第一篇工程熱力學第二章熱能轉換的基本概念和基本定律閆曉莉第一節熱能轉換的基本概念第二節熱力學第一定律第三節熱力學第二定律第一節熱能轉換的基本概念熱力系、狀態及狀態參數熱力過程、功量及熱量一、熱力系、狀態和狀態參數（一）熱力系system與工質熱力學中，把某種邊界所包圍的特定物質或空間作為分析研究的對象，此類對象稱為熱力學系統，簡稱熱力系或系統。熱力系可以是一種物質或幾種物質的組合，也可以是空間的一定區域。

邊界boundary(界面)：系統與外界的分界面。邊界以外的一切物質和空間稱為外界，surroundings

。包圍熱力系的邊界可以是真實的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是運動的。系統與外界的作用都通過邊界功和熱的交換固定、活動fixed、movable真實、虛構real

、imaginary以系統與外界關系劃分：

有無是否傳質開口系閉口系是否傳熱非絕熱系絕熱系是否傳功非絕功系絕功系是否傳熱、功、質非孤立系孤立系TypesofSystem熱力系與外界可以有能量和物質的交換，而物質的交換總伴隨著能量的交換。按照熱力系與外界相互作用情況，可分為：

閉口系——與外界無物質交換的系統。此時，熱力系內物質的質量保持不變，稱為控制質量（CM）。

開口系——與外界有物質交換的系統。把研究對象規劃在一定的空間范圍內，該空間范圍稱為控制容積（CV）。OpensystemControlvolumeClosedsystemControlmass

簡單可壓縮系——熱力系由可壓縮流體構成，與外界只有熱量和可逆體積變化功的交換。熱能所涉及的系統大多屬于簡單可壓縮系統。

絕熱系——與外界無熱量交換的系統。

孤立系——與外界無任何物質和能量交換的熱力系。

AdiabaticsystemIsolatedsystemSimplecompressiblesystem熱源——與外界僅有熱量的交換，且有限量的熱交換不引起系統溫度變化的熱力系統。根據熱源溫度的高低和作用，熱源可分為高溫熱源和低溫熱源，（熱源和冷源）HeatResource1234mQW1

開口系非孤立系＋相關外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4

孤立系2.工質實現能量傳遞與轉換的物質稱為工質。內燃機的工質是燃氣；蒸汽動力裝置的工質是水蒸汽。為使能量轉換有效而迅速，常選氣(汽)態物質作為工質。（二）平衡狀態Equilibriumstate為了分析熱力系中能量轉換的情況，首先必須能夠正確地描述系統的熱力狀態。熱力狀態state——熱力系在某一瞬間所呈現的宏觀物理狀況。平衡態的概念在沒有外界影響（重力場除外）的條件下，熱力系的宏觀性質不隨時間變化的狀態。Asysteminequilibriumexperiencesnochangeswhenitisisolatedfromitsurroundings.ManytypesofEquilibrium1、熱平衡Thermalequilibrium:ifthetemperatureisthesamethroughouttheentire溫差

Temperaturedifferential熱不平衡勢UnbalancedpotentialsManytypesofEquilibrium2、力平衡Mechanicalequilibrium:ifthereisnochangeinpressureatanypointofthesystemwithtime

Thevariationofpressureasaresultofgravityinmostthermodynamicsystemisrelativelysmallandusuallydisregarded壓差

Pressuredifferential力不平衡勢UnbalancedpotentialsManytypesofEquilibrium3、相平衡Phaseequilibrium:whenthemassofeachphasereachesanequilibriumlevelandstaysthere4、化學平衡Chemicalequilibrium:ifitschemicalcompositiondoesnotchangewithtime.Thatis,nochemicalreactionsoccur.平衡狀態Equilibriumstate

溫差

—熱不平衡勢

壓差

—力不平衡勢

相變

—相不平衡勢

化學反應

—化學不平衡勢平衡的本質：不存在不平衡勢Inanequilibriumstatetherearenounbalancedpotentials實現平衡的條件力平衡、熱平衡和化學平衡是實現平衡的三個必要條件。系統內部以及系統與外界之間各種不平衡勢差的消失是建立起平衡的另一充要條件。平衡Equilibrium與穩定Steady穩定：參數不隨時間變化穩定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態變化若以（熱源+銅棒+冷源）為系統，又如何？穩定不一定平衡，但平衡一定穩定平衡Equilibrium與均勻Even平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態則一定是均勻的為什么引入平衡概念？如果系統平衡，可用一組確切的參數（壓力、溫度）描述但平衡狀態是死態，沒有能量交換能量交換狀態變化破壞平衡如何描述（三）狀態參數stateproperties描寫系統宏觀狀態的物理量稱為狀態參數。狀態參數的數值僅僅取決于狀態，而與達到此狀態所經歷的途徑無關。描寫系統狀態的物理量可分為強度量和尺度量(又稱廣延量)兩類。當狀態一定時．凡與物質質量無關的物理量稱為強度量，如壓力P、溫度T等；與物質質量成比例的物理量稱為尺度量，如體積V、熱力學能U、焓H、熵S等。尺度量除以質量就轉化成了強度量。由尺度量轉化成的強度量，在尺度量名稱前冠以“比”(或“質量”)字，并用相應的小寫字母表示，如比體積v、比熱力學能u、比焓h和比熵s等。單位：/kg具有強度參數的性質

