單元熱力學(xué)第一定律和第二定律

1第1頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式┄┄┄┄┄┄┄┄┄（5）單元2熱力學(xué)第一定律和第二定律2.1.1熱力系統(tǒng)儲(chǔ)存能┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（5）單元2熱力學(xué)第一定律和第二定律┄┄┄┄┄┄┄┄┄（5）2.1.2熱力系統(tǒng)與外界傳遞的能量┄┄┄┄┄┄┄（6）2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（23）2.2.1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)┄┄┄┄┄┄┄┄┄（24）2.2.2閉口系統(tǒng)的能量方程┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（25）2.2.3開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程┄┄┄┄┄┄┄（26）2.2.4穩(wěn)定流動(dòng)能量方程工的應(yīng)用┄┄┄┄┄┄┄（27）2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓（28）2.3.1比熱容的定義及影響因素┄┄┄┄┄┄┄┄（28）2.3.2利用比熱容計(jì)算氣體的熱量┄┄┄┄┄┄┄（30）2.3.3利用比熱容計(jì)算理想氣體內(nèi)能與焓的變化量（38）2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（39）2第2頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.1基本熱力過(guò)程┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（40）2.4.2多變過(guò)程┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（41）2.5熱力學(xué)第二定律簡(jiǎn)介┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（46）單元2熱力學(xué)第一定律和第二定律2.5.1熱力循環(huán)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（46）2.5.2熱力學(xué)第二定律┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（46）2.5.3卡諾循環(huán)與卡諾定律┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（46）2.5.4熵與熵原理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（46）3第3頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月【知識(shí)點(diǎn)】熱力學(xué)第一定律，熱力循環(huán)，熱力學(xué)第二定律，p-v圖和T-s圖?！灸芰δ繕?biāo)】掌握：熱力系統(tǒng)儲(chǔ)存能、功量及示功圖、熱量及示熱圖、焓、熵等基本概念。理解：熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律實(shí)質(zhì)。熟悉：熱力系統(tǒng)與外界傳遞的能量種類(lèi)。應(yīng)用：能應(yīng)用熱力學(xué)第一定律進(jìn)行熱力過(guò)程的分析和計(jì)算。單元2熱力學(xué)第一定律和第二定律4第4頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱力系統(tǒng)儲(chǔ)存能（系統(tǒng)所包含的熱力學(xué)范疇的能量）包括內(nèi)部?jī)?chǔ)存能（簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)能）和外部?jī)?chǔ)存能。內(nèi)部?jī)?chǔ)存能（內(nèi)能）在熱力學(xué)范疇，系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能指的是氣體分子的內(nèi)動(dòng)能（包括氣體分子平動(dòng)動(dòng)能、轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能及振動(dòng)動(dòng)能，與工質(zhì)溫度T有關(guān)）和分子內(nèi)位能（分子間相互作用力，與工質(zhì)比體積v有關(guān)）。這兩項(xiàng)能量與熱能有關(guān)，所以分子內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)位能又稱(chēng)為氣體內(nèi)部熱能。2.1.1熱力系統(tǒng)儲(chǔ)存能2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式5第5頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)與分子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu)有關(guān)的化學(xué)能和原子能，在熱力學(xué)過(guò)程中不涉及化學(xué)反應(yīng)和核反應(yīng)，這部分能量保持不變，故不予考慮。對(duì)于mkg質(zhì)量氣體的內(nèi)能用U表示，單位為J，對(duì)于1kg氣體的內(nèi)能則用u表示，單位是J/kg。如前所述，分子內(nèi)動(dòng)能與T有關(guān)，內(nèi)位能與V有關(guān)，所以?xún)?nèi)能也是狀態(tài)參數(shù)，而p、v、T之間存在一定關(guān)系，所以?xún)?nèi)能可表述為：U=f(P、V)（2-1）或u=f(p、v)（2-1a）2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式6第6頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于理想氣體，分子間不存在相互作用力，所以?xún)?nèi)能僅與T有關(guān)，是溫度的單值函數(shù)，即：U=f（T）（2-2）關(guān)于內(nèi)能的計(jì)算，實(shí)際中只涉及內(nèi)能的變化量，故可人為規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)狀態(tài)，作為內(nèi)能的零值點(diǎn)。同時(shí)作為狀態(tài)參數(shù)，其變化量只取決于工質(zhì)熱力過(guò)程的初、終狀態(tài)，而與過(guò)程的途徑無(wú)關(guān)。2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式7第7頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式8第8頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式9第9頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在各種熱力過(guò)程中，熱力系統(tǒng)與外界之間所能進(jìn)行的能量交換或傳遞的方式包括熱量傳遞，功量傳遞以及伴隨工質(zhì)流進(jìn)和流出系統(tǒng)所傳遞的能量，下面分別予以討論。