3.2　热力学基本定律

3.2.1　热力学第一定律

（1）基本含义

功、热、内能之间可相互转换且转换过程中总量不变。

（2）数学表达式

①闭口系统　系统与环境间无质量交换的系统，热力学第一定律应用于闭口系统时，有：

q=Δu+w　　（3-1）

　　（3-2）

式中，q为单位质量介质的吸热量，J/kg；Δu为介质内能的增加量，J/kg；w为单位质量介质所做的膨胀功，J/kg；p为介质压力，Pa；v为介质的比体积，m³/kg。

②开口系统　系统与环境间有质量交换的系统，对介质稳定流动的开口系统，热力学第一定律的表达式为：

q=Δh-w_t　　（3-3）

　　（3-4）

式中，q为单位质量介质的吸热量，J/kg；Δh为介质焓的增加量，J/kg；w_t为单位质量介质所做的技术功，J/kg；p为介质压力，Pa；v为介质的比体积，m³/kg；w_s为单位质量介质可输出的轴功，J/kg；Δc²为介质速度平方的变化，m/s；g为重力加速度，g=9.81m/s²；Δz为介质高度的变化，m。

（3）基本应用

①热泵能量平衡　对第一类热泵，能量平衡方程为：

Q_U=Q_E+Q_SI　　（3-5）

对第二类热泵，能量平衡方程为：

Q_U=Q_E-Q_SO　　（3-6）

②耗功设备能量方程　对压缩机、风机、泵等耗功设备，其能量关系示意如图3-1（a）所示，其能量方程为（介质稳定流动且忽略部件散热损失及进、出口动能差和位能差时）：

W_I=m（h₂-h₁） 　　（3-7）

③输出功设备能量方程　对内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机、膨胀机等输出功设备，其能量关系示意如图3-1（b）所示，其能量方程为（介质稳定流动且忽略部件散热损失及进、出、口动能差和位能差时）：

W_O=m（h₁-h₂）　　（3-8）

④加热炉能量方程　对加热炉类（锅炉、热风炉等）设备，其能量关系示意如图3-1（c）所示，其能量方程为（介质稳定流动且忽略部件散热损失及进、出口动能差和位能差时）：

Q_I=m（h₂-h₁）　　（3-9）

⑤换热器能量方程　对换热器能量关系示意如图3-1（d）所示，其能量方程为（介质稳定流动且忽略部件散热损失及进、出口动能差和位能差时）：

Q_EX=m_c（h_c2-h_c1）　　（3-10）

Q_EX=m_h（h_h1-h_h2）　　（3-11）

⑥喷射器类设备能量方程　对喷射器、喷管类设备，其能量关系示意如图3-1（e）所示，其能量方程为（介质稳定流动且忽略部件散热损失及进、出口位能差时）：

　　（3-12）

⑦节流类设备能量方程　对节流阀、膨胀阀、孔板、毛细管等节流类设备，其能量关系示意如图3-1（f）所示，其能量方程为（介质稳定流动且忽略部件散热损失及进、出口动能差和位能差时）：

h₁=h₂　　（3-13）

式中，Q_U为输出给用户的热能，J；Q_E为输入热泵的驱动能源，J；Q_SI为从低温热源吸取的热能，J；Q_SO为排放到低温热源的热能，J；W_I为输入热力设备的功，W；m为工作介质的质量流量，kg/s；h₁为工作介质在进口处的焓，J/kg；h₂为工作介质在出口处的焓，J/kg；W_O为热力设备输出的功，W；Q_I为输入加热炉的热能（或化学能、电能等），W；Q_EX为换热器中冷热介质的传热量，W；m_c为换热器中冷介质的质量流量，kg/s；m_h为换热器中热介质的质量流量，kg/s；h_c1、h_c2分别为冷介质在换热器进、出口处的焓，J/kg；h_h1、h_h2分别为热介质在换热器进、出口处的焓，J/kg；c₁、c₂分别为工作介质在喷射器进、出口处的速度，m/s。

3.2.2　热力学第二定律

（1）基本含义

热力学第二定律的含义可从以下几个方面理解。

①热量不可能自发地从低温物体流向高温物体。

②热能不可能100%连续转化为功。

③两个定温热源间卡诺循环热力学效率最高。

④两个变温热源间劳仑兹循环热力学效率最高。

⑤孤立系统（系统与环境之间无质量和能量交换）熵增。

其中卡诺循环是由四个可逆过程构成的循环，即可逆吸热过程、可逆放热过程、可逆压缩过程、可逆膨胀过程，且其吸热、放热过程均在定温下进行，其在温度-比熵图上的表示如图3-2（a）所示。

劳伦兹循环也是由四个可逆过程构成的循环，即可逆吸热过程、可逆放热过程、可逆压缩过程、可逆膨胀过程，但其吸热、放热过程均在变温下进行，其在温度-比熵图上的表示如图3-2（b）所示。

（2）基本应用

基于热力学第二定律，可得出理想热泵的制热性能系数计算公式如下。

①电或功驱动的第一类热泵　如蒸气压缩式热泵，其理想循环制热性能系数为：

　　（3-14）

②热能驱动的第一类热泵　如第一类吸热式热泵，其理想循环制热性能系数为：

　　（3-15）

③第二类热泵　如第二类吸热式热泵，其理想循环制热性能系数为：

　　（3-16）

式中，COP_H1为第一类热泵的制热性能系数，无量纲；T_MH为供给热用户的中高温热能的温度，K；T_L为低温热源温度，K；T_I为第一类吸热式热泵的驱动热源温度，K；COP_H2为第二类热泵的制热性能系数，无量纲；T_H为第二类吸收式热泵所制取的高温热能温度，K；T_M为第二类吸收式热泵的驱动中温热源温度，K。