狀態參數中，壓力P、比體積v和溫度T可以直接用儀表測定，稱為基本狀態參數或宏觀狀態參數Basic

stateproperties

；熱力學能U、焓H和熵S無法直接測定，要利用可測參數計算得到，又稱為微觀狀態參數。1.比體積和密度單位質量物質所占的體積稱為比體積，也稱為比容。若以m表示質量，V表示所占體積，則比體積比體積的倒數稱為密度，以ρ表示，則有密度ρ表示單位體積所含的物質質量。2.壓力

單位面積上所受的垂直作用力稱為壓力(壓強)，以P表示。如用A表示面積，F表示垂直于A的均勻作用力．則壓力壓力單位為Pa。

1Pa＝1N／m2

壓力常用壓力表或真空表來測定。常用的測壓計有彈簧管式測壓計和U形管測壓計。不論哪種測壓計，實際都是測定壓差的差壓計。通常，測壓計指示被測物質與環境大氣之間的壓差。

環境壓力與大氣壓力指壓力表所處環境注意：

環境壓力一般為大氣壓，但不一定。環境壓力Environmentalpressure大氣壓力Atmosphericpressurebarometric

壓力分為絕對壓力和相對壓力。絕對壓力是指氣體的真實壓力。測量壓力的儀表通常總是處于大氣環境中，因此不能直接測得絕對壓力，而只能測出絕對壓力和當時當地的大氣壓力的差值——相對壓力。當氣體的絕對壓力高于大氣壓力時，壓力計所指示的是絕對壓力超出大氣壓力的部分，稱為表壓力或表壓（Pg）：絕對壓力與相對壓力當

p

>pb表壓力

pe當

p

<pb真空度

pvpbpeppvprelativepressureabsolutepressureGagepressureVacuumpressure例題：某容器被一剛性壁分成兩部分，在容器的不同部位安裝有壓力計，如圖所示，設大氣壓力為97kPa。（1）若壓力表B、表C的讀數分別為75kPa，0.11MPa，試確定壓力表A上的讀數，及容器兩部分內氣體的絕對壓力。（2）若表C為真空計，讀數為24kPa，壓力表B的讀數為36kPa，試問表A是什么表？讀數是多少？簡短討論：無論用什么壓力計，測得的都是工質的絕對壓力P和環境壓力之間的相對值，而不是工質的真實壓力。這個環境壓力是指測壓計所處的空間壓力，可以是大氣壓力Pb，也可以是所在環境的空間壓力。3.溫度(Temperature)溫度表示物體的冷熱程度熱力學第零定律（R.W.Fowlerin1931）

如果兩個系統分別與第三個系統處于熱平衡，則兩個系統彼此必然處于熱平衡。溫度測量的理論基礎B溫度計TheZerothLawofThermodynamics

如果兩個系統分別與第三個系統處于熱平衡，則兩個系統彼此必然處于熱平衡。

Iftwobodiesarein

thermalequilibrium

withathirdbody,theyarealsointhermalequilibriumwitheachother.溫度的熱力學定義

處于同一熱平衡狀態的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量

溫度。

溫度是確定一個系統是否與其它系統處于熱平衡的物理量溫標Temperaturescale

熱力學溫標（絕對溫標）

攝氏溫標Celsiusscale

華氏溫標Fahrenheitscale朗肯溫標Rankinescale溫標的換算（四）狀態方程

Equationofstate狀態方程

基本狀態參數（p,v,T)之間的關系狀態方程、坐標圖平衡狀態可用一組狀態參數描述其狀態想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態參數？只需要兩個獨立的狀態參數即可描述。狀態方程的具體形式理想氣體的狀態方程取決于工質的性質TheIdeal-GasEquationofState座標圖diagrampv1）系統任何平衡態可表示在坐標圖上2）過程線中任意一點為平衡態3）不平衡態無法在圖上用實線表示常見p-v圖和T-s圖21準靜態過程、可逆過程平衡狀態狀態不變化能量不能轉換非平衡狀態無法簡單描述熱力學引入準靜態（準平衡）過程quasi-static,orquasi-equilibrium二、熱力過程、功量和熱量（一）熱力過程Process過程是指熱力系從一個狀態向另一個狀態變化時所經歷的全部狀態的總和。熱力系狀態為什么發生變化？其一，當系統本身未達平衡態時，系統就會由不平衡趨向于平衡而發生狀態變化；其二，當系統本身已處在平衡態時，系統受到外界的影響，與外界發生相互作用，這時系統也要發生狀態的變化。1.準平衡過程設一由理想透熱材料制成的氣缸活塞機構，氣缸中儲有氣體，活塞上放一重物，起初氣體處于平衡態1，如圖所示。現突然將重物取走，平衡被破壞，氣體膨脹，其壓力、溫度不斷變化，且呈現非平衡性。一定時間后系統到達一個新的平衡態2。這一過程中，除了初、終態以外都是非平衡態。在p-v圖上除1、2點以外，都無法確定，通常以虛線表示其所經歷的過程。12..pv上述例子中．如用一些砝碼來代替一塊重物，如圖所示，然后取走一個砝碼，等待系統恢復平衡以后再取走另一個砝碼。這樣，在初、終態之間又增加了若干個平衡態。每次取走的砝碼質量越小．中間的平衡態越多。極限情況下，每次取走一微元質量的砝碼，那么初、終態之間就會有一系列的連續平衡態。12...pvv由一系列連續的平衡態組成的過程稱為準平衡過程，而把含有非平衡態的過程稱為非平衡過程。對于傳熱現象，是在有限溫差推動下進行的，其必為非平衡過程；對于相變、化學反應過程，在有限化學勢差推動下進行的，也必為非平衡過程。力差、溫差、化學勢差分別是推動作功、傳熱、化學反應的勢。因此可以概括地說；有限勢差推動的過程必為非平衡過程。要實現準平衡過程，必須在無限小勢差推動下進行。準靜態過程有實際意義嗎？既是平衡，又是變化既可以用狀態參數描述，又可進行熱功轉換疑問：理論上準靜態應無限緩慢，工程上怎樣處理？準靜態過程的工程條件破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復平衡所需時間（馳豫時間）>>有足夠時間恢復新平衡