功量及示功圖功量是熱力系統(tǒng)對(duì)外界或外界對(duì)熱力系統(tǒng)作功多少的量度，是力差作用的結(jié)果。功量是一個(gè)過(guò)程量，伴隨作功過(guò)程而發(fā)生。當(dāng)力趨于平衡時(shí)，作功過(guò)程停止，系統(tǒng)與外界之間的功量傳遞也隨即停止。力的形式不同，導(dǎo)致作功形式各異。在工程熱力學(xué)中，主要涉及到的兩種功量交換形式是體積變化功與軸功。2.1.2熱力系統(tǒng)與外界傳遞的能量2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式10第10頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）體積變化功在力差的作用下，熱力系的體積發(fā)生增大或縮小，并通過(guò)系統(tǒng)界面與外界發(fā)生的機(jī)械功傳遞稱(chēng)為體積變化功。用符號(hào)W表示，單位為J或KJ，對(duì)于1kg工質(zhì)所傳遞的體積變化功，用符號(hào)w表示，單位為J/kg或kJ/kg。在熱力學(xué)中規(guī)定：熱力系統(tǒng)體積增大，系統(tǒng)對(duì)外做膨脹功，功量為正值；熱力系統(tǒng)體積減小，外界對(duì)系統(tǒng)壓縮做功，功量為負(fù)值。圖2.1

2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式11第11頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式12第12頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）軸功工程實(shí)際中系統(tǒng)與外界的功量交換更多的是通過(guò)機(jī)械來(lái)進(jìn)行,稱(chēng)為軸功，如圖2.2所示。對(duì)1kg工質(zhì)，常用符號(hào)ws表示，單位為J/kg或kJ/kg;對(duì)mkg工質(zhì)，用Ws表示，單位為J或kJ。與體積變化功一致，熱力學(xué)中規(guī)定系統(tǒng)對(duì)外輸出軸功為正值，外界輸入軸功為負(fù)值。從圖2.2可看出，系統(tǒng)可接收外界輸入的軸功（水泵、離心制冷機(jī)），也可向外界輸出軸功（汽輪機(jī)）。工程中常用單位時(shí)間做功多少來(lái)比較功量強(qiáng)弱，即功率。單位為W或kW，1W=1J/s圖2.2軸功示意圖2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式13第13頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱量及示熱圖當(dāng)兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，將有能量從高溫物體自發(fā)地傳遞到低溫物體，熱力學(xué)中將這種由于熱力系統(tǒng)與外界之間僅因存在溫差而通過(guò)邊界傳遞的能量稱(chēng)為熱量。關(guān)于熱量，強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)：（1）熱量是與熱力過(guò)程相關(guān)的一個(gè)過(guò)程量，而不是狀態(tài)參數(shù)。可以說(shuō)系統(tǒng)含有多少能量或熱能，也可以說(shuō)系統(tǒng)與外界交換了多少熱量，但不能說(shuō)系統(tǒng)含有多少熱量。（2）熱量交換只發(fā)生在界面上，熱量是在溫差作用下熱傳遞過(guò)程中物體能量改變量的量度，當(dāng)溫度趨于一致（熱平衡）時(shí)，熱量傳遞即停止。2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式14第14頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）熱力學(xué)中規(guī)定：熱力系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負(fù)。用符號(hào)Q表示mkg工質(zhì)吸收或放出的熱量，單位是J或kJ；單位質(zhì)量工質(zhì)（1kg）吸收或放出的熱量用ｑ表示，單位為J/kg或kJ/kg。對(duì)于微元過(guò)程，則用δQ或δq表示。類(lèi)似于前面討論的功量表達(dá)式及示功圖，經(jīng)理論推導(dǎo)，有狀態(tài)參數(shù)熵存在。對(duì)于mkg工質(zhì)，其熵用S表示，單位為J/K或kJ/K；對(duì)于1kg工質(zhì)，則其熵用s表示，單位為J/(kg·K)或kJ/(kg·K)。對(duì)于微元的可逆過(guò)程，熱力系統(tǒng)與外界傳遞的熱量可表示為δQ=TdS或δq=Tds

(2.10)2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式15第15頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖2-3T-S（溫-熵）圖2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式16第16頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從圖2-3中可以看出，在T-S圖中，過(guò)程線(xiàn)1-2下面的面積S12S2S11即為熱力過(guò)程中系統(tǒng)和外界之間的換熱量，所以T-S圖又稱(chēng)為示熱圖，即圖中面積即表示熱量。另外，從圖中還可看出，若熱力學(xué)的初、終狀態(tài)相同，而所經(jīng)歷的過(guò)程不同時(shí)，其熱傳遞量也不同，這也說(shuō)明熱量與過(guò)程有關(guān)，是過(guò)程量而不是狀態(tài)量。伴隨工質(zhì)流動(dòng)所傳遞的能量對(duì)于開(kāi)口熱力系統(tǒng)，工質(zhì)在流進(jìn)或流出系統(tǒng)界面時(shí)，其自身所攜帶的一部分能量也同時(shí)通過(guò)界面，參與能量傳遞。這部分能量包括以下兩部分。2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式17第17頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式18第18頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如圖2.4所示，質(zhì)量為dm的工質(zhì)流入系統(tǒng)時(shí)，假設(shè)界面1-1處工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)壓力為p,比體積為v，過(guò)流斷面積為A,則工質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)帶入系統(tǒng)的流動(dòng)功為：流動(dòng)功=力×位移即δWf=pAdx=pdV=pvdm圖2.4流動(dòng)功示意2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式19第19頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1熱力學(xué)系統(tǒng)涉及的能量形式20第20頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然科學(xué)中關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最重要的普遍規(guī)律之一。它可表述為：任何物質(zhì)系統(tǒng)與外界的總能量之和是恒定不變的。