第三章 热力学第一定律.ppt

第三章热力学第一定律TheFirstLawofThermodynamics 重点内容 系统储存能 热量及功量的基本概念和特点 内能 焓以及各种形式功量 容积功 轴功 流动功 的物理意义及确定方法 热力学第一定律的实质 本质 能量转换及守恒定律在热过程中的应用 18世纪初 工业革命 热效率只有1 1842年 J R Mayer阐述热一律 但没有引起重视 1840 1849年 Joule用多种实验的一致性证明热一律 于1950年发表并得到公认 热力学第一定律的实质 热力学第一定律是将能量守恒与转换定律在热力学中的应用 它确定了热能与其它形式能量相互转换时在数量上的关系 即进入系统的能量 离开系统的能量 系统储存能量的变化第一类永动机是不可能制成的 焦耳实验 1 重物下降 输入功 绝热容器内气体T 2 绝热去掉 气体T 放出热给水 T恢复原温 焦耳实验 水温升高可测得热量 重物下降可测得功 热功当量1cal 4 1868kJ Mechanicalequivalentofheat 第一节系统储存能 系统与外界传递发生了相互作用 其储存形式的能量就会变化 因此有必要确定系统在某一特定平衡状态时其本身储存了多少能量 系统的储存能包括 与系统分子本身状态有关的内部储存能 也称为热力学能 与系统整体运动有关的外部储存能 一 内能 InternalEnergy 1定义内部储存能 也称为热力学能 ThermodynamicEnergy 简称内能 是系统内部所有各种形式能量的总和 如分子内动能 分子间的位能 化学能 原子能等 单位为J或kJ 比内能为J kg或kJ kg 内能的微观组成 分子动能分子位能bindingforces化学能chemicalenergy核能nuclearenergy 内能 microscopicformsofinternalenergy 移动translation 转动rotation 振动vibration 2注意 内能是一个状态参数分子动能取决于温度 而分子位能取决于比容及温度 对于气体工质的简单系统 f T v f T p f p v 对于理想气体 不存在分子间作用力 因此内能与比容无关 仅是温度的单值函数 即 f T 工质的内能绝对值无法测量 通常只需计算其相对变化值 二 外部储存能 宏观动能 k 1 2mc2J或kJ重力位能 p mgz J或kJ 注意 两者均不能视为状态参数 因为 和 的大小取决于坐标基准的选取 并非仅取决于状态 三 系统总储存能 系统储存能 k p 1 2 c2 mgzJ或kJ或 k p 1 2c2 gzJ kg或kJ kg 第二节系统与外界传递的能量 包括 热量 各种形式的功量以及随物质流动传递的能量 系统与外界传递的能量 广义力 广义位移 一 功量与热量的特性二 容积功与轴功三 开口系统 随物质流动传递的能量四 焓及其物理意义 一 功量与热量的特性 1是传递形式的能量热量和功量是系统与外界通过边界传递的能量 过程一旦结束 两者将成为系统或外界储存形式的能量 2是过程量其数值不仅取决于系统的初 终平衡状态 而且还取决于热力过程中系统所经历的路径 二 容积功与轴功 1容积功容积变化只是系统做容积功的必要条件 即做容积功除了借助于工质的膨胀 还必须有传递功的机构 例如 绝热自由膨胀 2轴功 ShaftWork 定义 系统通过转动的机械轴与外界传递的机械功 J J kg 正 负号规定 系统向外界做轴功 轴功为正 外界对系统做轴功 轴功为负 3 开口系统 随物质流动传递的能量 包括两部分 流动工质储存能 流动功 FlowWork 流动功 FlowWork 定义 推动流体通过控制体边界面而传递的机械功 是维持流体正常流动所必须传递的功量 符号为 J J kg 计算 f pV f pv 入口 f 1 p1V1为负 出口 f 2 p2V2为正 流动功是一种特殊的功量形式 仅取决于系统边界处工质的状态 四 焓及其物理意义 1流动工质的总储存能 对于流动工质U pV或u pv总是同时出现 合并为一项 称为焓 2焓 Enthalpy 定义焓 H U pVJ或kJ比焓 h u pvJ kg或kJ kg 物理意义对于流动工质 焓 内能 流动功表示流动工质向流动前方传递总能量中取决于状态的那部分能量 对于静止工质 焓无实际物理意义 焓是状态参数 理想气体的焓因h u pv u RT f T 所以同内能一样 理想气体的焓仅是温度的单值函数 第四 五节闭口及开口能量方程 一 能量方程的普遍表达式二 闭口系统的能量方程三 开口系统的能量方程四 理想气体内能及焓的变化 热一律的文字表达式 热一律 能量守恒与转换定律 一 能量方程的普遍表达式 研究某一任意工质 任意系统经历一任意的热力过程 针对 到 d 时间内经历的微元热力过程进行分析 能量分析 设系统吸热和对外作功 进入系统的能量 Q m1 h1 c12 2 gz1 离开系统的能量 W Ws m2 