石油大学热工学第2章-2-第一定律

1、平衡状态 系统建立起平衡状态的充要条件是系统内部以及系统与外界之间各种不平衡势差的消失。 准平衡过程 可逆过程 热力循环,破坏平衡所需时间,恢复平衡所需时间, 准平衡过程+无任何耗散效应 充要条件,可逆过程的功量与热量完全可以用系统状态参数来表达，可不考虑系统与外界的复杂关系。,各种不平衡势差为无限小。,W0=Q0,示功图p-v图,p,V,.,1,2,.,mkg工质：,W =pdV,1kg工质（比功）,w =pdv,W,热力学约定： 正值代表工质膨胀对外做功； 负值代表外界压缩工质消耗功。,可逆过程的体积变化功,示热图T-S图,T,S,Q,热量是过程量。 热力学规定： 系统吸热时热量取正值，

2、系统放热时热量取负值。,可逆过程的热量,第二节 热力学第一定律,【知识点】,热力学第一定律的实质 储存能、焓 功量（体积变化功、轴功、流动功、技术功） 热力学第一定律的一般表达式 闭口系的能量方程（热力学第一定律的表达式） 稳定流动系统的能量方程 能量方程的应用,【本节基本要求】,深入理解热力学第一定律的实质，掌握热力学第一定律的表达式-能量方程，熟练应用热力学第一定律分析工程实际中的有关问题。 掌握储存能、热力学能和焓的概念。 掌握体积变化功、流动功、轴功、技术功的概念、计算及它们之间的关系。,一、热力学第一定律的实质,能量转换与守恒定律 【在热现象中的应用】 自然界的一条普适定律 自然界的

3、一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，它可以从一个物体或系统传递到另外的物体和系统，能够从一种形式转换成另一种形式。在能量的传递和转换过程中，能量的“量”既不能创生也不能消灭，其总量保持不变。 十九世纪的三大发现之一，是辩证唯物主义的科学基础之一。,热力学第一定律的表述,热能可以转换为机械能，机械能可以转换为热能，在它们的传递与相互转换过程中，总量保持不变。 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。,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。,实 质,普遍适用，一切工质一切过程,二、储存能,1、热力学能 工质微

4、观粒子所具有的能量 分子的内动能：分子无规则的热运动； 分子的内位能：分子间的相互作用 化学能+核能：维持一定的分子结构 U = U（T，V） U是状态参数，广延量， 单位 kJ。 比热力学能u=U/m，强度量，单位kJ/kg。,与工质的温度T有关,主要与工质占据的体积V有关,化学反应和核变化,没有或不包括！,简单可压缩系统,热力学能总以变化量出现，零点可人为规定。,（内部储存能）,2、外部储存能,宏观位能Ep,宏观动能Ek,组成,3、储存能（或总能量） 热力学能与外部储存能之和，即,E = U + Ek + Ep=U + mc2 + mgz,比储存能e 单位质量工质的储存能,e = u +

5、ek + ep=u +c2 + gz,【力学状态参数】,【热力状态和力学状态的参数】,热力学能的变化量,储存能的变化量,三、热力学第一定律的一般表达式,功,随物质传递的能量,热量,外界热源,外界功源,外界质源,系 统,系统与外界传递的能量,进入系统的能量-流出系统的能量 =系统能量的增量,在无限短的时间间隔d内： 从外界吸热Q，有(m1，e1)工质进入系统； 对外做功的总和为Wtot，有( m2，e2 )工质流出系统； 系统储存能从Esy增加到 (E+dE )sy。,在有限时间内的表达式：,热力学第一定律一般表达式,积分得到,功 量,:, 除温差以外，其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量

6、. 种类： 1、体积变化功 在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。 2、轴功 通过旋转轴与外界交换的机械功。 3、拉伸功 w拉伸= - dl 4、表面张力功 w表面张力= - dA,随物质传递的能量,1 流动工质本身 具有的能量,2 流动功Wf,：为推动流体通过控制体界面而传递的机械功。,推动1kg工质所需流动功,由泵风机等外部功源提供,三、闭口系能量方程 热力学第一定律的表达式,举例：汽缸活塞系统是一个典型的闭口系 1）系统宏观动能和宏观位能均无变化 即Ek=0， Ep=0，则E= U； 2）闭口系统与外界无物质交换,则 m1=m2=0 ；

7、3）系统对外所做的功仅有因工质膨胀功所做的体积变化功W。 Q = U + W 1kg工质 q = u + w,闭口系微元过程能量方程： Q = dU + W q = du + w,适用范围：闭口系 一切过程和工质,Q - U = W,热功转换的基本原理和关系： 热能转变为机械能必须通过工质体积的膨胀才能实现。 闭口系能量方程是热力学第一定律的基本表达式。,从外界获 得的热量,工质的 热力学能,外热能,内热能,热能,机械能,体积变化功 膨胀功,对于可逆过程,w = pdv w = pdv W = pdV,q = du + pdv 1kg工质,q = u + pdv 1kg工质,Q = U + p

