀態(tài)方程、坐標圖1、狀態(tài)方程基本狀態(tài)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式稱為工質(zhì)的狀態(tài)方程。由狀態(tài)公理得：只有兩保獨立變量）

F(p,v,T)=0或

p=p(T,v);v=v(p,T);T=T(p,v)2、坐標圖二個獨立變量時，可以用平面圖表示。而平面上的任意一點則代表了一個平衡狀態(tài)；所有的狀態(tài)都可以在平面上找到。三狀態(tài)方程、坐標圖1、狀態(tài)方程2、坐標圖88四準平衡態(tài)過程和可逆過程1、準平衡態(tài)（準靜態(tài)）過程●定義：由一系列偏高平衡態(tài)不遠的狀態(tài)組成的熱力過程稱為準平衡態(tài)過程。

●準平衡態(tài)過程的實現(xiàn)過程過程進行得非常緩慢，平衡破壞后能自動恢復平衡，且恢復需時間（弛豫時間）很短，過程中隨時都不致遠離平衡狀態(tài)。準平衡態(tài)過程就可在p-v圖上用連續(xù)曲線表示。●實現(xiàn)準平衡態(tài)過程的條件是：

熱平衡ΔT→0力平衡Δp→0四準平衡態(tài)過程和可逆過程1、準平衡態(tài)（準靜態(tài)）過程●892、可逆過程（理想過程）定義如果系統(tǒng)完成某一熱力過程后，再沿原來路徑逆向返回原來的狀態(tài)，并使相互作用中所涉及到的外界也回復到原來的狀態(tài)，而不留下任何變化，則這一過程為可逆過程。可逆過程＝準平衡態(tài)過程＋無耗散效應（耗散效應：通過摩阻、電阻、磁阻等使功變?yōu)闊岬男┛赡孢^程不僅要求工質(zhì)內(nèi)部是平衡的，而且要求工質(zhì)與外界的作用可以無條件地逆復。2、可逆過程（理想過程）定義90五功和熱量功和熱量是熱力過程中系統(tǒng)與外界交換的不同形式的能量。1、功（膨脹功或體積功）

W：表示系統(tǒng)與外界交換的膨脹功(外界得到的膨脹功量）。

根據(jù)功的定義，功可表示為Fdx或∫Fdx對于熱力系F·dx=pA·dx=pdV問題:對于一個準平衡態(tài)過程，過程中有確定的p、V，所以可以得到確定的pdV和∫pdV，但是它是否就等于系統(tǒng)與外界交換的膨脹功？結(jié)論：只有在可逆過程中才有

δW=pdV

W=∫12pdV

δw=pdv

w=∫12pdv以后在p－v圖及T－s圖中凡是用實線畫出的過程都表示可逆過程。五功和熱量功和熱量是熱力過程中系統(tǒng)與外界91有用功Wu、無用功Wr和耗散功Wl閉口系膨脹過程中用推動大所所消耗的功稱為無用功Wr.過程中由于耗散效應所消耗的功稱為耗散功Wl，則有用功Wu為Wu＝

W－Wr－Wl(1－11)Wr＝p0(V2－

V1)＝p0

ΔV(1－12)可逆過程時Wl=0有用功Wu、無用功Wr和耗散功Wl閉口系膨脹過程中用推動大所922、熱量熱量是系統(tǒng)與外界之間在溫差的推動下，通過微觀粒子無序運動的方式與外界交換的能量。Q:

表示系統(tǒng)與外界交換的熱量。若過程可逆則：

δQ=TdS

Q=∫12TdS

δq=Tds

q=∫12Tdsw和q都是過程量而不是狀態(tài)量2、熱量熱量是系統(tǒng)與外界之間在溫差的93六熱力循環(huán)工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列熱力狀態(tài)后，又回到原來初態(tài)的熱力過程稱為熱力循環(huán)，即封閉的熱力過程，簡稱循環(huán)。1、正循環(huán)（動力循環(huán)）(順時針方向)吸熱q1，放熱q2，對外作功wnet，且wnet=q1-q2，熱效率為ηtηt=wnet/q12、逆循環(huán)（制冷循環(huán)）(逆時針方向)放熱q1，吸熱q2，外界輸入功wnet，且wnet=q1-q2，制冷系數(shù)為εε=q2/wnet