相應(yīng)于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的不能創(chuàng)生或消滅，作為物質(zhì)運(yùn)動(dòng)一般量度的能量也是不能創(chuàng)生或消滅的；能量只能在各部分物質(zhì)之間進(jìn)行傳遞，或者從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)，而總量不變。熱力學(xué)第一定律，即是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱力學(xué)中的應(yīng)用。結(jié)合我們前面討論過(guò)的工程熱力學(xué)所涉及到的能量形式，熱力學(xué)第一定律可一般地表示為以下的能量方程式：進(jìn)入熱力系的能量－離開(kāi)熱力系的能量=熱力系儲(chǔ)存能的變化量（2.14）2.2.1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介21第21頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月前所述，對(duì)于閉口系統(tǒng)，無(wú)工質(zhì)穿越界面，系統(tǒng)與外界只能有熱量和功量的交換，系統(tǒng)只考慮內(nèi)部?jī)?chǔ)存能的變化，其宏觀(guān)動(dòng)能和宏觀(guān)位能的變化為零。如圖2.5所示，若工質(zhì)從狀態(tài)1變化（膨脹）到狀態(tài)2，系統(tǒng)從外界吸熱為Q，對(duì)外做功為W，系統(tǒng)儲(chǔ)存能變化為ΔU，按公式（2.14），則有：Q-W=ΔU或Q=ΔU+W（2.15）對(duì)1kg工質(zhì)而言，則為：q=Δu+w（2.16）對(duì)于微元過(guò)程：δq=du+δw(2.17)2.2.2閉口系統(tǒng)的能量方程2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介22第22頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以上各式說(shuō)明，外界加給熱力系統(tǒng)的熱能一部分用來(lái)對(duì)外做功，另一部分用來(lái)增加工質(zhì)的內(nèi)能。式中Δu的取值可正可負(fù)：Δu>0表示系統(tǒng)內(nèi)能增加；Δu<0表示系統(tǒng)內(nèi)能減少；Δu=0表示內(nèi)能不變。而q，w的取值仍如前述：系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負(fù)；系統(tǒng)對(duì)外做功為正，外界對(duì)系統(tǒng)做功為負(fù)。圖2.5閉口系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換分析

2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介23第23頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月【例2.1】設(shè)10kg氣體在氣缸中被壓縮，外界輸入功量80kJ，壓縮過(guò)程中氣體放熱20kJ。問(wèn)該過(guò)程中氣體的內(nèi)能是增加還是減少？每千克氣體的內(nèi)能變化量是多少？【例2.2】氣體在某一熱力循環(huán)過(guò)程中，從外界吸收了100kJ的熱量，并放出50kJ的熱量，試分析經(jīng)歷了此熱力循環(huán)后系統(tǒng)內(nèi)能變化是多少？系統(tǒng)與外界功量交換是多少？2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介24第24頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工程實(shí)踐中實(shí)際運(yùn)行的熱工設(shè)備幾乎絕大多數(shù)都有工質(zhì)不斷地流進(jìn)流出,以實(shí)現(xiàn)能量傳遞和能量轉(zhuǎn)換的連續(xù)性。如采暖房間內(nèi)的散熱器，工作時(shí)總是有熱媒工質(zhì)（通常是熱水）不斷流進(jìn)和流出，以實(shí)現(xiàn)與室內(nèi)空氣的連續(xù)換熱；再如汽輪發(fā)電機(jī)組，高溫高壓的水蒸氣連續(xù)不斷地沖擊葉輪使其旋轉(zhuǎn)以發(fā)電。類(lèi)似于流體力學(xué)中穩(wěn)定流動(dòng)的概念，在工程熱力學(xué)中，當(dāng)開(kāi)口熱力系統(tǒng)中工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)不隨時(shí)間而改變（即流道中任意截面上工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間改變，也即單位時(shí)間內(nèi)熱力系統(tǒng)與外界傳遞的熱量和功量不隨時(shí)間而改變），同時(shí)流道中各截面上工質(zhì)的質(zhì)量流量相等并不隨時(shí)間而改變，則這種流動(dòng)稱(chēng)為穩(wěn)定流動(dòng)。2.2.3開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介25第25頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖2.6所示為某一滿(mǎn)足穩(wěn)定流動(dòng)條件的開(kāi)口熱力系統(tǒng)，若工質(zhì)在熱力系統(tǒng)進(jìn)、出口的流動(dòng)速度為c1和c2，單位質(zhì)量工質(zhì)所具有的內(nèi)能為u1和u2，進(jìn)、出口截面中心相對(duì)于宏觀(guān)勢(shì)能的基準(zhǔn)面高度為z1和z2，系統(tǒng)中每1kg工質(zhì)從外界吸熱為q，向外界輸出軸功為ws。由于是穩(wěn)定流動(dòng)，熱力系統(tǒng)儲(chǔ)存能保持恒定，根據(jù)公式（2.14），可得到能量方程式圖2.6開(kāi)口熱力系統(tǒng)能量分析2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介26第26頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介27第27頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介28第28頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如前所述,諸多熱工設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中都涉及工質(zhì)的流動(dòng),而且在設(shè)備正常運(yùn)行過(guò)程中均可近似按穩(wěn)定流動(dòng)處理,即可以利用穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式來(lái)對(duì)各種不同的工程實(shí)例進(jìn)行能量分析與計(jì)算,并針對(duì)不同的具體條件將公式(2.23)進(jìn)行簡(jiǎn)化。泵與風(fēng)機(jī)泵與風(fēng)機(jī)是用于輸送工質(zhì)的流體機(jī)械，是通過(guò)消耗外界輸入的軸功來(lái)提高流體工質(zhì)的機(jī)械能（“流體力學(xué)·泵與風(fēng)機(jī)”課中稱(chēng)為水頭）。如圖2.7所示，流體工質(zhì)通過(guò)泵與風(fēng)機(jī)時(shí)，外界對(duì)工質(zhì)做功（-ws），而工質(zhì)在進(jìn)口與出口處的宏觀(guān)動(dòng)能與宏觀(guān)位能變化極小，可忽略不計(jì)。