（精选）热力学第一定律.ppt

第二章热力学第一定律,主要内容,能量、热力系统储存能、热力学能、热量和功量等基本概念。体积变化功、轴功、流动功和技术功的概念、计算及它们之间的关系。焓的定义式及其物理意义。p-v图和T-s图，能在图上标出状态、过程和循环。能量守恒定律在热工学中的应用热力学第一定律。封闭热力系的能量方程，能熟练运用能量方程对封闭热力系进行能量交换的分析和计算。开口热力系的稳定流动能量方程，能熟练运用稳定流动能量方程对简单的工程问题进行能量交换的分析和计算。常用热工设备主要交换的能量及稳定流动能量方程的简化形式。,第一节热力系统储存能,热力系统储存能,内部储存能,外部储存能,储存于热力系统的能量称作热力系统储存能。,宏观动能重力位能,热力学能,一、热力学能,指组成物质的微观粒子本身所具有的能量。包括两部分：一是分子热运动的动能，称为内动能；二是分子之间由于相互作用力而具有的位能，称为内位能。,热力学能取决于工质的温度和比体积。,热力学能：U,单位为J或kJ。,热力学能是工质的状态参数。,单位质量工质的热力学能称为比热力学能。符号：u；单位：J/kg或kJ/kg。,气体工质的比热力学能可表示为,通常只需计算热力过程中工质热力学能的变化量。因此可任意选取计算热力学能的基本状态，如取0或0(K)时气体的热力学能为零。,2.重力位能：Ep，单位为J或kJ,二、外部储存能,1.宏观动能：Ek，单位为J或kJ,热力系总储存能：E，单位为J或kJ,比储存能：e，单位为J/kg或kJ/kg,EU+Ek+Ep或eu+ek+ep,第二节热力系与外界传递的能量,在热力过程中,热力系与外界交换的能量:,一、热量,1.热量热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量称为热量。热量为在热传递中物体能量改变的量度,为过程量。热量:Q,单位为J或kJ。单位质量工质与外界交换的热量用q表示,单位为J/kg或kJ/kg。微元过程中热力系与外界交换的微小热量用Q或q表示。热量正负规定:,q0热力系吸热,q0,w0,热力系对外作膨胀功,dv0,w0,热力系向外输出轴功,ws0,外界向热力系输入轴功,开口热力系与外界可以任意地交换轴功，即:热力系可向外输出轴功,如燃气轮机、蒸汽轮机等热力系可接受输入的轴功,如风机、压缩机刚性绝热封闭热力系不可能向外界输出轴功,功率,单位时间所作的功。功率单位:W或kW，1W1J/s。用功率可比较热机的做功能力。,三、随工质流动传递的能量,开口热力系在运行时，存在工质的流入、流出，它们在经过边界时携带有一部分能量同时流过边界，这类能量包括两部分:流动工质本身的储存能E流动功(推动功)Wf,流动功,开口系因工质流动而传递的功量称为流动功,又称推动功。流动功是为推动工质通过开系界面而传递的机械功，它是维持工质正常流动所必须传递的能量。流动功:Wf,单位为J或kJ1kg工质所作流动功用wf表示，单位为J/kg或kJ/kg。,如图2-4所示，已知dm，p，v，A对dm工质:WfpAdxpdVpvdm对1kg工质:1kg工质流入和流出开系的净流动功为wfp2v2p1v1流动功是一种特殊的功，其数值取决于开系进、出口界面上工质的热力状态。,流动工质传递的总能量:,流动工质本身的储存能E流动功(推动功)Wf即:或,四、焓及其物理意义,令HUpV焓(单位:J或kJ)或hupv比焓(单位:J/kg或kJ/kg)焓也是状态参数,与工质是否流动无关。对开口热力系、流动工质，焓表示工质在流动过程中携带的由其热力状态决定的那部分能量；对封闭热力系，焓表示由热力学能、压力和比体积组成的一个复合状态参数。引入状态参数焓后,流动工质传递的总能量为:或,热量功量体积变化功轴功流动功3.随工质流动传递的能量4.焓,复习,第三节热学第一定律,一、热力学第一定律的实质热力学第一定律实质就是热力过程中的能量守恒定律。可表述为:热能和机械能在传递和转换时,能量的总量必定守恒。第一类永动机是不存在的。对一切热力系统和热力过程,有:,进入系统的能量离开系统的能量=系统储存能量的变化量,二、封闭热力系的能量方程,Q-W=UQ=U+W对1kg工质:quw对微元过程QdUW或qduw说明:加给热力系的热量一部分用来对外膨胀做功，另一部分用来增加工质的热力学能，储存于工质内部。,U,如图,对可逆过程:qdupdv或qu,U的正负:,例2-1对于12kg的气体在封闭热力系中吸热膨胀，吸收的热量为140kJ，对外作了95kJ的膨胀功。