準靜態過程Relaxationtime準靜態過程的工程應用例：活塞式內燃機2000轉/分曲柄2沖程/轉，0.15米/沖程活塞運動速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復平衡速度（聲速）350m/s破壞平衡所需時間（外部作用時間）>>恢復平衡所需時間（馳豫時間）一般的工程過程都可認為是準靜態過程可逆reversible過程的定義

系統經歷某一過程后，如果能使系統與外界同時恢復到初始狀態，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。注意可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態的過程。可逆過程的實現準靜態過程+無耗散效應=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢差

不可逆根源

耗散效應

耗散效應irreversibilityDissipativeeffectHeattransfer常見的不可逆過程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節流過程

(閥門）p1p2p1>p2FrequentlyencounteredirreversibilitiesThrottler常見的不可逆過程混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★自由膨脹真空????????????FrequentlyencounteredirreversibilitiesUnrestrainedexpansionMixingprocess引入可逆過程的意義

可逆過程的功與熱完全可用系統內工質的狀態參數表達，可不考慮系統與外界的復雜關系，易分析。

實際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過程）處理，用系統參數加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正。

由于可逆過程是不引起任何熱力學損失的理想過程，即它是一切實際過程的理想極限。可以根據理想過程分析評價熱力設備和裝置的質量和效率，從而提出改善的途徑。（二）功量和熱量熱力系通過界面和外界進行的機械能的交換量稱為作功量，簡稱功(機械功)；它們之間的熱能的交換量稱為傳熱量，簡稱熱量。顯然，功和熱量是和熱力系的狀態變化(即過程)聯系在一起的。它們不是狀態量而是過程量。不能說熱力系在某一狀態下有多少功、多少熱量，而只能說熱力系在某一過程中對外界作出了或從外界獲得了多少功，從外界吸收了或向外界放出了多少熱量。功的熱力學定義：功是在力的推動下，通過宏觀有序（有規則）運動的方式傳遞的能量。功的力學定義:力

在力方向上的位移若系統在力F的作用下沿力的方向產生微小位移dx，則該力所完成的功為：若系統移動有限距離，則完成的功為：功的符號是W，熱力學中規定：系統對外作功取為正，而外界對系統作功時取為負。在國際單位制中，功的單位為焦耳(J)，定義為1J=1N.m單位時間內完成的功稱為功率，其單位為瓦（W），定義為

lW＝1J/s

在工程熱力學中，熱和功的相互轉換常常是通過氣體的容積變化功(膨脹功或壓縮功)來實現的，因此容積變化功具有持別重要的意義。

可逆過程容積變化功的推導：如圖所示，取氣缸一活塞機構中的氣體為系統。系統從狀態1變化到狀態2時：在系統內工質的質量為1千克，則系統所作的功為：在P-V圖上可逆過程線1—2下面的面積，即為W，因此P-V圖也叫示功圖。2.熱量（heat）熱量是在溫差的推動下，通過微觀粒子無序（無規則）運動的方式傳遞的能量。熱量和功一樣都是系統和外界通過邊界傳遞的能量，它們都是過程量。熱量的符號是Q；對單位質量的熱力系而言，熱量用q表示。熱力學中通常規定：熱力系從外界吸熱為正，熱力系向外界放熱為負。在國際單位制中，Q的單位為J或kJ；q的單位為J／kg或kJ／kg。熱量的計算

式中：c為工質的比熱容。

熱量如何表達？熱量是否可以用類似于功的式子表示？？引入“熵”熱量與容積變化功能量傳遞方式容積變化功傳熱量性質過程量過程量推動力壓力p

溫度T標志

dV,dv

dS

,ds公式條件準靜態或可逆可逆熵（Entropy）的定義reversible比參數

[kJ/kg.K]ds:

可逆過程

qrev除以傳熱時的T所得的商

廣延量

[kJ/K]熵的說明1、熵是狀態參數

3、熵的物理意義：熵體現了可逆過程

傳熱的大小與方向2、符號規定系統吸熱時為正

Q>0dS

>0系統放熱時為負

Q<0dS

<04、用途：判斷熱量方向計算可逆過程的傳熱量示功圖與示熱圖pVWTSQ

示功圖溫熵(示熱)圖熱力循環Cycle要實現連續作功，必須構成循環定義：

熱力系統經過一系列變化回到初態，這一系列變化過程稱為熱力循環。循環和過程Cycleandprocess循環由過程構成不可逆循環可逆過程不可逆循環可逆循環正循環pVTS凈效應：對外作功凈效應：吸熱順時針方向2112動力循環Powercycle逆循環pVTS凈效應：對內作功凈效應：放熱逆時針方向2112制冷循環Refrigerationcycle熱力循環的評價指標正循環：凈效應（對外作功，吸熱）WT1Q1Q2T2動力循環：熱效率熱力循環的評價指標逆循環：凈效應（對內作功，放熱）WT0Q1Q2T2制冷循環：制冷系數第一節小結Summary基本概念：

熱力系

平衡態

準靜態、可逆

過程量、狀態量、狀態參數

功量、熱量、熵

p-V圖、T-S圖

循環、評價指標公式小結例題一蒸汽動力廠，鍋爐的蒸汽產量，輸出功率為，全廠耗煤，煤的發熱量為。蒸汽在鍋爐中的吸熱量。求：（1）該動力廠的熱效率；（2）鍋爐的效率（蒸汽總吸熱量/煤的總發熱量）。解：（1）動力廠的熱效率=輸出的功率/蒸汽的總吸熱量（2）第二節

熱力學第一定律TheFirstLawofThermodynamics自然界一切物質都有能量；能量有各種不同的形式，并能夠從一種形式轉換為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體；在轉換和傳遞中能量的數量不變。能量守恒和轉換定律應用于具有熱現象的能量轉換過程就稱為熱力學第一定律。

熱力學第一定律的實質要想得到功，必須化費熱能或其它能量熱一律又可表述為“第一類永動機是不可能制成的”Perpetual–motionmachineofthefirstkind二、熱力系統的能量1.熱力學能——內能熱力學能——指組成熱力系的大量微觀粒子本身具有的能量。用U表示。

內能的微觀組成分子動能分子位能bindingforces化學能chemicalenergy核能nuclearenergy內能microscopicformsofinternalenergy

移動translation轉動rotation振動vibration(1)分子熱運動形成的內動能。

溫度越高，內動能越大;U=U(T)(2)分子間相互作用力形成的內位能。

內位能取決于分子間的距離，因而熱力學能又是比體積的函數。

U=U(v)內能的說明

內能是狀態量stateproperty

U:

廣延參數[kJ]

u

:

比參數

[kJ/kg]

內能總以變化量出現二、系統總能totalenergy外部儲存能macroscopicformsofenergy宏觀動能kinetic

Ek=mc2/2宏觀位能potential

Ep=mgz機械能系統總能E

=

U

+

Ek

+Epe

=

u

+ek

+

ep

對于單位質量工質：當熱力系靜止時，沒有宏觀動能，宏觀位能沒有變化，系統總能量的變化即熱力學能的變化：△E=△U3.功和熱量——遷移能功量和熱量是過程量，稱為遷移能。（1）體積功（容積變化功）它是系統體積脹縮時與外界交換的功量。對于可逆過程：

體積功的正負取決于dV的正負。熱功轉換從本質上說是有序能與無序能間的轉換，使無序能轉變為有序能。（2）軸功熱力系通過軸和外界交換的功量稱為軸功或機械功。如圖a，是向剛性閉口系輸入軸功的示意圖。輸入的軸功通過摩擦等耗散效應被系統所吸收。相反的過程，即閉口系靠加熱而連續地通過如圖所示的方式向外輸出軸功卻是辦不到的。圖b是開口系與外界交換軸功的示意圖，既可輸入軸功(如葉輪式壓氣機)，也可輸出軸功(如汽輪機)。3.流動功開口系中，物質進入或離開控制體積也需要作功。如圖a所示．取虛線所圍空間為控制體積CV。CV內的壓力為P，若要把體積為V、質量為m的流體B推入控制體積，則外界需要作功。這種功稱為推擠功。若把B左面的流體想象成一面積為A的假想活塞，把B推入CV時移動距離為x，則外界克服CV內流體的壓力對系統所作推擠功為從系統來說，對外界作的推擠功為：對于開口系．質量為M的流體由進口截面進入CV，CV作推擠功-（mpv）1。同時，質量為M的流體從出口截面離開CV，則CV需要對外作推擠功(mpv)2。因此，為使物質流進和流出CV必須作的功為Wf是維持物質流動所必須的功．稱為流動功，它是系統進、出口推擠功之和。4.有用功和無用功凡是可以用來提升重物、驅動機器的功統稱有用功；反之，則稱無用功。軸功和電功可以全部用來提升重物、驅動機器，因此是有用功。至于體積功，就不全是有用功。四、熱力學定律的一般表達式熱力學第一定律是能量守恒和轉換定律在具有熱現象的能量轉換中的應用。某一熱力系與外界進行熱和功的交換時(分別以Q和W表示)，必將引起系統總能量E的變化。設想有一熱力系如圖中虛線(界面)所包圍的體積所示，其總能量為E(圖a)。