2.2.4穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的應(yīng)用2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介29第29頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖2.7泵與風(fēng)機(jī)能量分析2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介30第30頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介31第31頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介32第32頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?lián)Q熱器工程中用于冷、熱流體通過(guò)換熱壁面進(jìn)行熱能交換的設(shè)備通常簡(jiǎn)稱(chēng)為表面式換熱器。如鍋爐、蒸發(fā)器、冷凝器、加熱器、散熱器等。具體換熱器類(lèi)型、結(jié)構(gòu)及選型計(jì)算將在后面討論，此處僅就穩(wěn)定流動(dòng)能量方程簡(jiǎn)化應(yīng)用進(jìn)行討論。如圖2.8所示，當(dāng)某種工質(zhì)流經(jīng)換熱器時(shí)，吸收熱量為q,系統(tǒng)與外界無(wú)功量交換，工質(zhì)進(jìn)出口的宏觀(guān)動(dòng)能和位能變化極小，可以忽略。于是，穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式可簡(jiǎn)化為q=h2-h1

(2.28)上式說(shuō)明，工質(zhì)在換熱器中吸收(或放出)的熱量等于其焓的增加（或減少）。2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介33第33頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如前所述，換熱器是冷、熱兩種流體通過(guò)換熱壁面進(jìn)行熱交換，通常冷、熱流體并無(wú)質(zhì)交換，公式(2.28)中的q為正，則該工質(zhì)被加熱，其h2＞h1；若q為負(fù)，則意味著該工質(zhì)被冷卻，其h2＜h1?！纠?.4】某教室中有一組散熱器，熱水采暖。若進(jìn)口處熱水h1=380kJ/kg，出口處h2=280kJ/kg，水量為M=2.5kg/s。試計(jì)算該組散熱器單位時(shí)間傳遞給室內(nèi)的熱量。圖2.8換熱器能量分析

2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介34第34頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月噴管與擴(kuò)壓管?chē)姽苁且环N通過(guò)適當(dāng)改變流道截面以使高壓流體急劇膨脹而獲得高速流體(即增加其動(dòng)能)的裝置，如噴氣飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣管。而擴(kuò)壓管的作用正好相反，是將具有較大動(dòng)能的流體進(jìn)行降速增壓的一種設(shè)備，如水泵與風(fēng)機(jī)的出口處均有擴(kuò)壓管的作用。二者雖然作用不同，所涉及的能量變化卻類(lèi)似。如圖2.9所示，工質(zhì)流經(jīng)噴管或擴(kuò)壓管時(shí)，進(jìn)口速度為c1,出口速度為c2，與外界無(wú)功量交換，ws=0；而位能變化可以忽略不計(jì)，同時(shí)流動(dòng)過(guò)程很快，可近似認(rèn)為q≈0。于是穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式可表示為：2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介35第35頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上式表明，工質(zhì)流經(jīng)噴管或擴(kuò)壓管時(shí)，其動(dòng)能的變化量等于其焓值的變化量。亦即與外界無(wú)功量和熱量交換，只是工質(zhì)自身能量形式發(fā)生轉(zhuǎn)換。圖2.9噴管與擴(kuò)壓管能量分析2.2熱力學(xué)第一定律簡(jiǎn)介36第36頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在建筑設(shè)備類(lèi)專(zhuān)業(yè)所涉及的工程實(shí)際中，關(guān)于熱量計(jì)算的方法主要有三種：①工程熱力學(xué)方法，即本單元中討論的運(yùn)用熱力學(xué)定律進(jìn)行熱量計(jì)算的方法，此方法是基于能量守恒與轉(zhuǎn)換規(guī)律進(jìn)行熱量計(jì)算的；②工程傳熱學(xué)方法，即本書(shū)第二部分中利用公式Q=AαΔt進(jìn)行熱量計(jì)算的方法,此方法是針對(duì)熱量傳遞規(guī)律及過(guò)程進(jìn)行熱量計(jì)算的；③量熱學(xué)方法，即中學(xué)物理中涉及到的利用物質(zhì)比熱容進(jìn)行熱量計(jì)算的方法。這三種方法常常需綜合運(yùn)用，才能較好地解決實(shí)際問(wèn)題。本節(jié)討論利用量熱學(xué)方法進(jìn)行氣體熱量計(jì)算的問(wèn)題。2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓37第37頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月比熱容的定義及單位2.3.1比熱容的定義及影響因素2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓38第38頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓39第39頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月影響比熱容的主要因素不同種類(lèi)的物質(zhì)其物性不同,相應(yīng)的比熱容值也不同。對(duì)于氣體，即使是同一種氣體，當(dāng)所經(jīng)歷的熱力過(guò)程不同，或溫度不同時(shí)，其比熱容值也不同。（1）熱力過(guò)程特性對(duì)氣體比熱容的影響盡管比熱容是屬于物性參數(shù)，但事實(shí)證明，氣體的比熱容的數(shù)值與熱力過(guò)程的特性有關(guān)。工程實(shí)際中常用到的氣體加熱的熱力過(guò)程有氣體容積不變情況下的定容加熱過(guò)程和氣體壓力不變情況下的定壓加熱過(guò)程，相應(yīng)的比熱容則稱(chēng)為定容比熱容（用cV表示）和定壓比熱容（用cp表示）。實(shí)驗(yàn)證明，在一定溫度下，同一種氣體的cV和cp不等，而且cp大于cV，因?yàn)樵诙ㄈ葸^(guò)程中，氣體不膨脹（即不做功），加入的熱量全部用于增加氣體的內(nèi)能，使氣體溫度升高；2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓40第40頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月而在定壓過(guò)程中，氣體可以膨脹做功，加入的熱量不單用于增加氣體內(nèi)能，而且還要有一部分熱量用于氣體膨脹做功。所以，對(duì)于同樣質(zhì)量的氣體升高同樣的溫度，定壓過(guò)程中需加入的熱量要比定容過(guò)程多。