问该过程中气体的热力学能是增加还是减少？每千克气体热力学能变化多少？,例2-2对定量的气体提供热量100kJ，使其由状态1沿A途径变化至状态2（图2-6），同时对外做功60kJ。若外界对该气体做功40kJ，迫使它从状态2沿B途径返回至状态1，问返回过程中工质吸热还是放热？其量为多少？又若返回时不沿B途径而沿C途径，此时压缩气体的功为50kJ，问C过程中是否吸收热量？,解：（1）气体由1A2沿2B1返回时与外界交换的热量Q2B1的计算。对于每一个热力过程，满足能量方程QUW，对于一个循环，因为热力学能是状态参数，满足或。则Q1A2Q2B1W1A2W2B1Q2B1W1A2W2B1Q1A2604010080（kJ）（2）由过程1A2和2C1组成循环时，气体与外界交换的热量Q2C1的计算。与上述同理Q1A2Q2C1W1A2W2C1Q2C1W1A2W2C1Q1A2605010090（kJ）计算所得热量均为负值，表示气体在两种不同的返回过程中均放出热量，且压缩气体的功越大，放热量越多。,三、开口热力系的稳定流动能量方程,1.稳定流动在开口热力系中，工质的流动状况不随时间而改变，即流道中任意截面上工质的状态参数不随时间改变.特征:单位时间内热力系与外界传递的热量和功量不随时间改变。各流通截面工质的质量流量相等、且不随时间而改变。,如加热器、冷凝器、蒸发器、压缩机、锅炉、汽轮机,2.开口热力系的稳定流动能量方程,稳定流动：,质量m1流速cf1比热力学能u1标高z1,质量m2流速cf2比热力学能u2标高z2,进口,出口,假定1kg工质流经热力系时从外界吸入的热量为q，通过热力系对外界输出的轴功为ws,进入热力系带进的能量,流出热力系带出的能量,根据热力学第一定律,有:,上述各式适用于开口热力系稳定流动的各种热力过程。,四、技术功wt,热力过程中可被直接利用来做功的动能差、位能差及轴功三项之和称为技术功,用wt表示。,wtqh（uw）（up2v2p1v1）即wt=w（p2v2p1v1）,表明:工质稳定流经热力设备时所作的技术功等于体积变化功减去净流动功。,（适用于一般过程）,对于稳定流动的可逆过程1-2,上式中，v恒为正值，负号表示技术功的正负与dp相反，即：wt0，过程中压力降低，对外做技术功；wt0，工质的压力增加，外界对工质做技术功。,由上可得,可逆过程技术功wt在p-v图上可以用过程曲线与纵坐标之间的面积表示。,可逆过程稳定流动能量方程为,五、稳定流动能量方程的应用,工程上,对许多热工设备的运行,可利用简化的稳定流动能量方程式分析它们的能量关系。1.动力机械动力机械对外输出的轴功等于工质的焓降。理论功率2.泵与风机工质流经泵与风机，消耗的轴功等于焓的增加。,3.压缩机,4.换热器工质在换热器中吸收的热量等于焓的增加。5.喷管与扩压管工质流经喷管或扩压管时，动能的增加等于焓的减少。,(q可忽略),6.节流装置,工质节流前后的焓值不变;但绝热节流过程不是定焓过程。,例2-3工质以cf13m/s的速度通过截面A145cm2的管道进入动力机械。已知进口处p1689.48kPa，v10.3373m3/kg，u12326kJ/kg，出口处h21395.6kJ/kg。若忽略工质的动能及位能的变化,且不考虑散热，求该动力机械输出的理论功率。,解：工质的质量流量为（kg/s）进口比焓为（kJ/kg）动力机械输出的理论功率为（kW）,例2-4某蒸汽轮机，进口蒸汽参数为p19.0MPa，t1500，h13386.4kJ/kg，cf150m/s；出口蒸汽参数为p20.004MPa，h22226.9kJ/kg，cf2140m/s，进出口高度差为12m，每千克蒸汽经汽轮机散热15kJ。试求：（1）每千克蒸汽流经汽轮机时所输出的轴功。（2）进、出口动能差、位能差忽略时，对输出功的各自影响。（3）散热忽略时，对输出功的影响。（4）若蒸汽流量为220t/h，汽轮机的理论功率是多少?,解：汽轮机的工作属于开口热力系的稳定流动。（1）由开口热力系的稳定流动能量方程得1133.9（kJ/kg）,（2）忽略进、出口动能差的影响忽略进、出口位能差的影响,（3）忽略散热的影响（4）汽轮机的理论功率（kW）,讨论:,（1）本题的数据具有实际意义。从计算中可以看到，忽略蒸汽进出口的动能差、位能差以及散热损失，对输出轴功的影响均小于2，因此在实际计算中可以忽略不计。这同时说明，类似汽轮机的叶轮