热力学第一定律.ppt

第二章 热力学第一定律, 工程热力学,热力学第一定律,能量的转换有赖于物质的状态变化，同时能量有质的差异，因此要把转移中的能量和储存于物系中的能量分开。转移能又分为热量和功，储存能也有内部储存能与外部储存能的区别。热能转变为机械能要靠物系体积的变化，但实际表现出来的并不总是膨胀功，因而应用中还要引入其他不同形式的功。最后，实际中的能量转移都是瞬变过程，所以又要抽象为与时间无关的稳态稳流过程。由于以上种种原因，同一性质的能量平衡方程式将以不同形式、不同内容出现。,第二章 热力学第一定律,内容要求 掌握热力学能，储存能的含义 深刻理解热力学第一定律的实质 掌握热力学第一定律在闭口系统，开口系统中能量方程式的形式 掌握体积变化功，流动功，技术功的含义及相互关系 掌握焓的含义,2-1 热力学能和总能,热力系统的总储存能： 储存于热力系统的能量。 （1）内部储存能热力学能 （2）外部储存能宏观动能，宏观位能。,1. 热力学能：组成物质的微观粒子所具有的能量。,2-1-2 热力学能 （internal energy）,主要包括：,（1）内动能： 物质内部的分子，原子等微观粒子不停地作热运 的热运动动能。 是温度的函数。,（2）内位能： 由于分子间相互作用力的存在所具有的位能， 与气体的比体积有关。,（3）化学能，原子核能，电磁能。,不考虑,内动能+内位能+化学能+原子核能+电磁能,内动能+内位能,热力学能,2. 热力学能是温度和比体积的函数，是状态参数。,3. 热力学能的大小是相对的。工程上更关心热力学能的相对变化量。,单位：焦耳 J，符号 U,2-1-2 宏观动能和宏观位能,宏观动能（Kinetic energy）： 由于宏观运动而具有的动能。EK,2. 宏观位能（Potential energy）： 由于其在重力场中的位置而具有的位能。 EP,2-1-3 总储存能（stored energy）,总储存能：E= U + EK + EP 单位J，KJ 比储存能 e = u + e k+ ep J/kg，KJ/kg,等量空气从相同的初态出发，分别经过可逆 绝热过程A和不可逆绝热过程B到达相同的终 态，分析空气的热力学能变化：UA, UB关系。,思考题,2-2 热力学第一定律的实质,实质：能量守恒与转换定律在热过程中的应用， 它确定了热力过程中热力系统与外界进行 能量交换时，各种形态能量数量上的守恒 关系。,2-2-1 几种表述,表述2：不花费能量就可以产生功的第一类永动机 （perpetual motion machine of the first kind） 是永远不可能制造出来的。,表述1：在热能和其他形式能的互相转换过程中， 能的总量始终不变。,热力学第一定律的实质,热力学第一定律的实质,几种表述,表述4：热可以变为功，功也可以变为热；一定量 的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定 量的功时，必出现与之相应量的热。,表述3：热是能的一种，机械能变热能，或热能变机 械能的时候，他们之间的比值是一定的。,2-2-2 基本能量方程式 对于任一热力系统（开口，闭口），热力过程,热力学第一定律是人类在实践中积累的 经验的总结，不能用数学或其他理论证明。,自然界中发生的一切过程都必须遵守能量守 恒定律，反之，遵守能量守恒与转换定律的一切 过程都可以自发进行。,思考题,2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式,2-3-1 闭口系统的能量方程（energy equation）,热力系统：汽缸活塞系统中的工质,假设： 工质由平衡态1变化到平衡态2， 从外界吸热 Q， 对外作功 W， 忽略工质动能，位能的变化,闭口系统能量方程式（热一解析式）,2-3-2 几点说明：,意义：加给工质的热量 a: 一部分用于增加工质的热力学能， b: 另一部分以作功的方式传递到外界。,对于1kg工质 ：q = w + u,适用条件：a: 可逆过程，不可逆过程 b: 理想气体，实际气体 c: 工质初，终态为平衡状态,2-3-3 几种形式表达式,任意过程 Q = U + W q = u + w,任意微元过程 Q = d U + W q = d u + w,可逆过程 Q = U + 12 p d V q = u + 12 p d v,可逆微元过程 Q = d U + p d V q = d u + p d v, q w d u,1.