維修電工第二章-熱力學(xué)定律課件

1、第二章熱力學(xué)定律 主編第一節(jié)熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)第一定律的基本表達(dá)式圖2-1開口系統(tǒng)微元分析示意圖 在制冷技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移和熱量交換的理論基礎(chǔ)是熱力學(xué)。熱力學(xué)是以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，從能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點(diǎn)出發(fā)，分析研究物態(tài)的變化過程。熱力學(xué)基本定律是制冷工程的熱力學(xué)基礎(chǔ)。對于任何系統(tǒng)，各種能量之間的平衡關(guān)系可一般地表示為輸入系統(tǒng)的能量-輸出系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)儲存能量的變化(2-1)其中，系統(tǒng)的能量包括工質(zhì)的動能、位能、內(nèi)能和流動功，二、閉口熱力系統(tǒng)能量方程因此， 閉口熱力系統(tǒng)的特征是與外界無質(zhì)量交換，即(e2dm2-e1dm1)=0；閉口熱力系統(tǒng)對外做功或外界對系統(tǒng)做功只能是容積功，即W總=

2、W；系統(tǒng)工質(zhì)的動能與位能不會變化，對于理想氣體的可逆過程，容積功第二節(jié)穩(wěn)定流動能量方程及其應(yīng)用一、穩(wěn)定流動能量方程 制冷與空調(diào)設(shè)備中的工質(zhì)可以視作穩(wěn)定流動，也就是說工質(zhì)的流動狀況不隨時(shí)間而改變，即任一流通截面上工質(zhì)的各種參數(shù)(包括熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù))不隨時(shí)間而變化，這種流動稱為穩(wěn)定流動。 工程上常用的熱力設(shè)備除起動、停止或者加減負(fù)荷外，大部分時(shí)間是在穩(wěn)定條件下運(yùn)行，即工質(zhì)的流動狀態(tài)是穩(wěn)定的。 1kg工質(zhì)作穩(wěn)定流動時(shí)的能量方程為二、穩(wěn)定流動能量方程的應(yīng)用(一)制冷壓縮機(jī)在制冷系統(tǒng)中，工質(zhì)流經(jīng)壓縮機(jī)其宏觀動能與重力勢能的變化相對于外界提供的軸功ws來說很小，可以忽略不計(jì)；在此過程中向外界的散熱量也相對

3、很小，可近似為絕熱的，即q=0。(二)膨脹閥膨脹閥是制冷系統(tǒng)的減壓元件，它的作用有兩個(gè)：一是將高壓制冷劑液體節(jié)流減壓，二是調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的供液量。工質(zhì)流經(jīng)膨脹閥時(shí)，由于流道截面突然減小，需克服阻力導(dǎo)致壓力下降，溫度也同時(shí)下降。工質(zhì)流經(jīng)膨脹閥所歷時(shí)間很短，與外界交換的熱量很少，可近似為絕熱的，即q=0；工質(zhì)進(jìn)出膨脹閥宏觀動能與重力勢能的變化都很小，可以忽略不計(jì)，節(jié)流過程工質(zhì)與外界無功交換，ws=0。二、穩(wěn)定流動能量方程的應(yīng)用(三)熱交換器在制冷系統(tǒng)，工質(zhì)流經(jīng)制冷設(shè)備的熱交換器（如冷凝器、蒸發(fā)器等）時(shí)，只有吸熱或放熱，而對外界未做軸功，即ws=0；其宏觀動能與重力勢能的變化相對于傳熱的熱量也很小，可忽

4、略不計(jì)。(四)噴管和擴(kuò)壓管噴管的作用是通過降低工質(zhì)的壓力來提高其流速。擴(kuò)壓管的作用與噴管相反，它通過降低工質(zhì)的流速來提高其壓力。工質(zhì)流經(jīng)噴管或擴(kuò)壓管，可近似為絕熱的，q=0；與外界無功交換，ws=0；重力勢能的變化可忽略不計(jì)。第三節(jié)熱力學(xué)第二定律 熱力學(xué)第一定律指出，任何能量轉(zhuǎn)換和傳遞的熱力過程必然遵守能量轉(zhuǎn)換和守恒定律。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可以確定熱力過程中能量轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系。但是，熱力學(xué)第一定律沒有指出能量轉(zhuǎn)化的方向和必備條件。解決這一問題是熱力學(xué)第二定律的任務(wù)。 熱力學(xué)第二定律與熱力學(xué)第一定律一樣也是事實(shí)的總結(jié)。根據(jù)對熱現(xiàn)象不同側(cè)面的觀察結(jié)果，得到熱力學(xué)第二定律的具體表述各不相同。下面有