對(duì)于理想氣體，可推導(dǎo)出以下關(guān)系cp-cV=R（2.32）或cp,m-cV,m=Rm(2.33)上式即為著名的邁耶公式。結(jié)合前面講到的比熱容的單位（物量），可歸結(jié)為表2.1。另外，氣體定壓比熱容cp與定容比熱容cV的比值在理論與實(shí)際中也是一個(gè)重要的參數(shù)，用k表示，稱(chēng)為絕熱指數(shù)2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓41第41頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓42第42頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2利用比熱容計(jì)算氣體的熱量2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓43第43頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月用定值比熱容計(jì)算氣體熱量當(dāng)氣體在所進(jìn)行的熱力過(guò)程中溫度變化較小或者計(jì)算精度要求不高時(shí),可將比熱容看成是與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù),即定值比熱容。對(duì)于理想氣體，根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)論，只要是氣體原子數(shù)目相同，則其定值摩爾熱容也相同，如表2.2所示。只要確定了氣體種類(lèi)，從表中查取定值摩爾熱容后，利用公式(2.31)即可求出該氣體的定值質(zhì)量比熱容和定值體積比熱容。圖2.10比熱容與溫度的關(guān)系

2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓44第44頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表2.2理想氣體定值摩爾熱容2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓45第45頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月用平均比熱容計(jì)算氣體熱量2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓46第46頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓47第47頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于平均比熱容，需要注意的有以下幾點(diǎn)：①平均比熱容的幾何意義從圖2.10中可以明顯看出，即為矩形abt2t1的高，也即數(shù)學(xué)中的中值定理在量熱學(xué)中的具體應(yīng)用。②附表1、附表2是根據(jù)實(shí)驗(yàn)和理論分析計(jì)算得到的，某種程度上說(shuō)，利用平均比熱容計(jì)算的結(jié)果與此溫度范圍內(nèi)用真實(shí)比熱容計(jì)算的結(jié)果是一致的。同時(shí)，附表中溫度不連續(xù)，需確定中間值時(shí)常用簡(jiǎn)單的線(xiàn)性插值?！纠?.5】鍋爐的煙氣在空氣預(yù)熱器中將空氣從t1=20℃定壓加熱到t2=200℃，試分別用定值比熱容和平均比熱容求1kg空氣的吸熱量并比較誤差。2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓48第48頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工程實(shí)際涉及到的熱力過(guò)程分析計(jì)算中,通常只需要確定空氣、水蒸氣等工質(zhì)的內(nèi)能與焓的相對(duì)變化量Δu、Δh，而不需要計(jì)算其絕對(duì)值。所以，除了利用前面討論的熱力學(xué)第一定律方程計(jì)算工質(zhì)的內(nèi)能與焓的變化量以外，對(duì)于理想氣體，還可以利用比熱容來(lái)計(jì)算其內(nèi)能與焓的變化量。2.3.3利用比熱容計(jì)算理想氣體內(nèi)能與焓的變化量2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓49第49頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月理想氣體內(nèi)能變化量計(jì)算2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓50第50頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月理想氣體焓值變化量計(jì)算2.3利用量熱學(xué)方法計(jì)算理想氣體的熱量、內(nèi)能及焓51第51頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱力系統(tǒng)與外界之間的能量交換是通過(guò)熱力過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而實(shí)際的熱力過(guò)程多種多樣，較為復(fù)雜。通過(guò)熱力學(xué)方法對(duì)復(fù)雜的熱力過(guò)程進(jìn)行科學(xué)抽象和簡(jiǎn)化，將復(fù)雜的不可逆過(guò)程理想化為可逆過(guò)程來(lái)處理，得到一些基本熱力過(guò)程的參數(shù)變化規(guī)律和能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，然后再借助于實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的修正，進(jìn)而解決工程實(shí)際問(wèn)題。本節(jié)通過(guò)討論理想氣體的可逆熱力過(guò)程，歸納出幾種基本熱力過(guò)程的性質(zhì)、參數(shù)關(guān)系、能量交換規(guī)律及過(guò)程的圖示特征。2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程52第52頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月所謂基本熱力過(guò)程是指熱力系中工質(zhì)從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2時(shí)始終能保持其某一個(gè)狀態(tài)參數(shù)（如比體積v、壓力p、溫度T或熵s等）不變的熱力過(guò)程。定容過(guò)程定容過(guò)程是指定量的工質(zhì)在狀態(tài)變化過(guò)程中容積保持不變的熱力過(guò)程。（1）過(guò)程方程式定容過(guò)程的特征是工質(zhì)的容積或比體積始終保持不變，所以，其過(guò)程方程式為V=常數(shù)或v=常數(shù)2.4.1基本熱力過(guò)程2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程53第53頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式按過(guò)程方程及理想氣體狀態(tài)方程式得上式說(shuō)明在定容過(guò)程中氣體的壓力與熱力學(xué)溫度成正比。當(dāng)氣體被加熱時(shí)，溫度升高，壓力增大；當(dāng)氣體被冷卻時(shí)，溫度降底，壓力也降低。（3）定容過(guò)程在p-v圖、T-s圖上的表示