系统中工质经历一个可逆定温过程，由于没有温度变化，故该系统中工质不能与外界交换热量。 2.封闭热力系内发生可逆定容过程时，系统一定不对外作容积变化功。 3.封闭热力系中，不作膨胀功的过程一定是定容过程。 4.气体膨胀时一定对外作功。 5.工质吸热后一定会膨胀。,思考题,例：一个装有kg工质的闭口系统经历了如下 过程：过程中系统散热kJ，外界对系统作 功kJ，比热力学能减少kJ/kg， 而且整个系统被举高m。试确定过程中系统动能的变化。,例题,例2：设有一定量气体在气缸内由体积0.9m3可逆地膨胀到1.4m3，如图2-3。过程中气体压力保持定值， 且 p = 0.2MPa。若在此过程中气体热力学能增加 12 000J，试: (1)求此过程中气体吸入或放出多少热量。 (2)若活塞质量为20kg，且初始时活塞静止，求终态 时活塞的速度。已知环境压力p0=0.2MPa。,2-4 开口系统能量方程式,工质在设备内流动时 （1）工质的热力状态参数及速度在不同截面不同； （2）开口系统除了通过作功和传热方式传递能量 外，还可以借助工质的流动转移能量； （3）除了能量平衡外，还必须考虑质量平衡； （4）系统与外界交换的功，除了体积变化功， 还有流动功。,注意,2-4-1 推动功和流动功,1. 推动功：开口系统中因工质流动而传递的功。,2. 表示：,（1）是工质在开口系统中流动而传递的能量；只 有在工质流动过程中才出现。,3. 流动功：系统为维持工质流动所需的功。,（2）工质在传递流动功时，没有热力状态的变化， 也没有能量形态的变化。,（3）流动功并不是工质本身的能量。是由泵（风机） 提供用来维持工质流动，并伴随工质流入（出） 而带入（出）系统的能量。,说明,2-4-2 焓 （enthalpy）,定义：焓 H = U + p V J kJ 比焓 h = u + p v J /kg kJ/ kg,（1）物理意义：焓表示随工质流动而转移的总能量。,（2）焓是一个状态参数。,（3）焓的基准点可以人为确定。,说明,2-4-3 开口系统能量方程式,假设：在时间 d 内 流入：质量 m1 , cf 1 流出：质量 m2, cf 2 系统与外界：吸热Q， 对外做轴功WS 完成过程：工质质量 dm，总储存能 dECV,1. 推导,选开口系统,d 时间内进入系统的能量；,d时间内流出系统的能量；,系统储存能的增量：,整理：,开口系统能量方程式,适用条件:可逆过程，不可逆过程,2-4-4 稳定流动 （steady flow）,1. 稳定流动： 开口系统内部及边界上各点工质的热力参数和运动参数不随时间变化的流动过程。,2. 条件： （1）单位时间流入系统的工质质量等于流出系统的工 质质量，保证系统内工质质量流量维持恒定；,（2）单位时间内加入系统的净热及系统对外做的净 功不随时间改变，保证系统储存能量维持不变；,（3）任何截面上工质的一切参数都不随时间而变化。,2-4-5 开口系统稳定流动能量方程式,假设：在时间 t 内 流入：质量 m1 , cf 1 流出：质量 m2, cf 2 系统与外界：吸热Q， 对外做轴功WS 完成过程：工质质量 m，总储存能 ECV,1. 推导,选开口系统,t 时间内进入系统的能量；,t 时间内流出系统的能量；,系统储存能的增量：,稳定流动,整理：,开口系统稳定流动的能量方程式,适用条件（1）稳定流动 （2）可逆过程，不可逆过程,2. 稳定流动能量方程式的分析,工质吸收热量,工质热力学能的变化,工质机械能的变化,为维持工质流动所需流动功,工质对机器所作轴功,热力学能，热能,闭口系统能量方程式：,开口系统稳定流动能量方程式：,无论开口系统，闭口系统，其热变为功的实质是 一样的，都是通过工质体积的膨胀将热能转变为 机械能，只不过对外表现形式不同。,比较,2-4-6 技术功,1. 定义：在热力学中，将工程上可以直接利用的 动能增量，位能增量，轴功总和称为-。,2. W， WS， Wt， (pv) 的关系,3. 