總能量是指熱力學能(U)、宏觀動能(Ek)和宏觀位能(Ep)的總和：

加入熱力系的能量的總和熱力系輸出的能量的總和根據熱力學第一定律可知：加入熱力系的能量的總和--熱力系輸出的能量的總和=熱力系總能量的增量即：對有限長的時間τ可將上式積分，從而得是熱力學第一定律的最基本的表達式，適用于任何工質進行的任何無摩擦或有摩擦的過程。五、閉口系統的能量方程取封閉在活塞氣缸中的工質為研究對象，即圖中虛線(界面)所包圍的閉口系。該熱力系的宏觀動能和宏觀位能均無變化(△Ek=△Ep=0)。與外界無物質交換(δml＝δm2＝o)。同時在Wtot中只有由于熱力系的體積變化而和外界交換的功W(稱為膨脹功)。系統除了體積功以外還可能存在軸功和電功。但當熱力系進行可逆過程時，則不存在這類通過耗散效應輸入的功，而只有體積功，即

于是條件：可逆過程閉口系所作的體積功中推動大氣的部分P0dV稱為無用功，其余部分為有用功δWu。總結熱力學第一定律應用于閉口系時，其一般表達式為：對于閉口系來說，比較常見的情況是在狀態變化過程中，系統的動能和位能的變化為零，或動能和位能的變化與過程中參與能量轉換的其它各項能量相比，可忽略不計，則例題：一剛性絕熱容器內儲有氣體，通過電阻器向氣體輸入300kJ的能量，如圖所示．問氣體的熱力學能變化多少？解：方法一：取虛線所包圍的氣體和電阻器作為熱力系。顯然，Q=0，W＝—300kJ。代入上式得：方法二：僅取容器中氣體為熱力系。這時，氣體吸收電阻器所產生的熱量Q＝300KJ，而與外界沒有功的作用，W=0。得簡短討論用熱力學方法解決實際問題時．必須首先確定研究對象，即取系統。系統不同，與外界進行的功、熱交換的內容可能不。能量方程的形式也可能不同。傳遞的功和熱都帶有事先約定的“正”、“負”號。例題

一立式活塞-氣缸裝置，其活塞用銷釘閉定，上有重物，可產生200kPa的壓力，如圖所示。汽缸內有0.025kg氣體，起始壓力為200kPa，容積為0.01m3。大氣壓力P0＝100kPa。

今撥去銷釘并對氣缸加熱，直到容積變為0.03m3時達到平衡。這時氣體的熱力學能增加了100kJ／kg。問：(1)氣體對外界作功多少?(2)對氣體加熱多少?(3)用于提升重物的功多少？解取氣缸中氣體為控制質量。按題意，氣體進行不可逆過程，膨脹功不能按計算。但外界壓力始終不變，外界所得到的功就是系統對外界所作的功。設重物產生的壓力為P．外界總壓力為Pout，則有故氣體對外界所作功為氣體吸熱量：提升重物作功簡短討論：（1）可逆過程的功不能用計算，本題用外界參數計算功，是一種特例(多數情況是外界參數未予描述．因而難以計真)。（2）系統對外作功6kJ，但用于提升重物的僅為4kJ，而用于克服大氣壓力P0所作功W0＝2kJ。課堂練習一閉口系從狀態1沿1-2-3途徑到狀態3，傳遞給外界的熱量為47.5kJ，而系統對外作功為30kJ，如圖所示。（1）若沿1-4-3途徑變化時，系統對外作功15kJ，求過程中系統與外界傳遞的熱量。（2）若系統從狀態3沿圖示曲線途徑到達狀態1，外界對系統作功6kJ，求該過程中系統與外界傳遞的熱量。（3）若U2=175kJ,U3=87.5kJ，求過程2-3傳遞的熱量及狀態1的熱力學能。解：對途徑1-2-3，由閉口系能量方程得（1）對途徑1-4-3，由閉口系能量方程得（2）對途徑3-1，可得到（3）對途徑2-3，有六、穩定流動系統的能量方程工程上以開口系居多。正常工況下，工質在設備或機器中的流動過程可以視為穩定流動。穩定流動——是一個開口系統，有工質的流進和流出。特點：空間各點參數不隨時間變化的流動過程稱為穩定流動。所謂空間各點參數不隨時間變化，并不是指各點參數相同，恰恰相反，通常空間各點參數是不相同的。穩定流動并不排斥系統與外界進行物質和能量的交換。