如前所述，p-v圖又可稱(chēng)為示功圖，表示過(guò)程方程p=f（v）的關(guān)系曲線(xiàn)。定容過(guò)程線(xiàn)在p-v圖上如圖2.11（a）所示，是一條垂直于橫坐標(biāo)軸的直線(xiàn)。1—2為定容加熱過(guò)程，q＞0；1—2′為定容放熱過(guò)程，q＜0。2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程54第54頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月T-s圖可反映熱力過(guò)程中工質(zhì)溫度與熵的變化關(guān)系，經(jīng)推導(dǎo)可知，定容過(guò)程在T-s圖上是一條指數(shù)曲線(xiàn)，如圖2.11（b）所示，且該曲線(xiàn)斜率為式中T與cV均為正值，指數(shù)曲線(xiàn)斜率為正，并隨溫度升高而增大。圖2.11定容過(guò)程的p-v圖和T-s圖（a）P-v圖；（b）T-s圖2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程55第55頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程56第56頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月定壓過(guò)程定壓過(guò)程是指定量的工質(zhì)在狀態(tài)變化過(guò)程中壓力保持不變的熱力過(guò)程，工程實(shí)際中有許多在熱力設(shè)備中進(jìn)行的工質(zhì)加熱和冷卻過(guò)程都可近似按定壓過(guò)程對(duì)待。（1）過(guò)程方程式定壓過(guò)程的特征是工質(zhì)的壓力始終保持不變，所以其過(guò)程方程式為p=常數(shù)（2）初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式按過(guò)程方程及理想氣體狀態(tài)方程式得上式說(shuō)明，定壓過(guò)程中理想氣體的比容與熱力學(xué)溫度成正比。2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程57第57頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）定壓過(guò)程在p-v圖、T-s圖上的表示如圖2.12所示，定壓過(guò)程在p-v圖上是一條水平線(xiàn)，過(guò)程1—2表示系統(tǒng)對(duì)外界做膨脹功，w＞0；過(guò)程1—2′表示外界對(duì)系統(tǒng)做壓縮功，w＜0。在T-s圖上定壓過(guò)程也是一條指數(shù)曲線(xiàn)，其斜率為定容過(guò)程的斜率）。也即加入同樣熱量后定壓過(guò)程的氣體溫度升高值較定容過(guò)程小，因?yàn)橛胁糠譄崃坑糜趯?duì)外做功。過(guò)程1—2是一個(gè)吸熱升溫膨脹過(guò)程，溫度、比體積、熵都增大。圖2.12定壓過(guò)程的p-v圖和T-s圖(a)p-v圖；（b）T-s圖

2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程58第58頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程59第59頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月定溫過(guò)程定溫過(guò)程是指定量的工質(zhì)在狀態(tài)變化中保持溫度不變的熱力過(guò)程。（1）過(guò)程方程式由過(guò)程特征T=常數(shù)及pv=RT得定溫過(guò)程的過(guò)程方程式為：pv=常數(shù)（2）初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式由過(guò)程方程式可得定溫過(guò)程初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系為：可見(jiàn)，定溫過(guò)程中理想氣體的絕對(duì)壓力與比體積成反比。2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程60第60頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）定溫過(guò)程在p-v圖、T-s圖上的表示定溫過(guò)程pv=常數(shù)，故其過(guò)程曲線(xiàn)在p-v圖上是一條等軸雙曲線(xiàn)，在T-s圖上是一條與橫坐標(biāo)軸平行的直線(xiàn)，如圖2.13所示。等溫加熱時(shí)，比體積增加，壓力下降，熵值增加，為吸熱膨脹過(guò)程，即圖中過(guò)程曲線(xiàn)1—2；反之，為壓縮放熱過(guò)程，熵值減小，即圖中過(guò)程曲線(xiàn)1—2′。圖2.13定溫過(guò)程的p-v圖和T-s圖(a)p-v圖;（b）T-s圖

2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程61第61頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程62第62頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月絕熱過(guò)程定量工質(zhì)在狀態(tài)變化過(guò)程中與外界沒(méi)有熱量交換的熱力過(guò)程稱(chēng)為絕熱過(guò)程。實(shí)際工程中當(dāng)過(guò)程進(jìn)行得極快，熱力系來(lái)不及與外界發(fā)生熱交換，或者系統(tǒng)有良好的保溫絕熱材料使之與外界熱隔絕，都可近似看成絕熱過(guò)程來(lái)對(duì)待。（1）過(guò)程方程式對(duì)于理想氣體，依熱力學(xué)第一定律能量方程式可推出過(guò)程方程式為：pvk=常數(shù)2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程63第63頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程64第64頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)絕熱過(guò)程在p-v圖、T-s圖上的表示

圖2.14絕熱過(guò)程的p-v圖和T-s圖(a)p-v圖；（b）T-s圖

2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程65第65頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程66第66頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程67第67頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月前面所討論的基本熱力過(guò)程都有明顯的過(guò)程特征，即某一狀態(tài)參數(shù)在過(guò)程中保持不變。實(shí)際過(guò)程中往往是各參數(shù)都發(fā)生變化，比前述基本熱力過(guò)程更一般、更普遍，事實(shí)上也更具代表性，這種過(guò)程一般稱(chēng)為多變過(guò)程。過(guò)程方程式與多變指數(shù)歸納四個(gè)基本熱力過(guò)程方程式，多變過(guò)程方程式可表示為pvn=常數(shù)（2.56）式中，n為多變指數(shù)，可以是從-∞到+∞的任何實(shí)數(shù)。式中，n為多變指數(shù)，可以是從-∞到+∞的任何實(shí)數(shù)。