六熱力循環(huán)工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列熱力狀態(tài)后，又回到94

本節(jié)所介紹的不是工程熱力學基本概念的全部，在以后的章節(jié)中還將出現(xiàn)新的基本概念，到時將一一論述。本節(jié)所介紹的不是工程熱力學基本概念的全95問答題1、基本狀態(tài)參的哪幾個？為什么稱他們?yōu)榛緺顟B(tài)參數(shù)？2、什么是平衡態(tài)？實現(xiàn)平衡態(tài)的條件是什么？3、什么是可逆過程？實現(xiàn)可逆過程的條件是什么？4、可逆過程的膨脹功w、技術(shù)功wt如何計算？如何在p-v圖上表示可逆過程的膨脹功w和技術(shù)功wt？5、寫出絕對壓力p、表壓pg、真空度pv之間的關(guān)系式。測量容器中的壓力時，壓力表上的讀數(shù)不變，容器中的壓力是否會發(fā)生變化？問答題1、基本狀態(tài)參的哪幾個？為什么稱他們?yōu)榛緺顟B(tài)參數(shù)？96第二節(jié)熱力學第一定律一熱力學第一定律的實質(zhì)熱力學第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的應用。熱是一種能量，機械能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑹崮芤部梢赞D(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，在轉(zhuǎn)變過程中保持量的守恒。第二節(jié)熱力學第一定律一熱力學第一定律的97二熱力學能和系統(tǒng)的總能量1、熱力學能(1)、外部儲存的能量:系統(tǒng)由于宏觀運動所具有的能量。動能Ek勢能Ep。(2)、內(nèi)部儲存能量:系統(tǒng)內(nèi)部分子運動的內(nèi)動能、相互作用的內(nèi)位能及維持分子結(jié)構(gòu)的化學能和原子核內(nèi)部的原子能等。這些能量總稱為熱力學能。熱力系所儲存的能量可分為外部能量和內(nèi)部能量：二熱力學能和系統(tǒng)的總能量1、熱力學能(1)、外部儲存98在無化學反應和核反應的簡單可壓縮系統(tǒng)中

由熱力學能所包含的能量形式可知，熱力學能是狀態(tài)參數(shù)。比熱力學能可表示為：根據(jù)狀態(tài)參數(shù)的特點可有：熱力學能U單位:J或kJ

比熱力學能u=U/m單位:J/kg或kJ/kg在無化學反應和核反應的簡單可壓縮系統(tǒng)中由熱力學能所包含992、系統(tǒng)的總能量2、系統(tǒng)的總能量100三熱力學第一定律的能量方程式根據(jù)熱力第一定律，對于一個任意熱力系統(tǒng)，能量方程可寫成進入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量＝系統(tǒng)能量的增加（2－9）1、閉口系統(tǒng)的能量方程式當宏觀的動能的勢能的變化可以忽略不計或系統(tǒng)靜止時ΔE＝ΔU，則第一定律的方程式可寫成三熱力學第一定律的能量方程式根據(jù)熱力第一定律，對于一個101Q與W正、負號的規(guī)定系統(tǒng)吸熱Q為正，放熱Q為負；系統(tǒng)對外作功W為正，外界對系統(tǒng)作功W為負能量方程式（2－27）常寫成上式的適用條件是：任何過程，任可工質(zhì)。對于可逆過程Q與W正、負號的規(guī)定系統(tǒng)吸熱Q為正，放熱Q為負；能量方程式（102閉口系任何工質(zhì)、可逆過程的能量方程式可寫成對于一個循環(huán)閉口系任何工質(zhì)、可逆過程的能量方程式可寫成對于一個循環(huán)1032、開口系統(tǒng)的能量方程式(1)、穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量方程穩(wěn)定流動：流動過程中開口系內(nèi)部的狀態(tài)參數(shù)（熱力學參數(shù)和動力學參數(shù)）不隨時間變化的流動稱為穩(wěn)定流動。穩(wěn)定流動時必有2、開口系統(tǒng)的能量方程式(1)、穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量方程穩(wěn)定流104穩(wěn)定系統(tǒng)的能量分析：進入系統(tǒng)的能量：離開系統(tǒng)的能量：系統(tǒng)能量的增加：ΔECV＝0進入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量＝系統(tǒng)能量的增加穩(wěn)定系統(tǒng)的能量分析：進入系統(tǒng)的能量：離開系統(tǒng)的能量：系統(tǒng)能量105由于m1=m2=m,整理上式得由于m1=m2=m,整理上式得106對上式兩邊同除以m得(3)、焓的定義及物理意義(2)、推動功和流動功推動功：由于工質(zhì)移動而傳遞的功稱為推動功：pV流動功：用于維持流動所需要的功：Δ(pV)=p2V2－p1V1定義：H=U+pV或h=u+pv