5、兩種常見的說法：1.克勞修斯說法(1850)熱不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體。2.開爾文、普朗克說法(1851)不可能制造只從一個(gè)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發(fā)動機(jī)。第四節(jié)卡諾循環(huán)與卡諾定理一、卡諾循環(huán)(一)卡諾循環(huán)的組成1824年法國工程師卡諾描述了一個(gè)工作于兩個(gè)熱源之間，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與熱能相互轉(zhuǎn)換的一個(gè)循環(huán)，即卡諾循環(huán)。當(dāng)循環(huán)逆向進(jìn)行時(shí)稱為逆卡諾循環(huán)。圖2-2無溫差傳熱系統(tǒng)一、卡諾循環(huán)圖2-3卡諾循環(huán)的溫熵圖。正向卡諾循環(huán)溫熵圖如圖2-3a所示。在圖2-3a中，T為熱力學(xué)溫度，s為熵，高溫?zé)嵩吹臏囟葹門1，低溫?zé)嵩吹臏囟葹門2。圖中12為等溫吸熱過程，2

6、3為等熵膨脹過程，34為等溫放熱過程，41為等熵壓縮過程。圖2-3b為逆卡諾循環(huán)，其過程與正卡諾循環(huán)正好相反。(二)制冷系數(shù)和供熱系數(shù)統(tǒng)的能量為q2+w，輸出系統(tǒng)的能量為q1，并且由于通過循環(huán)工質(zhì)回復(fù)到初態(tài)，系統(tǒng)儲存的能量不變。根據(jù)熱力學(xué)第一定律應(yīng)有制冷機(jī)工作的好壞用制冷系數(shù)來衡量，制冷系數(shù)1表示工質(zhì)從低溫物體吸取的熱量與外界消耗的機(jī)械功之比。制冷循環(huán)從熱源吸收的熱量為q2，消耗外功為w，因此制冷系數(shù)的計(jì)算通式為對于逆卡諾循環(huán)，同樣有q1=T1(s4-s1)，q2=T2(s3-s2)。代入上式可得逆卡諾循環(huán)的供熱系數(shù)為一、卡諾循環(huán)制冷循環(huán)是從低溫?zé)嵩次鼰?，向高溫?zé)嵩捶艧幔茨嫦蚩ㄖZ循環(huán)。應(yīng)用逆

7、卡諾循環(huán)的目的有兩種：一是制冷，即獲得需要的低溫環(huán)境，如電冰箱、空調(diào)等；二是供熱，如在冬季使用的熱泵型房間空調(diào)器，就是從溫度相對較低的室外大氣環(huán)境吸熱，向溫度相對較高的室內(nèi)供熱，以達(dá)到取暖的目的。例2-3若家用空調(diào)在夏季制冷時(shí)，在10的低溫?zé)嵩春?0的高溫?zé)嵩粗g工作，并假定其循環(huán)為逆卡諾循環(huán)，求它的制冷系數(shù)。解1C=10+273/（30+273）-（10+273）=14.15一、卡諾循環(huán)例2-4冬天用一熱泵對房屋供熱，若房屋熱損失是每小時(shí)40000kJ，室外環(huán)境溫度為-5，問要使房屋內(nèi)部保持室溫為20，則帶動該熱泵所需的最小功率是多少？若直接采用電爐采暖，則需消耗多少功率？解當(dāng)熱泵按逆卡諾循環(huán)工作時(shí)，其供熱系數(shù)最高，帶動熱泵所需功率就最小。因此，應(yīng)按逆卡諾循環(huán)計(jì)算。二、卡諾定理圖2-4卡諾定理的證明下面對卡諾定理進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)可逆熱機(jī)R(即卡諾機(jī))和任意熱機(jī)1工作在兩個(gè)熱源之間，如圖2-4a所示。調(diào)節(jié)兩個(gè)熱機(jī)，使它們所做的功相等。設(shè)可逆熱機(jī)R從高溫?zé)嵩次諢崃繛镼1，做功為W，向低溫?zé)嵩瘁尫诺臒崃繛镼1-W，則其熱機(jī)效率為由卡諾定理可以得出兩個(gè)推論：推論一：在兩個(gè)不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的一切可逆熱機(jī)，具有相同的熱效率，且與工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)。推論二：在兩個(gè)不同溫度的恒溫?zé)?/p>