可逆过程中技术功表示：,坐标图中的表示：,若dp0，系统对外作功 若dp0，wt0，外界对系统作功 若dp=0，wt=0,说明,2-4-7 开口系统稳定流动能量方程式的其它形式,任意过程 Q = H + W t q = h + wt,任意微元过程 Q = d H + Wt q = d h + w t,可逆过程 Q = H - 12 V d p q = h - 12 v d p,可逆微元过程 Q = d H - V d p q = d h - v d p,根据热力学第一定律，任何循环的净热量等于该 循环的净功量。 热力过程中，工质向外界放热，其温度必然降低。 工质从同一初态出发，分别经历可逆过程和 不可逆过程达到相同的终态，则两过程中工质 与外界交换的热量相同。,思考题,功不是状态参数，热力学能与推动功之和也不是状态参数。 焓是状态参数，对于闭口系统，其没有物理意义。 流动功的改变量仅取决于系统进出口状态，而与工质经历的过程无关。,思考题,2-5 稳定流动能量方程式的应用,热交换器 （heat exchange）,能量方程式：,说明：q等于换热器进出口工质比焓的变化。,各种加热器，冷却器，散热器，蒸发器，冷凝器等。,主要表现 （1）与外界只有热量交换，无功量交换，ws=0; （2）动能，位能的变化较小，可忽略cf2 =0, z =0,2-5-2 动力机械,主要表现 （1）略散热，近似绝热过程, q=0 ; （2）动能，位能的变化较小，可忽略cf2 =0, z = 0,能量方程式：,说明（1）对外输出的轴功等于工质的焓降； （2）此时轴功就是技术功。,各种热力发动机，如燃气轮机，蒸汽轮机；,2-5-3 压气机,主要表现： （1）略散热，q为负，近似绝热过程; （2）动能，位能的变化较小，可忽略cf2 =0, z =0,能量方程式：,说明： 工质流经泵或风机时，消耗的轴功等 于工质焓的增加。,水泵，风机等压缩机械。,2-5-4 绝热节流,主要表现： （1）流动是绝热的； （2）不对外作功； （3）前后两个截面的动能，位能的变化较小，可忽 略cf2 =0, z =0。,能量方程式：,说明（1）节流前后焓值相等； （2）节流过程是典型的不可逆过程。,阀门，孔板流量计等。,2-5-5 喷管,主要表现： （1）流经喷管时，速度大，时间短，散热很小 流动近似是绝热的； （2）属于管内流动，无轴功输入或输出； （3）位能的变化较小，可忽略 z =0。,能量方程式：,说明 ：工质流经喷管时，动能的增加等于 焓值的减少。,收缩型喷管，缩放型喷管（拉瓦尔喷管）,例3：已知新蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3232kJ/kg， 流速cf1= 50m/s，离开汽轮机的排汽焓 h2=2302kJ/kg，流速cf2=120m/s，散热损失和 进出口位置高度差可忽略不计。试求每千克蒸汽 流经汽轮机时对外界所作的功。若蒸汽流量为 10t/h，求该汽轮机发出的功率是多少？,例题,例4：某输气管内气体的参数为p1=4MPa, t1=30,h1=303kJ/kg。设该气体为理想气体， 它的热力学能与温度之间的关系为 u=0.72|T|kJ/kg，气体常数Rg=287J/(kg.K)。 现将1m3的真空容器与输气管连接，打开阀门对 容器充气，直至容器内压力达4MPa为止。 设容器为刚性且绝热良好，充气时输气管中气体参数保持不变。 问充入容器的气体量为多少千克？ （设气体满足状态方程pV=mRgT）,分析：管道中气体的温度是303.15K，而充入原为真空的容器内后升高为420.83K。 温度升高表明理想气体的热力学能增大，这是由于气体进入系统时，外界通过进入系统的工质传递进入系统的推动功转换成热能所致。,例5：一可自由伸缩，不计张力的容器内有压力p=0.8MPa、温度t=27的空气74.33kg。由于泄露，压力降至0.75MPa，温度不变。称重后发现少了10kg。不计容器热阻，求过程中通过容器的换热量。已知大气压力p0=0.1MPa，温度t0=27，且空气的焓和热力学能分别服从hJ/kg=1005Tk及uJ/kg=718Tk。,如图示，汽缸内充有空气，活塞截面积为100cm2，活塞距底面高度为10cm，活塞及其上负载的总质量为195kg，当大气压力为771mmHg，环境温度t0=27，汽缸内气体