單位：J,kJ或J/kg,kJ/kg焓的物理意義:隨著工質(zhì)移動的能量.。對上式兩邊同除以m得(3)、焓的定義及物理意義(2)、推107(4)、技術(shù)功在式(2-32)中是機構(gòu)能的形式,可供工程中直接利用，所以定義它為技術(shù)功：比較式（2－28a)和（2－32）(4)、技術(shù)功在式(2-32)中108若為可逆過程若為可逆過程109引入技術(shù)功后穩(wěn)定系統(tǒng)能量方程式可寫為若過程可逆引入技術(shù)功后穩(wěn)定系統(tǒng)能量方程式可寫為若過程可逆110(5)、一般開口系統(tǒng)的能量方程進入系統(tǒng)的能量：離開系統(tǒng)的能量：系統(tǒng)能量的增加：

Δesy,CV在dτ間內(nèi)代入能量方程,整理后得(5)、一般開口系統(tǒng)的能量方程進入系統(tǒng)的能量：離開系統(tǒng)的能量111四穩(wěn)定系統(tǒng)能量方程式的應用

1、動力機（蒸汽輪機和燃氣輪機2、壓氣機壓氣機的耗功為wc3、換熱器4、管道5、節(jié)流四穩(wěn)定系統(tǒng)能量方程式的應用1、112(1)燃氣在噴管出口的流速c3;(2)每干克燃氣在燃氣輪機中所作的功；(3)當燃氣質(zhì)量流量為5.6kg/s時，燃氣輪機輸出的功率。

燃氣輪機裝置如圖所示。已知在截面1處h1=286kJ/kg的燃料與空氣的混合物以20m/s的速度進入燃燒室，在定壓下燃燒，相當于從外界獲得熱量q=879kJ/kg。燃燒后的燃氣在噴管中絕熱膨脹到3，h3=502kJ/kg.流速增加到c3。然后燃氣推動葉輪轉(zhuǎn)動作功。若燃氣推動葉輪時熱力狀態(tài)不變，只是流速降低。離開燃氣輪機的速度c4=150m/s.試求：例題：(1)燃氣在噴管出口的流速c3;燃氣輪機裝113解：（1）取1－3截面為熱力系統(tǒng)解：（1）取1－3截面為熱力系統(tǒng)114（2）取3－4截面為熱力系統(tǒng)又由“若燃氣推動葉輪時熱力狀態(tài)不變”，（2）取3－4截面為熱力系統(tǒng)又由“若燃氣推動葉輪時熱力狀態(tài)不115（3）功率為PP＝qmwsh34=5.6×652=3651.2kW試分析有無其它的解題思路？（3）功率為PP＝qmwsh34=5.6×652試分析有無其116問答題1、熱力學第一定律的實質(zhì)是什么？2、工程熱力學中，熱力學能包含哪幾項能量的形式。3、寫出穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量方程式，當用于鍋爐、汽輪機及節(jié)流過程時方程的簡化形式。在以上三種過程中膨脹功的表現(xiàn)形式。4、說明焓的定義式及物理意義。5、寫出技術(shù)功的定義式。可逆過程的技術(shù)功在p-v圖上如何表示。6、給一不可壓縮的流體絕熱的情況下加壓，熱力學能和焓如何變化？問答題1、熱力學第一定律的實質(zhì)是什么？117第三節(jié)熱力學第二定律一熱力過程的不可逆性及熱力第二定律的實質(zhì)說明熱力過程進行的方向、條件、和限度等間題的規(guī)律。其中熱力過程的方向性最為重要。1、常見的不可逆過程(1)、摩擦使功變?yōu)闊?3)、有限溫差傳熱(4)、自由膨脹(5)、混合過程(2)、電阻使電能變?yōu)闊?、第二定律的實質(zhì)第三節(jié)熱力學第二定律一熱力過程的不可逆性及118二熱力學第二定律的表述