比較前面四個(gè)基本熱力過(guò)程，有：2.4.2多變過(guò)程2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程68第68頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月n=0時(shí)，p=常數(shù)，代表定壓過(guò)程；n=1時(shí)，pv=常數(shù)，代表定溫過(guò)程；n=k時(shí)，pvk=常數(shù)，代表定熵過(guò)程；n=±∞時(shí)，v=常數(shù)，代表定容過(guò)程。可見(jiàn)，四個(gè)基本熱力過(guò)程是多變過(guò)程的特例。實(shí)際過(guò)程中n值也可能是變化的，即n≠常數(shù)，如果n值變化不大，則可用一定的多變過(guò)程來(lái)近似表示實(shí)際過(guò)程；如果n值變化較大，則可把實(shí)際過(guò)程分作幾段，各段的n值為不同的常數(shù)。當(dāng)n值為定值時(shí)，由公式（2.56）可得：上式表明，多變指數(shù)n值可由鄰近的兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)來(lái)求得。2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程69第69頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月多變過(guò)程分析（1）相關(guān)公式顯然，多變過(guò)程與絕熱過(guò)程公式類(lèi)似，只是指數(shù)不同。將多變過(guò)程初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式及功量與熱量的計(jì)算公式和前述幾個(gè)熱力過(guò)程的有關(guān)公式均列于表2.3中，以便比較。（2）多變過(guò)程在p-v圖、T-s圖上的表示多變過(guò)程線(xiàn)的大致相對(duì)位置借助于四個(gè)基本熱力過(guò)程線(xiàn)可以確定。如圖2.15所示，在制冷壓縮過(guò)程中常遇到的是1＜n＜k，即介于定溫過(guò)程和定熵（絕熱）過(guò)程之間的多變過(guò)程。2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程70第70頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表2.3氣體幾種熱力過(guò)程基本公式2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程71第71頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）過(guò)程中w、Δu正負(fù)值的判定圖2.15中已標(biāo)注了各量的正、負(fù)范圍。熱量的正、負(fù)以定熵線(xiàn)為基準(zhǔn)。從初狀態(tài)點(diǎn)1到終狀態(tài)點(diǎn)2，當(dāng)終點(diǎn)在p-v圖的右上區(qū)域，T-s圖的右側(cè)區(qū)域的熱力過(guò)程均為q＞0、Δs＞0的吸熱過(guò)程；反之，則q＜0、Δs＜0，為放熱過(guò)程。圖2.15多變過(guò)程的p-v圖和T-s圖(a)p-v圖;(b)T-s圖2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程72第72頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月體積變化功的正、負(fù)以定容線(xiàn)為基準(zhǔn)。以1點(diǎn)開(kāi)始，當(dāng)過(guò)程終點(diǎn)位于p-v圖上定容線(xiàn)右側(cè)，或T-s圖中右下側(cè)時(shí)，Δv＞0、Δw>0,為膨脹做功；反之，則Δv＜0、Δw＜0,為外界對(duì)系統(tǒng)做壓縮功。內(nèi)能的增、減以定溫線(xiàn)為基準(zhǔn)，以1點(diǎn)為開(kāi)始，當(dāng)過(guò)程終點(diǎn)位于p-v圖中定溫線(xiàn)右上區(qū)域，或T-s圖中定溫線(xiàn)上側(cè)區(qū)域，則ΔT＞0、Δu＞0、Δh＞0，為工質(zhì)的內(nèi)能及焓增加的過(guò)程；反之，則ΔT＜0、Δu＜0、Δh＜0，工質(zhì)內(nèi)能及焓減少。需要指出的是，當(dāng)1＜n＜k時(shí)，從圖上可以看出，此時(shí)氣體的膨脹過(guò)程中q為正而ΔT為負(fù)，氣體的壓縮過(guò)程中q為負(fù)而ΔT為正。這意味著此時(shí)多變比熱容為負(fù)值，其物理意義可認(rèn)為是：當(dāng)氣體膨脹做功時(shí)，對(duì)外做的功大于氣體吸收的熱量，差數(shù)由氣體內(nèi)能來(lái)補(bǔ)償，故氣體溫度降低；壓縮時(shí)，外界對(duì)氣體做的功大于氣體向外界放出的熱量，其內(nèi)能增加而溫度升高。2.4理想氣體的主要熱力過(guò)程73第73頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工程中都是通過(guò)工質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)移的，為保持過(guò)程的連續(xù)性，工質(zhì)常會(huì)循環(huán)使用。如采暖系統(tǒng)利用熱水在散熱器內(nèi)散熱可以維持室內(nèi)溫度，散熱后的水絕對(duì)不會(huì)排掉，而是仍返回?zé)嵩慈ダ^續(xù)被加熱，如此循環(huán)往復(fù)，才能保證有熱水連續(xù)不斷地流入散熱器而向室內(nèi)供熱。而將散熱后的水排掉，顯然是不合理的。工質(zhì)從初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列熱力狀態(tài)變化后又回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)的全部過(guò)程稱(chēng)為熱力循環(huán)，簡(jiǎn)稱(chēng)循環(huán)。2.5熱力學(xué)第二定律簡(jiǎn)介2.5.1熱力循環(huán)2.5熱力學(xué)第二定律簡(jiǎn)介74第74頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果組成循環(huán)的全部熱力過(guò)程均為可逆過(guò)程，則該循環(huán)為可逆循環(huán)，在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)中可用實(shí)線(xiàn)表示，并且是一條封閉的曲線(xiàn)，如圖2.16所示。否則，為不可逆循環(huán)。按照熱力循環(huán)的目的或效果不同，可分為正向循環(huán)和逆向循環(huán)。圖2.16熱力循環(huán)（a）正向循環(huán)；(b)逆向循環(huán)

2.5熱力學(xué)第二定律簡(jiǎn)介75第75頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月正向循環(huán)和熱效率熱力學(xué)中，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的循環(huán)稱(chēng)為正向循環(huán)，圖2.16(a)所示為1kg工質(zhì)在熱機(jī)中進(jìn)行12341的正向循環(huán)，在p-v圖上是按順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行的。在過(guò)程1—2—3中，工質(zhì)從高溫?zé)嵩碩1吸收熱量q1，并向外界輸出膨脹功，即面積S123v3v11。過(guò)程3—4—1為壓縮過(guò)程，所消耗的壓縮功即面積Sv1v3341v1，同時(shí)向低溫?zé)嵩碩2放出q2的熱量，并結(jié)束一個(gè)循環(huán)回到初始狀態(tài)。如圖2.17所示，按熱力學(xué)第一定律，在這一個(gè)循環(huán)過(guò)程中，系統(tǒng)向外界輸出的凈功w0，應(yīng)等于工質(zhì)從高溫?zé)嵩次盏臒崃縬1與向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃縬2的差值，即2.5熱力學(xué)第二定律簡(jiǎn)介76第76頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.17熱機(jī)和制冷機(jī)工作過(guò)程（a）熱機(jī)；(b)制冷機(jī)（熱泵）