實現穩定流動的條件進、出口截面的參數不隨時間變化。系統進出口工質的狀態不隨時間而變。系統與外界進行功和熱的交換不隨時間變化。系統與外界進行物質交換不隨時間改變，2.穩定流量的功量（1）軸功：Ws（2）流動功：Wf3.穩定流動的能量方程式則，流入系統的mkg的工質的總能量為：流出系統的mkg的工質的總能量為：穩定流動系統的能量不隨時間而變。輸入的總能量等于輸出的總能量。

輸入系統的總能量分三部分：

E1、Q、進口處外界對mkg工質的推擠功P1V1。輸出系統的總能量分三部分：

E2、Ws，系統對流出的mkg工質的推擠功P2V2。

Q、Ws為1——2過程中所交換的功量和熱量，為過程量。其余為進、出口參數。方程中，表示動能、位能的增量以及軸功，可以全部轉換為有用功，因此三項之和統稱為技術功，（技術上可以利用的功）。用Wt表示。則方程式變為：對于開口系的穩定流動過程，系統內各點的狀態都不隨時間發生變化。所以整個流動過程的總效果，相當于一定質量的工質由進口穿過開口系通過一系列狀態變化，并與外界發生熱量和功量的交換，最后流到了出口。這樣，也可以將這一定質量的工質作為閉口系加以研究。4.焓、技術功焓

U、P、V為狀態參數，因此H也為狀態參數，工質焓的變化只取決于過程的始末狀態，而與過程所經過的路徑無關。

在開口系中，對于流入(或流出)系統的mkg工質而言，U是工質的內能，PV是伴隨工質遷移引進的系統與外界交換的推動功，并通過工質的流入(或流出)將此機械能帶入(或帶出)系統。因此，只要有工質流進(或流出)系統。工質的內能U和機械能PV必然結合在一起流入(或流出)系統。流入(或流出)系統的工質的宏觀動能和位能有時可為零或忽略不計，而工質的內能和工質因推動功而攜帶的機械能卻必然同時存在。因此可以說，焓是開口系統中流入（或流出）系統工質所攜帶的基本能量。2.技術功其中Ws為軸功，有用功。

為工質宏觀動能和位能的增量，也能為外界提供有效服務。單位質量工質的技術功：則能量方程式變為將上式進行變換根據閉口系能量方程式有W——閉口系工質的膨脹功。

膨脹功是簡單可壓縮系熱變功的源泉。對于可逆過程，有對于單位質量工質而言

可逆過程的技術功Wt可用P-V圖(如圖)上的可逆過程線左邊的面積1—2—3—4—1表示。穩定流動能量方程適用條件：任何流動工質任何穩定流動過程Energybalanceforsteady-flowsystems技術功Technicalwork動能工程技術上可以直接利用軸功機械能位能穩流開口與閉口的能量方程容積變化功w技術功wt閉口穩流開口等價軸功ws推進功

(pv)幾種功的關系？幾種功的關系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws穩定流動能量方程應用舉例例1：透平(Turbine)機械

（具有葉片的動力式流體機械）火力發電核電飛機發動機輪船發動機移動電站燃氣機蒸汽輪機Steamturbine透平(Turbine)機械1)

體積不大2）流量大3）保溫層q

0ws

=-△h

=

h1-

h2>0輸出的軸功是靠焓降轉變的例2：壓縮機械Compressor火力發電核電飛機發動機輪船發動機移動電站壓氣機水泵制冷空調壓縮機壓縮機械1)

體積不大2）流量大3）保溫層q

0ws

=-△h

=

h1-

h2<0輸入的軸功轉變為焓升例3：換熱設備HeatExchangers火力發電：鍋爐、凝汽器核電：熱交換器、凝汽器制冷空調蒸發器、冷凝器換熱設備熱流體放熱量：沒有作功部件熱流體冷流體h1h2h1’h2’冷流體吸熱量：焓變例4：絕熱節流ThrottlingValves管道閥門制冷空調膨脹閥、毛細管絕熱節流絕熱節流過程，前后h不變。h1h2沒有作功部件絕熱能量方程式的應用要點：確定研究對象——選好熱力系統在分析定量工質時，一般熱力系選控制質量系，即閉口系。在分析各種熱力設備時，因工質總是流動的，取固定空間為熱力系，即控制容積系，也即開口系。畫出示意圖寫出所研究熱力系的對應的能量方程式針對具體問題，分析系統與外界的相互作用，做出某些假設，使方程簡單明了。求解簡化后的方程，解出未知量。例題

1.進入汽輪機新蒸汽的參數為：P1＝9MPa，t1＝500℃，h1＝3386．4kJ／kg，c1＝50m／s；出口參數為：P2＝0.005MPa，h2＝2320KJ／kg，c2＝120m/s。蒸汽的質量流量m＝220t/h，試求①汽輪機的功率；②忽略蒸汽進、出口動能變化引起的計算誤差。解①取汽輪機進、出口所圍空間為控制容積CV，如圖所示，則系統為穩定流動系統。從而有依題意：q=0，△z＝0故有：功率

