第二章 热力学第一定律

第二章热力学第一定律,热力学第一定律是一切热力过程所必须遵循的能量转换与守恒定律。,本章主要内容,2-1热力系统的储存能,热力学储存能,热力学能,宏观动能与宏观位能,U,热力学能的定义：,物体因热运动而具有的能量,是存储于物体内部的能量。,气体内部所具有的各种能量的总和,2-1热力系统的储存能,热力学能是状态参数,任何状态下系统热力学能的数值不可能为零。由于在工程热力学中只计算工质在状态变化中的热力学能的变化量，因此热力学能的零点可以人为地规定，例如，通常取0K时气体的热力学能为零。,U表示质量为m的气体，单位：J或者kJ。u表示质量为1kg的气体，单位：J/kg或者kJ/kg,2-1热力系统的储存能,宏观位能：Ep，单位为J或kJ,储存能：E，单位为J或kJ,比储存能：e，单位为J/kg或kJ/kg,宏观动能：Ek，单位为J或kJ,2-2热力学第一定律的实质,热力学第一定律的表述：任何形式的能量，既不能消灭也不能创造，只能从一种形式转换成另一种形式，在转换过程中能量的总量保持恒定，-能量守恒转换定律。,热力学第一定律的另一种表述：不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不可能制造成功的。,进入系统的能量离开系统的能量=系统储存能量的变化,2-3闭口系统的热力学第一定律表达式,在工程热力学中，主要是热能和机械能之间的相互转化和总量守恒,本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用,热力学能（内能）,2-3闭口系统的热力学第一定律表达式,U,对于微元过程，,对于可逆过程，,对于单位质量工质,对于单位质量工质的可逆过程,2-3闭口系统的热力学第一定律表达式,2-3闭口系统的热力学第一定律表达式,适用条件：,闭口系；可逆、不可逆；理想和实际气体；初、终态为平衡态,符号规定：,吸热q为正，放热为负系统对外作功为正，反之为负系统内能增大为正,反之为负,2-3闭口系统的热力学第一定律表达式,例：气体在某一过程中吸收了50kJ的热量，同时热力学能增加了84kJ，问此过程中气体做功是多少？,由于工质膨胀做功为正；接受外界压缩功为负，所以断定工质经历了压缩过程，外界对气体作功为34kJ.,功是负值意味什么？,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,1.稳定流动与流动功,（1）稳定流动,流动状况不随时间而改变的流动。即任一流通截面上工质的状态都不随时间而改变。,稳定流动的实现条件：,1）系统和外界交换的能量（功量和热量）与质量不随时间而变;,2）进、出口截面的状态参数不随时间而变;,3)系统和外界交换的一切能量不随时间变化，满足能量守恒。,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,实际热机的工作过程大多可认为是稳定过程。,任一截面上的各种参数都不随时间改变，但各截面上参数可以不同。,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,推动工质流动所作的功，也称为流动功，也称为推进功。,对于单位质量工质，,流动功是由泵或风机加给被输送工质并随工质流动向前传递的一种能量，非工质本身具有的能量。,控制体界面,dx,p,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,2.开口系统的稳定流动能量方程,1,1,2,2,cf1,cf2,m1,m2,Q,Ws,z1,z2,在时间内,进口质量：m1、流速：cf1、标高：z1,出口质量：m2、流速：cf2、标高：z2,稳定流动：,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,在时间内进入系统的能量,在时间内离开系统的能量,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,根据热力学第一定律可得,令,，h称为比焓。,称为焓,焓的定义：焓=热力学能+推动功。,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,由于p、v、u都是状态参数，所以焓也是工质的一个状参数。对于一定状态的工质，p、v、u都有确定的值，焓的值也就随之而定。,如何计算h？,h=u+pv,一般无法测定工质的焓和热力学能的绝对值。在热工计算中关心的是两个状态间焓的变化（h)，因此，可选取某一状态的焓值为零作为计算基准。,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,u是工质本身所具有的能量，pv则是随工质流动而转移的能量，因此焓代表工质流入（出）开口系时传递的能量。,焓的物理意义,工程中常碰到工质连续不断流过热力设备，随工质流动而转移的能量中，取决于工质热力状态的部分是焓不是热力学能，因此焓的应用比热力学能更广泛。,h=u+pv,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,上式可整理成,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,以上两式称为开口系统的稳定流动能量方程。,对于单位质量工质：,对于微元过程，稳定流动能量方程写成：,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,注意：,（1）无论对于流动工质还是不流动工质，比焓都是状态参数；,（2）对于流动工质，流动功等于pv，比焓表示单位质量工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分；,（3）对于不流动工质，不存在流动功，比焓也不表示能量，仅是状态参数。,（4）工程上一般只需要计算工质经历某一过程后焓的变化量，而不是其绝对值，所以焓值的零点可人为地规定。,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,3.技术功,定义：在工程热力学中，将工程技术上可以直接利用的动能差、位能差及轴功三项之和称为技术功，用Wt表示,对于单位质量工质，,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,开口系统的稳定流动能量方程式可改写为:,对于微元过程：,对于开口系统的稳定流动过程，系统内各点的状态都不随时间而变化，所以可以将质量为m的工质作为闭口系统来研究。,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,假定质量为m的工质从进口截面处的状态1变化到出口截面处的状态2，从外界吸收了热量Q,作了膨胀功W。,根据闭口系统的热力学第一定律表达式,对比开口系统的稳定流动能量方程式,可得,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,Wt=w+p1v1-p2v2,2-4开口系统的稳定流动能量方程式,对可逆过程，,式中，v恒为正值，负号表示技术功的正负与dp相反。,2-5稳定流动能量方程式的应用,工程上，除了喷管、扩压管外，常见热工设备的进出口动、位能的变化一般都可以忽略不计。,1.热交换器,2.动力机械,2-5稳定流动能量方程式的应用,2-5稳定流动能量方程式的应用,3.绝热节流,(q=0,ws=0),注意：绝热节流过程不是定焓过程。,本章小结,1.热力学第一定律的实质；,2.热力学第一定律表达式及其适用范围；,ClickToEditTitleStyle,例题1,解：取气体为热力系闭口系？开口系？,强调：功是通过边界传递的能量。,绝热刚性容器内自由膨胀,如图，,抽去隔板，求,?,ClickToEditTitleStyle,例题2,一闭口系沿acb途径由状态a变化到状态b吸入热量84kJ对外作功32kJ,如图所示:,1.若沿途径adb变化时,对外作功10kJ,问进入系统的热量是多少?,2.当系统沿着曲线ba途径从b返回到初始状态a时,外界对系统作功20kJ,则系统与外界交换热量的大小和方向?,3.若Ua=0Ud=42kJ,过程ad和db中交换的热量又是多少?,ClickToEditTitleStyle,对过程a-c-b,有Uacb=Qacb-Wacb=84-32=52KJ,对过程a-d-c,有Qadb=Uadb+Wadb=5210=62KJ,Uacb=Uadb,由闭口系Q=U+W,ClickToEditTitleStyle,Qba=？Qba=Uba+WbaUacb=-Uba,Qba=Uba+Wba=-52