8、dV mkg工质,适用条件： 闭口系 一切工质 可逆过程,注意：1）单位和量纲的统一； 2）热量、功量的正负号。,若在地球上研究飞行器 q = de + w = du + dek + dep + w,热一律解析式之一,门窗紧闭房间，用电冰箱降温 ？,以房间为系统,绝热闭口系,电冰箱,Refrigerator Icebox,在绝热良好的房间内，有一台设备完好的冰箱在工作。在炎热的夏天打开冰箱，人会感到凉爽，问室内温度是否会越来越低？请用热力学原理加以解释。,门窗紧闭房间，用空调降温 ！,以房间为系统,闭口系,空调,Q,Air-conditioner,如果,Q = U + W,例2-2 一刚性绝热

9、容器内贮有水蒸气，通过电热器向蒸汽输入80 kJ的能量，如图2-13所示，问水蒸气的热力学能变化多少?,方法二：仅取容器中蒸汽为系统 这是一个闭口系统，能量方程Q = U + W 。 但系统与外界能量交换的形式有变化。 1）系统与外界无功量交换，W=0； 2）系统仅吸收电热器产生的热量。 根据能量转换与守恒原理，Q=80kJ 则 U=Q=80kJ,讨论：,(1)本题再次说明在解决能量转换问题时，必须首先确定系统。 系统不同，与外界进行的能量交换形式不同，能量方程的形式也有可能不同。 (2)本题中通过电热器向蒸汽输入80kJ的能量， 方法一：作为功量，外界对系统做功，值为“负”； 方法二：作为热

10、量，系统从外界吸热，值为“正”。 解题时应注意对功量和热量 “正”、“负”号的约定。 (3)本题工质是蒸汽，上题工质是气体，均使用能量方程式Q = U + W ，说明对工质无限制。,Q=U+W,37,-46,8,74,38,8,29,-22,U= Q-W,W=Q-U,-20,1210,-250,-980,20,Q1=1210,Q2=980,任一过程,热力循环,W0=230,一定量的空气，经过下列四个可逆多变过程组成的循环。试求： (1)填充下表所缺数据； (2)循环净功； (3)循环热效率,1200 kJ,57.14%,600,-1200,-900,600,-600,Q1=,W0=,Q=U+W

11、,U=U2-U1,2-19 气缸内储有完全不可压缩的流体，气缸的一端被封闭，另一端是活塞。气缸是绝热静止的。试问： (1)活塞能否对流体做功? (2)流体的压力会改变吗? (3)若使用某种方法把流体压力从0.2MPa提高到4 MPa，热力学能有无变化? 焓有无变化?,作业,思考题 2-9 2-14 习题 2-14 、2-15、2-26 【闭口系】 2-23 【稳定流动系】,五、稳定流动系统的能量方程,（一）稳定流动系统 热力系统内各点状态参数不随时间而变化的流动系统。 稳定流动必须满足的条件： （1）进出系统的工质流量相等且不随时间而变； （2）进出口工质的热力状态不随时间而变； （3）系统与

12、外界交换的所有能量不随时间而变。,（二）流动功,如图开口系统。为使工质流入系统，外界必须对工质做功。 推动功为把流体推入系统，外界必须克服系统内阻力做的功。 进口截面1-1：外界所做的推动功 Wpush1=(p1A1)l1=p1（A1l1）=p1V1 对于系统，则Wpush1= - p1V1 出口截面2-2：系统对外做推动功 Wpush2= p2V2 流动功开口系维持工质流动所需的功。 =工质进出系统所做推动功的代数和。 Wf=Wpush1+ Wpush2 = -p1V1 +p2V2 Wf=(pV ) 1kg工质所需的流动功 wf=(pv ),1,1,2,2,l p1,p2,A1,V1，m1,

13、V2，m2,CV 开口系,注意：1）式中是pv ，不是 pdv，v 没有变化； 2）取决于开口系进出口处工质的状态。,Wf = ( pV ) wf= ( pv ),流动功,1、与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在；,2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化；,3、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而是由外界做出，流动工质所携带的能量。,可理解为：由于工质的流进流出，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。,（三）稳定流动系统的能量方程,如图稳定流动系统。 进出口质量：m1=m2=m= m 进出口工质的储存能变化： (e2m2-e1m

14、1) =(e2-e1 )m = (e2-e1) m =(e2-e1 ) m=E2-E1 =(U2 + mc22 + mgz2)- (U1 + mc12 + mgz1) 总功量： 流动功Wf=(pV ) 轴功-通过机器的旋转轴与外界交换的功Wsh Wtot=Wsh+Wf=Wsh+ (pV ) 系统储存能变化 恒为零 Esy=0,1,1,2,2,p2,V1,m1,e1,V2,m2,e2,CV,Q,Wsh,在时间内,p1,稳定流动系统的能量方程,热力学第一定律的一般表达式,流入流出 单位质量工质,可以理解为：一定质量的工质稳定流过控制容积系统，与外界进行能量和本身参数变化所必须遵循的能量方程，即控制