②忽略工質進出口功能變化，單位質量工質對外輸出功的增加量(或減少量)忽略工質進出口動能變化引起的相對誤差因此在實際工程計算中，工質進出口的動能差、勢能差亦可忽略不計。例2空氣在某活塞式壓氣機中被壓縮。壓縮前的空氣參數是：P1＝0.1MPa，v1＝0.86m3/kg：壓縮后的空氣參數是：P2＝0.8MPa，v2＝0.18m3/kg。設在壓縮過程中每千克空氣的內能增加150kJ，同時向外放出熱量50kJ，試求：①壓縮過程對每千克空氣所作的功；②每生產lkg壓縮空氣所需的功；③若該壓氣機每分鐘生產15kg壓縮空氣，帶動此壓氣機要用多大功率的電動機?解①活塞式壓氣機的工作過程包括進氣、壓縮和排氣三個過程。在壓縮過程中，進、排氣閥均關閉。取如圖虛線所圍的空間為熱力系統，顯然是閉口系統，與外界交換的功為容積變化功（壓縮功）w。能量方程為②要生產出壓縮空氣，壓氣機的進、排氣閥須周期性地打開、關閉，故系統是一開口系統。嚴格地講，該系統不是穩定流動系統，因為各點參數隨時間在作周期性變化。但在不同周期的同一時刻，各點參數卻是相同的，每個周期進、排氣參數不變，進出系統的工質質量相同，與外界交換的能量相同。且活塞運動速度較快，可將壓氣機生產過程抽象為氣體連續不斷地流入氣缸，受壓縮后連續地排出。這樣，系統可視為穩定流動系統，如圖所示。則能量方程為：由①知③帶動此壓氣機的電動機功率課堂練習：一個裝有2kg工質的閉口系經歷了如下過程：過程中系統散熱25kJ，外界對系統作功100kJ，比熱力學能減小15kJ/kg，并且整個系統被舉高1000m。試確定過程中系統動能的變化。解：由于需考慮閉口系動能及位能的變化，所以應用第一定律的一般表達式，即結果說明系統動能增加了85.4kJ。2.一活塞汽缸設備內裝有5kg的水蒸氣，由初態的比熱學能u1=2709kJ/kg膨脹到u2=2659.6kJ/kg，過程中加給水蒸氣的熱量為80kJ，通過攪拌器的軸輸入系統18.5kJ的軸功。若系統無動能、位能的變化，試求通過活塞所作的功。

解：這是一閉口系，所以能量方程為：方程中的W是總功，應包括攪拌器的軸功和活塞的膨脹功，則能量方程為求出的活塞功為正值，說明系統通過活塞膨脹對外作功。第三節

熱力學第二定律SecondLawofThermodynamics能量之間數量的關系熱力學第一定律能量守恒與轉換定律所有滿足能量守恒與轉換定律的過程是否都能自發進行自發過程的方向性自發過程：不需要任何外界作用而自動進行的過程。自然界自發過程都具有方向性

熱量由高溫物體傳向低溫物體摩擦生熱水自動地由高處向低處流動電流自動地由高電勢流向低電勢自發過程的方向性功量自發過程具有方向性、條件、限度摩擦生熱熱量100%熱量發電廠功量40%放熱Spontaneousprocess

熱力學第二定律的實質能不能找出共同的規律性?能不能找到一個判據?

自然界過程的方向性表現在不同的方面熱力學第二定律熱二律的表述與實質

熱功轉換

傳熱

熱二律的表述有60-70種

1851年

開爾文－普朗克表述

熱功轉換的角度

1850年

克勞修斯表述

熱量傳遞的角度開爾文－普朗克表述

不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉變為有用功而不產生其它影響。Kelvin－PlanckStatement

Itisimpossibleforanydevicethatoperatesonacycletoreceiveheatfromasinglereservoirandproduceanetamountofwork.開爾文－普朗克表述

不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉變為有用功而不產生其它影響。熱機不可能將從熱源吸收的熱量全部轉變為有用功，而必須將某一部分傳給冷源。Kelvin－PlanckStatement但違反了熱力學第二定律perpetual-motionmachineofthesecondkind第二類永動機：設想的從單一熱源取熱并 使之完全變為功的熱機。這類永動機并不違反熱力學第一定律第二類永動機是不可能制造成功的環境是個大熱源克勞修斯表述

不可能將熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其它變化。

Itisimpossibletoconstructadevicethatoperatesinacycleandproducesnoeffectotherthanthetransferofheatfromalower-temperaturebodytoahigher-temperaturebody.Clausiusstatement克勞修斯表述

不可能將熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其它變化。

熱量不可能自發地、不付代價地從低溫物體傳至高溫物體。空調,制冷代價：耗功Clausiusstatement熱二律的實質

?

自發過程都是具有方向性的

?

若想逆向進行，必付出代價熱一律否定第一類永動機熱機的熱效率最大能達到多少？又與哪些因素有關？???熱一律與熱二律

t

>100％不可能熱二律否定第二類永動機

t

=100％不可能卡諾循環與卡諾定理法國工程師卡諾(S.Carnot)，1824年提出卡諾循環熱二律奠基人效率最高卡諾循環—理想可逆熱機循環卡諾循環示意圖4-1絕熱壓縮過程，對內作功1-2定溫吸熱過程，q1=T1(s2-s1)2-3絕熱膨脹過程，對外作功3-4定溫放熱過程，q2=T2(s2-s1)CarnotcycleCarnotheatengine卡諾循環熱機效率卡諾循環熱機效率T1T2Rcq1q2wCarnotefficiency?

t,c只取決于恒溫熱源T1和T2

而與工質的性質無關；卡諾循環熱機效率的說明?