熱力學第二定律應用范圍極為廣泛（諸如熱量傳遞、熱功轉(zhuǎn)換、化學反應、燃料燃燒、氣體擴散、分離、溶解、結(jié)晶、生物化學、生命現(xiàn)象、低溫物理、氣象等其他領(lǐng)域）。針對各類具體問題，熱力學第二定律有各種形式有表述，這里只介紹兩種最基本的、表達形式1、克勞修斯說法熱量不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳至高溫物體。2、開爾文說法

不可能制造出單一熱源吸熱、使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其他任何變化的熱力發(fā)動機。（第二類永動機是不可能實現(xiàn)的）二熱力學第二定律的表述熱力學第二定律應119以上兩種說法是一致的。如果違犯了開爾文說法，必將違犯克勞修斯說法。熱機違犯了開爾文說法，最后聯(lián)合循環(huán)的效果違犯了克勞修斯說法以上兩種說法是一致的。如果違犯了開爾文說法，必將違犯克勞修斯120三卡諾循環(huán)及卡諾定律1、卡諾循環(huán)工作于溫度分別為T1和T2的兩個熱源之間的正向循，由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程組成。三卡諾循環(huán)及卡諾定律1、卡諾循環(huán)121卡諾循環(huán)的熱效率為(1)、熱效率只與T1與T2有關(guān)，與工質(zhì)無關(guān)。(2)、熱效率只能小于1（第二類永動機不能實現(xiàn)）。(3)、當T1＝T2時，熱效率為零。卡諾循環(huán)的熱效率為(1)、熱效率只與T1與T2有關(guān)，與工質(zhì)無1222、逆卡諾循環(huán)2、逆卡諾循環(huán)1233、概括性卡諾循環(huán)3、概括性卡諾循環(huán)1244、多熱源可逆循環(huán)吸熱量q1'=面積ehgnme放熱量q2'

=面積elgnme4、多熱源可逆循環(huán)吸熱量q1'=面積ehgnme放熱量q2125定義平均吸和放熱溫度定義平均吸和放熱溫度1265、卡諾定理定理一

在相同溫度的高溫熱源T1和相同溫度低溫熱源T2之間工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相等，與可逆循環(huán)的種類無關(guān)，與采用哪一種工質(zhì)也無關(guān)。定理二

在相同溫度的高溫熱源T1和相同溫度低溫熱源T2之間工作的一切不可逆循環(huán)，其熱效率必小于可逆循環(huán)的熱效率。5、卡諾定理定理一定理二127定理一證明定理一證明128

由于卡諾循環(huán)是這些可逆循環(huán)之一，所以A、B兩熱機的熱效率可用卡諾熱機的熱率表示由于卡諾循環(huán)是這些可逆循環(huán)之一，所以A、B129定理二證明定理二證明130四狀態(tài)參數(shù)熵1、熵的導出對任意可逆循環(huán)1A2B1，用絕熱線a-g、b-f等循環(huán)進行分割，當兩條線非常接近時，吸熱和放熱可看成定溫微無過程，對于微元卡諾循環(huán)abfga有下標r表示熱源參數(shù)。當考慮放熱正負號時，上式可寫成四狀態(tài)參數(shù)熵1、熵的導出對任意可逆循環(huán)1A2B1，用131積分上式T是工質(zhì)的溫度，可逆時Tr=T，式（5－