天津大学化工热力学第4章热力学基本定律ppt课件.ppt

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1、第4章热力学基本定律及其应用4.1热力学第一定律主要内容基本概念稳定流动系统热力学第一定律表达式稳流系统热力学第一定律应用基本概念1.体系与环境体系（system）：被划定的研究对象称为体系，也称为系统或物系。环境（Surroundings）：与体系密切相关的，有相互作用或者影响的其余部分。2.体系分类：根据体系与环境的关系，将体系分为三类：（1）敞开体系体系与环境既有物质交换，又有能量交换（2）封闭体系体系与环境没有物质交换，有能量交换基本概念（3）孤立体系体系与环境既无物质交换，又无能量交换。又被称为隔

2、离体系。有时又把封闭体系和环境一起作为孤立体系研究基本概念3.状态和状态函数状态：指某一瞬间体系所呈现的宏观状况；状态函数：体系某些宏观热力学性质是所处状态的单值函数，称为状态函数。如p、V、T、U、H、A、G状态一定值一定，殊途同归值变等，周而复始变化零基本概念4.过程：指体系从一个平衡状态到另一个平衡状态的转换。描述一个过程一般包括：始态、末态、途径基本概念5.热和功（1）热和功不是状态函数，它们与经历的途径有关；（2）它们只是能量的传递形式，而不是储存形式。当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是物质

3、的能量。（3）符号规定：Q:体系吸热为正，放热为负W:体系得功为正，做功为负基本概念能量的形式化工过程涉及到的能量有两大类：物质的能量和能量的传递。物质的能量（以1kg为基准）热力学能：U=f（T，p，x），分子尺度层面上的物质内部的能量动能：EK=1/2u2势能（位能）：Ep=gZ能量的传递：热:Q功:W热力学第一定律热力学第一定律—能量守恒和转换定律：自然界中的一切物质都具有能量，能量有不同的形式，能量不可能被创造也不可能被消灭，而只能在一定条件下从一种形式转变为另一种形式，在转变过程中总能量是守恒的。

4、热力学第一定律数学表达Z1p1,T1,V1,U1,u1,H1p2,T2,V2,U2,u2,H2Z2δm1δm2dE/dt,dm/dt,δWs,δQ热力学第一定律数学表达单位质量的总能量表达：封闭系统热力学第一定律封闭系统单位质量，积分（4-12）稳定流动系统敞开体系：体系和环境有物质和能量的交换流动过程有如下特点（1）设备内各点的状态不随时间变化（2）垂直于流向的各个截面处的质量流率相等。p1,T1,V1,U1，H1p2,T2,V2,U2，H2QWSZ1Z2u2u1单位：J/kg化工中常见的稳流装置稳流系统

5、热力学第一定律的应用（1）流体通过压缩机、膨胀机、透平等设备若与环境绝热，或热交换相对较小，可以得到：H1H2高温高压蒸汽带动透平做功稳流系统热力学第一定律的应用（2）流体流经换热器、反应器等传质设备用于精馏、蒸发等过程换热器的设计。当通过反应器、换热器时，体系发生反应、相变化、温度变化化学反应反应热相变相变热温度变化显热Q△H（3）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀过程或绝热闪蒸过程稳流系统热力学第一定律的应用如：冷冻过程通过节流阀，焓未变，通过等焓线，但温度降低。5413等焓线2TSTHTL稳流系统热

6、力学第一定律的应用（4）流体通过喷管获得高速气体（超音速）,或者通过扩压管例如：火箭、化工生产中的喷射器稳流系统热力学第一定律的应用（5）伯努利（Bernoulli）方程对于没有摩擦的流体流动过程，可以视为可逆过程V是单位质量的体积微分无轴功，积分例题30℃的空气，以5m/s的速率流过一个垂直安装的换热器，被加热至150℃，若换热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为3m，空气的恒压平均热容为试求50kg空气从换热器吸收的热量。思考题1.从稳定流动系统的热力学第一定律简化，能否得到物化课

7、程中学习的封闭系统的热力学第一定律，怎样简化？2.从能量利用的角度分析：在夏天，打开冰箱门来降低房间的温度合适吗？4.2热力学第二定律水往低处流气体由高压向低压膨胀热由高温物体传向低温物体热力学第二定律说明自发过程具有一定的方向性，而不是按照任意方向进行第一定律告诉我们能量必须守衡，但没有说明过程发生的方向。第二定律告诉我们过程进行的方向。4.2热力学第二定律的各种文字表述克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用的功而不引起其他变化自发的过程是不可逆

8、的热机的热效率火力发电厂的热效率大约为35%高温热源T1低温热源T2卡诺热机的效率热与功不等价熵的概念无限小的可逆的卡诺热机有：任意的可逆循环可逆热温商---熵熵是状态函数孤立体系熵增原理或：ΔS系统＋ΔS环境≥0=0，可逆>0，不可逆熵增原理熵是表征系统混乱程度的量度；自然界的自发过程都是从有序到无序；即自然界中的自发过程向熵值增大的方向进行；热力学第一定律阐述了能量的数量恒定，但能量的品位（即各种不同形式的能