2.5熱力學(xué)第二定律簡(jiǎn)介77第77頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月逆向循環(huán)和工作系數(shù)逆向循環(huán)是消耗機(jī)械能（或其他能量），將熱能從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移（傳遞）到高溫?zé)嵩吹臒崃ρh(huán)。如制冷裝置及熱泵型空調(diào)等，均是由外界對(duì)系統(tǒng)輸入循環(huán)凈功（壓縮過(guò)程3—2—1與膨脹過(guò)程1—4—3的功量代數(shù)和，w0＜0）來(lái)實(shí)現(xiàn)熱能由低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移的。如圖2.16(b)和2.17(b)所示，逆向循環(huán)在p-v圖上為逆時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行。若1kg工質(zhì)完成一個(gè)逆向循環(huán)，消耗凈功w0，從低溫?zé)嵩碩2吸收熱量q2，向高溫?zé)嵩碩1放出熱量q1，則注意，上式中，循環(huán)凈功w0本應(yīng)為負(fù)值，但為計(jì)算方便，將q1放熱取絕對(duì)值，按上式求得w0為正。2.5熱力學(xué)第二定律簡(jiǎn)介78第78頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.5熱力學(xué)第二定律簡(jiǎn)介79第79頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自發(fā)過(guò)程與非自發(fā)過(guò)程按過(guò)程的發(fā)生是否為人類(lèi)所為,我們所涉及的一切過(guò)程可分為自發(fā)與非自發(fā)過(guò)程。在重力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等自然條件下能夠自動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程我們稱(chēng)為自發(fā)過(guò)程。由于人為干涉或影響才能進(jìn)行的過(guò)程稱(chēng)為非自發(fā)過(guò)程。按照上述劃分，我們稍加注意后就會(huì)發(fā)現(xiàn)，自然界所發(fā)生的自然過(guò)程都是按一定方向進(jìn)行的，是不可逆的。如水可以自發(fā)地從高處流向低處、氣體可以自發(fā)地由高壓向低壓膨脹、熱自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體、機(jī)械能可以通過(guò)摩擦自發(fā)地轉(zhuǎn)換為熱能，等等。這些自然過(guò)程不需附加任何人為的條件而自然進(jìn)行，我們稱(chēng)之為自發(fā)過(guò)程。2.5.2熱力學(xué)第二定律2.5熱力學(xué)第二定律簡(jiǎn)介80第80頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月反過(guò)來(lái)，水不會(huì)自發(fā)地從低處流向高處，但人們用水泵卻可以將水輸送到高處；氣體不會(huì)自發(fā)地進(jìn)行壓縮升壓，但我們可以利用壓縮機(jī)來(lái)對(duì)其進(jìn)行壓縮，提高其壓力；同樣，熱不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體，也不能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，但我們可以利用制冷機(jī)或熱機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些過(guò)程。上面這些須附加人為條件才可實(shí)現(xiàn)的過(guò)程稱(chēng)為非自發(fā)過(guò)程，而所有非自發(fā)過(guò)程的完成，必須要人為地付出一定的代價(jià)，如水泵、制冷機(jī)等消耗額外的機(jī)械能來(lái)作為補(bǔ)償；熱機(jī)則有部分熱量(q2)從T1傳遞到T2使這部分熱的可用性降低來(lái)作為補(bǔ)償。2.5熱力學(xué)第二定律簡(jiǎn)介81第81頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱力學(xué)第二定律的表述和實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第二定律不單只解決能量轉(zhuǎn)換和傳遞有關(guān)熱過(guò)程的方向、限度等問(wèn)題，而且也指明一切自發(fā)過(guò)程的方向性問(wèn)題。所以熱力學(xué)第二定律的表述有多種，都反映同一客觀(guān)規(guī)律，而每一種說(shuō)法又都緊密地與自然界的具體現(xiàn)象相聯(lián)系。下面介紹兩種與熱能的傳遞和轉(zhuǎn)換聯(lián)系緊密的經(jīng)典說(shuō)法。（1）開(kāi)爾文普朗克（KelvinPlank）表述：不可能制造從單一熱源取得熱量使之完全變成機(jī)械能而不引起其他變化的熱機(jī)。這種說(shuō)法指明，從某熱源取得的熱量不能全部變成機(jī)械能。要使熱能連續(xù)不斷地變?yōu)闄C(jī)械能，必須有一部分熱能從高溫?zé)嵩戳飨虻蜏責(zé)嵩矗词?2.58)中的q2不為零），這就是熱能變?yōu)闄C(jī)械能的不可或缺的補(bǔ)償過(guò)程。換句話(huà)說(shuō)，即熱機(jī)效率永遠(yuǎn)小于100%。2.5熱力學(xué)第二定律簡(jiǎn)介82第82頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月過(guò)去曾有人試圖制造一種使工質(zhì)可以無(wú)償?shù)貜拇髿饣蚝Ｋ形崃坎⑹怪哭D(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C(jī)器，即所謂的“第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)”。此種機(jī)器并不違反熱力學(xué)第一定律，但它違反了熱力學(xué)第二定律：?jiǎn)螣嵩吹臒釞C(jī)是不存在的。（2）克勞修斯（Clausius）表述：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。這種說(shuō)法指出了熱傳遞過(guò)程的方向性：熱可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體；反之，則是非自發(fā)的，需要消耗其他能量作為補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)。熱力學(xué)第二定律還有很多種表述，但實(shí)質(zhì)上是一致的，都說(shuō)明了自發(fā)過(guò)程是有方向性的，非自發(fā)過(guò)程必須在一定條件下才能進(jìn)行。2.5熱力學(xué)第二定律簡(jiǎn)介83