工程热力学课件2.ppt

第二章热力学第一定律Thefirstlawofthermodynamics,2-1热力学第一定律的本质,1909年，C.Caratheodory最后完善热一律,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,闭口系循环的热一律表达式,要想得到功，必须化费热能或其他能量,热一律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”,某人的永动机构思,资料：要科学，不要永动机,焦耳在探索科学真理的道路上，也走过弯路。他年轻的时候，正是永动机热席卷欧洲的时代，许多人钻进了永动机的迷宫，妄想制造出一种不消耗能量永远做功的机器。焦耳也是个“永动机迷”，曾经狂热地追求过永动机，几乎消磨了他全部的业余时间。他通宵达旦地冥思苦索、设计方案、制作机件，但是没有一个是成功的。失败引起了焦耳的深思，为什么乍一看设计上几乎无懈可击的机器，做出来却总是一堆废物？焦耳没有象有些人那样，明明进入了迷宫，还以为走进了科学的殿堂，碰了壁也不回头。他吸取教训，迷途知返，毅然退出了幻想的迷宫，转向脚踏实地的科学研究，探求隐藏在失败背后的科学真谛。经过勤奋实践，他终于找到了热功当量，为建立能量守恒定律作出了杰出的贡献。这个定律好比一块路标，插在寻找永动机的十字路口，警告迷途人：此路不通！据说焦耳还现身说法，语重心长地告诫那些仍旧迷恋永动机的人说：“不要永动机，要科学！”,趣闻轶事：精确的测量值在几十年里不作大修正,从1849到1878年，焦耳反复作了四百多次实验，所得的热功当量值几乎都是423.9千克米/千卡，这和现在公认值427千克米/千卡相比，只小0.7%。焦耳用惊人的耐心和巧夺天工的技术，在当时的实验条件下，测得的热功当量值能够在几十年时间里不作比较大的修正，这在物理学史上也是空前的。,坚持不懈终将获得公认(1),1843年8月，在考尔克的一次学术报告会上，焦耳作了题为论磁电的热效应和热的机械值的报告。他在报告中提出热量与机械功之间存在着恒定的比例关系，并测得热功当量值为1千卡热量相当于460千克米的机械功。这一结论遭到当时许多物理学家的反对。,坚持不懈终将获得公认(2),1845年在剑桥召开的英国科学协会学术会议上，焦耳又一次作了热功当量的研究报告，宣布热是一种能量形式，各种形式的能量可以互相转化。但是焦耳的观点遭到与会者的否定，英国伦敦皇家学会拒绝发表他的论文。1847年4月，焦耳在曼彻斯特作了一次通俗讲演，充分地阐述了能量守恒原理，但是地方报纸不理睬，在进行了长时间的交涉之后，才有一家报纸勉强发表了这次讲演。同年6月，在英国科学协会的牛津会议上，焦耳再一次提出热功当量的研究报告，宣传自己的新思想。会议主席只准许他作简要的介绍。只是由于威廉汤姆孙在焦耳报告结束后作了即席发言，他的新思想才引起与会者的重视。直到1850年，焦耳的科学结论终于获得了科学界的公认。,2-2热力学能（内能）和总能,内能(internalenergy)的导出,闭口系循环,内能的导出,对于循环1a2c1,对于循环1b2c1,状态参数,p,V,1,2,a,b,c,内能及闭口系热一律表达式,定义dU=Q-W内能U状态函数,Q=dU+WQ=U+W,闭口系热一律表达式,！两种特例绝功系Q=dU绝热系W=-dU,内能U的物理意义,dU=Q-W,W,Q,dU代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。,U代表储存于系统内部的能量内储存能（内能、热力学能）,内能的性质,分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）核能化学能,内能,内能是状态量,U:广延参数kJu:比参数kJ/kg,内能总以变化量出现，内能零点人为定,说明：,系统总能,外部储存能,宏观动能Ek=mc2/2宏观位能Ep=mgz,机械能,系统总能,E=U+Ek+Ep,e=u+ek+ep,一般与系统同坐标，常用U,dU,u,du,热一律的文字表达式,热一律:能量守恒与转换定律,进入系统的能量-离开系统的能量=系统内部储存能量的变化,W,Q,一般式,Q=dU+WQ=U+W,q=du+wq=u+w,单位质量工质,适用条件：1）任何工质2)任何过程,23热力学第一定律基本表达式,闭口系能量方程中的功,功（w）是广义功闭口系与外界交换的功量,q=du+w,准静态容积变化功pdv拉伸功w拉伸=-dl表面张力功w表面张力=-dA,w=pdv-dl-dA+.,闭口系能量方程的通式,q=du+w,若在地球上研究飞行器q=de+w=du+dek+dep+w,准静态和可逆闭口系能量方程,简单可压缩系准静态过程,w=pdv,q=du+pdv,q=u+pdv,热一律解析式之一,2-4开口系统能量方程,推导,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,能量守恒原则进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能量的变化,推动功的引入,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv,这个结果与实验不符,少了推动功,推进功（flowwork）的表达式,推动功（推进功）：系统引进或排除工质传递的功量。