15、质量方程。,稳定流动能量方程,适用条件：,稳定流动 任何过程、任何工质,对于微元过程,开口系统的稳定流动过程 整个流动过程的总效果： 相当于一定质量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，并与外界进行了热量和功量的交换。,膨胀功,净流动功,动能增量,位能增量,轴功,热能,技术功 wt,能量方程有所不同，但热变功的实质是一样的: 必须通过工质膨胀才能实现由热能变成机械能。,（四）技术功,在技术上可资利用的能量，用Wt表示。,定义式,稳定流动系统能量方程：,可逆过程的技术功,“-”表示技术功的正负与dp 相反。,单位质 量工质,dp0， 系统对外界做功； dp0，wt0， 外界对系统做

16、功； dp=0，wt=0。,技术功在示功图上的表示,可逆的稳定流动过程,几种功的关系,W,Wt,Wf=(pV),做功的根源,wsh,稳定流动过程中， 体积变化功隐含 在能量方程中。,（五）焓,1、定义式： 2、焓是状态参数 3、物理意义： 在开口系中，焓是流入（或流出）系统工质所携带的取决于热力学状态的总能量。 在闭口系中，焓仅是一复合的状态参数。,内部储存能,推动功,1）无论流动工质还是不流动工质，比焓都是状态参数； 2）对于不流动工质，比焓也不表示能量，仅是状态参数。,六、能量方程的应用,步骤归纳： （1）画出示意图； （2）确定热力系； （3）列出能量方程； （4）分析简化； （5）整理

17、方程，求解未知量； （6）分析讨论。,六、能量方程的应用,（一）叶轮式机械 叶轮式动力机： 蒸汽轮机、燃气轮机等 压力下降、体积膨胀、对外做功 忽略进出口动能差、位能差以及 系统向外的散热量（q = 0）,叶轮式耗功机械： 叶轮式压气机、水泵等 消耗外功、体积减小、压力升高,Wsh,1,1,2,2,1）叶轮式动力机对外做的轴功来源于从工质从进口到出口的焓降； 2）叶轮式耗功机外界消耗的功用于增加工质的焓。,关心轴功Wsh,（二）热交换器,温度不同的物质间的热量交换设备。 锅炉、回热加热器、过热器、冷凝器和冷油器等 忽略进出口动能差、位能差； 系统与外界无功的交换Wsh= 0,1 1,2 2,1

18、 1,2 2,热力系 工质被加热或冷却,1）冷流体吸收的热量等于其焓的增加； 2）热流体放出的热量等于其焓的减少。,关心热量Q,q = 0 , wsh = 0,绝热节流前后工质的焓相等。 注意：节流过程不可逆，不是定焓过程。,（三）节流,节流流体流经阀门、流量孔板等设备时，流体通过的截面积突然减小的现象。 在节流过程中工质与外界交换的热量可以忽略不计，故称为绝热节流。,存在摩擦和涡流 不可逆，且不稳定,稳定状态,稳定流动能量方程式的应用,热力学问题经常可忽略动、位能变化。,例： c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 10-3 = 0.449 kJ/ kg

19、,z1 = 0 m z2 = 30 m g ( z2 - z1) 10-3 = 0.3 kJ/kg,1bar下, 0 oC水 h1 = 84 kJ/kg 100 oC水蒸气 h2 = 2676 kJ/kg,作业,思考题 2-9 2-14 习题 2-14 、2-15、2-26 【闭口系】 2-23 【稳定流动系】,例题 空气在某压气机中被压缩。压缩前空气的参数为p1=0.1MPa，v1=0.86 m3/kg；压缩后的参数是p2=0.8MPa，v2=0.18m3/kg。假定在压缩过程中每kg空气的热力学能增加150kJ，同时向外放出热量50 kJ，压气机每分钟生产压缩空气10kg。试求： (1)压

20、缩过程中对每kg空气所做的功； (2)每生产1kg的压缩气体所需的功； (3)带动此压气机至少要多大功率的电动机?,J/kg,简答题基本概念和热力学第一定律,1. 当真空表指示数值愈大时，表明被测对象的实际压力愈大还是愈小？,答：真空表指示数值愈大时，表明被测对象的实际压力愈小。,2. 不可逆过程是无法回复到初态的过程，这种说法是否正确？,答：不正确。 不可逆过程是指不论用任何方法都不能在外界不遗留任何变化的情况下使系统回复到初态，并不是不能回复到初态。,pv=pb-p,3.绝热刚性容器，中间用隔板分为两部分，左边盛有空气，右边为真空，抽掉隔板，空气将充满整个容器。问：空气的热力学能如何变化？空气是否作出了功？能否在坐标图上表示此过程？为什