h2 c22 2 gz2 系统储存能量的变化 Esys dEsys Esys dEsys 能量方程 系统储存能量的变化 进入系统的能量 离开系统的能量 适用条件 d 时间内任意工质 任意系统经历的任意微元热力过程 各项物理意义 Esys E dE sys Esys控制体储存能变化 Q吸热量 m1 h1 c12 2 gz1 流入控制体内工质携带的能量 m2 h2 c22 2 gz2 流出控制体的工质携带的能量 Wnet对外所作的除流动功外的净功 如容积功 轴功等 二 闭口系统的能量方程 对于简单可压缩系统的微元热力过程 且忽略系统储存能中宏观动能和位能的变化 表达式闭口系统 m2 m1 所以有 应用 热力过程 适用条件 闭口系统 任意工质 任意热力过程物理意义 系统所吸收的热量 一部分用于对外作膨胀功 一部分用于系统内能的增加 适用条件 闭口系统 任意工质 任意热力循环物理意义 经历一个热力循环后 循环净吸热量与循环净输出功相等 热力循环 三 开口系统的能量方程 适用条件 开口系统 任意工质 任意热力过程注意 对于开口系统 一般有 Wnet Ws dEsys dUsys 表达式 四 理想气体内能及焓的变化 1理想气体内能的变化量 定容比热的确定 内能变化量的计算 适用条件 理想气体 任意热力过程 定压比热的确定 焓变化量的计算 适用条件 理想气体 任意热力过程 2理想气体焓的变化量 举例 1氧弹量热器可用来测量化学反应释放的能量 量热器是一个封闭容器 内置被测物质 放在量热器中 当被测物质发生反应时 热从氧弹传给量热器中的水 引起水温升高 搅拌器促使水循环 巳知输给搅拌器的功率为0 04kw 在20min内 从氧弹传出热量为1200kJ 由水箱传给外界空气的热量为60kJ 假设水并无蒸发 求水内能的增加 2气体在某一过程中吸热12kJ 同时内能增加20kJ 问此过程是膨胀过程还是压缩过程 对外所作的功是多少 3压力为1MPa和温度为200 的空气在 主管道中稳定流动 现以一绝热容器用带阀门的管道与它相连 慢慢开启阀门使空气从主管道流人容器 设容器开始是真空的 求在容器内空气的最终温度 分析 作业 P50 52习题3 3 8 9 重点内容 理解稳定流动过程的概念 理解技术功的物理意义及其与容积功 轴功 流动功的区别 掌握内能和焓变化量的计算方法 第五 六节稳定流动能量方程及其应用 研究热力设备正常工作时能量传递与转换规律一 稳定流动能量方程二 稳定流动过程几种功的关系三 稳定流动能量方程的应用 稳定流动 SSSF 过程 SteadyStateSteadyFlow 开口系统内任何一点的工质 其状态参数均不随时间改变 通常称为稳定流动过程或稳态稳流过程 问 系统处于平衡状态吗 一 稳定流动能量方程 稳定流动过程的特点 同一时间内进出控制体界面及系统内任何断面的质量流量相等 即 m1 m2 m 系统内任何断面的状态参数及各种作用量均不随时间变化 但参数不一定相等 控制体内储存能不随时间变化 即dEsys 稳定流动能量方程 由于稳定流动过程dEsys m1 m2 m 因而可以得到以下微分形式的稳定流动能量方程 适用条件 任何工质 稳定流动的可逆与不可逆过程 某一时间内 积分形式 一般Wnet Ws 技术功 TechnicalWork 定义为开口系统与外界可能交换的机械能 稳定流动能量方程变为 二 稳定流动过程几种功的关系 容积功 流动功与轴功 工质在稳定流动过程中所作的膨胀功一部分消耗于维持工质进出开口系统时的流动功代数和 另一部分用于增加工质的宏观动能和重力位能 其余部分才作为热力设备输出的轴功 技术功与轴功 容积功 流动功 若忽略工质进出口处宏观动能和宏观位能的变化 技术功就是轴功 技术功 容积功 流动功 可逆或准静态过程几种功的关系 面积12341技术功 面积12561膨胀功 面积16041进口流动功 面积32503出口流动功 仅对开口系统稳定流动过程有实际的物理意义 适用条件 两式对于开口系统和闭口系统均成立 仅对闭口系统有实际的物理意义 三 稳定流动能量方程的应用 稳定流动过程在工程中广泛地存在 例如热工设备的正常运行条件下 但其启动和关闭情况除外 其能量方程式如下 动力机械 Engine 利用工质在机器中膨胀而获得机械功的设备 因q 0 c 2 0 g z 0 所以有 ws h1 h2说明工质对外所作轴功等于其焓降 压缩机械 Compressor 消耗轴功使气体压缩 升高其压力的设备 q 0 c 2 0 g z 0 则 ws h2 h1 说明压气所需消耗轴功等于气体焓升 热交换器 HeatExchanger 实现冷 热流体热量交换的设备 ws 0 c 2 0 g z 0 则 q h2 h1 说明工质吸收 放热 的热量等于其焓升 降 喷管 Nozzle 实现流体压力降低 流速增加的设备 q 0 ws 0 g z 0 则 说明气体流动动能的增加等于其焓降 混合过程 Mixing 对于实现两种流