,注意：不是pdvv没有变化,v1,p,v,p1,1,流动功：系统维持流动所花费的代价。,推动功在p-v图上：,对推进功的说明,1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在,2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化,3、w推pv与所处状态有关，是状态量,4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界做出，流动工质所携带的能量,可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量,开口系能量方程的推导,Wnet,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv,min,pvout,开口系能量方程微分式,Q+min(u+pv+c2/2+gz)in-Wnet-mout(u+pv+c2/2+gz)out=dEcv,工程上常用流率,开口系能量方程微分式,当有多条进出口：,流动时，总一起存在,焓(enthalpy)的引入,定义：焓h=u+pv,h,h,开口系能量方程,焓（Enthalpy)的说明,定义：h=u+pvkJ/kgH=U+pVkJ,1、焓是状态量,2、H为广延参数H=U+pV=m(u+pv)=mhh为比参数,3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功)对静止工质，焓不代表能量,4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决于热力状态的能量。,2-5稳定流动能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,稳定流动条件,（steady-flowenergyequation),1、,2、,3、,轴功Shaftwork,每截面状态不变,4、,稳定流动能量方程的推导,稳定流动条件,0,稳定流动能量方程的推导,1kg工质,稳定流动能量方程,适用条件：,任何流动工质,任何稳定流动过程,单位质量工质的开口与闭口,ws,q,稳流开口系,闭口系(1kg),容积变化功,等价,技术功wt,稳流开口与闭口的能量方程,容积变化功w,技术功wt,闭口,稳流开口,等价,轴功ws,推进功(pv),几种功的关系？,几种功的关系,w,wt,(pv),c2/2,ws,gz,做功的根源,ws,准静态下的技术功,准静态,准静态,热一律解析式之一,热一律解析式之二,技术功在示功图上的表示,机械能守恒,对于流体流过管道，,压力能动能位能,机械能守恒,柏努利方程,2-6稳定流动能量方程应用举例,热力学问题经常可忽略动、位能变化,例：c1=1m/sc2=30m/s(c22-c12)/2=0.449kJ/kg,z1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg,1bar下,20oC水的h1=84kJ/kg100oC水蒸气的h2=2676kJ/kg,例1：透平(Turbine)机械,火力发电核电,飞机发动机轮船发动机移动电站,燃气轮机,蒸汽轮机,透平(Turbine)机械,1)体积不大,2）流量大,3）保温层,q0,ws=-h=h1-h20,输出的轴功是靠焓降转变的,例2：压缩机械,火力发电核电,飞机发动机轮船发动机移动电站,压气机,水泵,制冷空调,压缩机,压缩机械,1)体积不大,2）流量大,3）保温层,q0,ws=-h=h1-h230？,说明是推动功转换成热力学能即使向真空系统输送，也需要推动功！,例题：有一台稳定工况下运行的水冷式压缩机，运行参数如附图所示。设空气的比热容cp=1.003kJ/(kgK),水的比热容cw=4.187kJ/(kgK)。若不计压气机向环境的散热损失以及动能差及位能差，试确定驱动该压气机所需的功率。已知空气的焓差h2-h1=cp(T2-T1),取控制体为压气机（但不包括水冷部分）考察能量平衡,解：,流入：,流出：,内增：0,？,若取整个压气机（包括水冷部分）为系统，忽略动能差及位能差则：,流入：,流出：,内增0,？,查水蒸气表得,本题说明：1）同一问题，取不同热力系，能量方程形式不同。2）热量是通过边界传递的能量，若发生传热两物体同在一体系内，则能量方程中不出现此项换热量。3）黑箱技术不必考虑内部细节，只考虑边界上交换及状况。4）不一定死记能量方程，可从第一定律的基本表达出发。,第二章小结,1、本质：能量守恒与转换定律,进-出=内能增量,第二章小结,通用式,2、热一律表达式：,第二章小结,稳流：,dE