T1

t,c,T2

c

，溫差越大，

t,c越高?

當T1=T2，

t,c=0,單熱源熱機不可能?

T1

=K,T2

=0K,

t,c<100%，熱二律ConstantheatreservoirT0

c卡諾逆循環

卡諾制冷循環T0T2制冷T0T2Rcq1q2wTss2s1T2

c

卡諾定理—Carnotprinciples

定理二：在兩個不同溫度的恒溫熱源間工作的一切可逆熱機，具有相同的熱效率，且與工質的性質無關。定理一：在兩個不同溫度的恒溫熱源間工作的所有熱機，以可逆熱機的熱效率為最高。卡諾定理小結1、在兩個不同T的恒溫熱源間工作的一切

可逆熱機

tR

=

tC

2、不可逆熱機

tIR

<同熱源間工作可逆熱機

tR

tIR

<

tR=

tC

∴在給定的溫度界限間工作的一切熱機，

tC最高

熱機極限

卡諾定理的意義

從理論上確定了通過熱機循環實現熱能轉變為機械能的條件，指出了提高熱機熱效率的方向，是研究熱機性能不可缺少的準繩。對熱力學第二定律的建立具有重大意義。卡諾定理舉例

A

熱機是否能實現1000

K300

KA2000kJ800

kJ1200

kJ可能

如果：W=1500kJ1500

kJ不可能500

kJ實際循環與卡諾循環

內燃機

t1=2000oC，t2=300oC

tC

=74.7%

實際

t

=30~40%

卡諾熱機只有理論意義，最高理想實際上

T

s

很難實現

火力發電

t1=600oC，t2=25oC

tC

=65.9%

實際

t

=40%回熱和聯合循環

t

可達50%克勞修斯不等式熱二律推論之一

卡諾定理給出熱機的最高理想熱二律推論之二

克勞修斯不等式反映方向性定義熵Clausiusinequality卡諾循環熱效率

熱源溫度工質在循環中的換熱量，絕對值微元卡諾循環對于構成循環l—A一2一B—I的無數個微元卡諾循環均有類似的表達式，將它們相加得：的積分與路徑無關為某一狀態參數的恰當微分下標re表示可逆，強調是可逆過程的換熱量。

T為熱源溫度。熵的物理意義

熵的變化表征了可逆過程中熱交換的方向和大小；系統可逆地從外界吸收熱量，，系統熵增大；系統可逆地向外界放熱，，系統熵減小；可逆絕熱過程中，系統熵不變。單位質量工質的熵，又稱比熵。可逆過程的熵變五、不可逆過程的熵變、熵流和熵產微元非卡諾循環換熱量，絕對值對于全部循環結合可逆循環克勞修斯不等式過程1B2為可逆過程，有熵產熵流熵產不可逆過程中熵的變化由兩部分構成：與外界熱交換引起的，稱之為熵流，dSf由于不可逆因素引起的熵產dSg。

克勞修斯不等式例題

A

熱機是否能實現1000

K300

KA2000

kJ800

kJ1200

kJ可能

如果：W=1500kJ1500

kJ不可能500

kJ注意：

熱量的正和負是站在循環的立場上熵Entropy熱二律推論之一

卡諾定理給出熱機的最高理想效率熱二律推論之二

克勞修斯不等式反映方向性熱二律推論之三

熵反映方向性熵的物理意義定義：熵熱源溫度=工質溫度比熵可逆時熵變表示可逆過程中熱交換的方向和大小熵的物理意義熵是狀態量可逆循環pv12ab熵變與路徑無關,只與初終態有關Entropychange不可逆過程

S與傳熱量的關系pv12ab

S與傳熱量的關系=可逆>不可逆<不可能熱二律表達式之一對于循環克勞修斯不等式除了傳熱,還有其它因素影響熵不可逆絕熱過程不可逆因素會引起熵變化=0總是熵增針對過程熵流和熵產對于任意微元過程有：=：可逆過程>：不可逆過程定義熵產：純粹由不可逆因素引起結論：熵產是過程不可逆性大小的度量。熵流：永遠熱二律表達式之一EntropyflowandEntropygeneration熵流、熵產和熵變任意不可逆過程可逆過程不可逆絕熱過程可逆絕熱過程不易求熵變的計算方法理想氣體僅可逆過程適用任何過程熵變的計算方法非理想氣體：查圖表固體和液體：通常常數例：水熵變與過程無關，假定可逆：熵變的計算方法熱源（蓄熱器）：與外界交換熱量，T幾乎不變假想蓄熱器RQ1Q2WT2T1T1熱源的熵變熵變的計算方法功源（蓄功器）：與只外界交換功功源的熵變無