2热力学第一定律

1、第二章热力学第一定律,The First Law of Thermodynamics,2-1 热力学第一定律的实质, 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,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,工质经历循环:,

2、封闭系统循环过程的热力学第一定律,热功当量,闭口系循环的热一律表达式,要想得到功，必须化费热能或其它能量,热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”,Perpetual motion machine of the first kind,Q,Perpetual motion machine of the first kind,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,Wnet,Qout,电加热器,2-2 热一律的推论热力学能,热力学能的导出,闭口系循环,热力学能的导出,对于循环1a2c1,对于循环1b2c1,状态参数,p,V,1,2,a,b,c,热力学能及闭口系热一律,定义 dU = Q -

3、 W 热力学能U 状态函数,Q = dU + W Q = 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,热力学能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）,热力学能的微观组成,分子动能 分子位能 binding forces 化学能 chemical energy 核能 nuclear energy,热力学能,移动 translation,转动 rotation,振动 vibration,系统总

4、能 total energy,外部储存能macroscopic forms of energy,宏观动能 kinetic Ek= mc2/2 宏观位能 potential Ep= mgz,机械能,系统总能,E = U + Ek + Ep,e = u + ek + ep,热力学能的说明, 热力学能是状态量 state property,U : 广延参数 kJ u : 比参数 kJ/kg, 热力学能总以变化量出现，热力学能零点人为定,热一律的文字表达式,热一律: 能量守恒与转换定律,2-3 闭口系能量方程, W, Q,一般式,Q = dU + W Q = U + W,q = du + w q =

5、u + w,单位工质,适用条件： 1）任何工质 2) 任何过程,Energy balance for closed system,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,简单可压缩系可逆过程, q = Tds,q = du + pdv,q = u + pdv,热一律解析式之一,Tds = du + pdv, Tds = u + pdv,热力学基本 微分方程式,门窗紧闭房间用电冰箱降温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程,T,电冰箱,Refrigerator Icebox,门窗紧闭房间用空调降温,以房间为系统,闭口系,闭口系能量方程,T,空调,Q,Air-con

6、ditioner, 2-4 开口系能量方程,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,Energy balance for open system,开口系能量方程的推导,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,少了推进功,推进功的表达式,推进功（流动功、推动功）,p,A,p,V,dl,W推 = p A dl = p

7、V w推= pv,注意： 不是 pdv v 没有变化,Flow work,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（泵与风机）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/

8、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 + pv kJ/kg H = U + pV kJ ,1、焓是状态量 state property,2、H为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh h为比参

9、数,3、对流动工质，焓代表能量(热力学能+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,1、,2、,3、,轴功Shaft work,4、,Energy balance for steady-flow systems,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,Energy balance for steady-flow system

10、s,技术功 Technical work,动能,工程技术上可以直接利用,轴功,机械能,位能,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,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,对功的小结,2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws,3、一般情况下忽略动、位能的变化,1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功w,wswt,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

11、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,Bernoullis equation, 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 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kg,z1 = 0 m z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg,1bar下, 0 oC水的 h1 = 84 kJ/kg 100 oC水蒸气的 h2 = 2676 kJ/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,燃气机

12、,蒸汽轮机,Steam turbine,透平(Turbine)机械,1) 体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,ws = -h = h1 - h20,输出的轴功是靠焓降转变的,例2：压缩机械 Compressor,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,q 0,ws = -h = h1 - h20,输入的轴功转变为焓升,例3：换热设备Heat Exchangers,火力发电：,锅炉、凝汽器,核电：,热交换器、凝汽器,制冷 空调,蒸发器、冷凝器,换热设备,热流体放热量：,没有作功部件,热流体,冷流体

13、,h1,h2,h1,h2,冷流体吸热量：,焓变,例4：绝热节流Throttling Valves,管道阀门,制冷 空调,膨胀阀、毛细管,绝热节流,绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等,h1,h2,没有作功部件,绝热,例5：喷管和扩压管,火力发电,蒸汽轮机静叶,核电,飞机发动机 轮船发动机 移动电站,压气机静叶,Nozzles and Diffusers,喷管和扩压管,喷管目的：,压力降低，速度提高,扩压管目的：,动能与焓变相互转换,速度降低，压力升高,动能参与转换，不能忽略,第二章 小结 Summary,1、本质：能量守恒与转换定律,第二章 小结,通用式,2、热一律表达式：,第二章 小结

14、,稳流：,dEcv / = 0,通用式,第二章 小结,闭口系：,通用式,第二章 小结,孤立系：,通用式,第二章 小结,3、热力学第一定律表达式和适用条件,任何工质，任何过程,任何工质，准静态过程,任何工质，任何稳流过程,第二章 小结,4、准静态下两个热力学微分关系式,适合于闭口系统和稳流开口系统,后续很多式子基于此两式,第二章 小结,5、u与 h,U, H 广延参数 u, h 比参数,U 系统本身具有的内部能量,H 不能看成系统本身具有的能量， 开口系中随工质流动而携带的，取 决于状态参数的能量,第二章 小结,6、四种功的关系,准静态下,闭口系过程,开口系过程,第二章 讨论课 Discussi

15、on,思考题,工质膨胀是否一定对外作功？,做功对象和做功部件,定容过程是否一定不作功？,开口系，技术功,定温过程是否一定不传热？,相变过程（冰融化，水汽化）,水轮机,第二章 讨论课,气体被压缩时一定消耗外功,热力学功指有用功,对外作功指有用功,第二章 讨论课,气体边膨胀边放热是可能的,对工质加热，其温度反而降低， 这种情况不可能,充气问题与取系统,储气罐原有气体m0,u0,输气管状态不变，h,经时间充气，关阀,储气罐中气体m,求：储气罐中气体热力学能u,忽略动、位能变化，且管路、储气罐、阀门均绝热,m0,u0,h,四种可取系统,1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）

16、取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,1)取储气罐为系统(开口系),忽略动位能变化,h,绝热,无作功部件,无离开气体,1)取储气罐为系统(开口系),经时间充气，积分概念,h,h是常数,四种可取系统 2）,1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,2）取最终罐中气体为系统(闭口系),h,m0,m-m0,绝热,m-m0,四种可取系统3),1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u

17、0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统(闭口系),m0,h,m-m0,m0与m-m0有温差传热Q1,m-m0对m0作功W1,?,?,m-m0,四种可取系统 4),1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统(闭口系),m0,h,m-m0,m0与m-m0有温差传热Q1,m0对m-m0作功W1,?,?,4）取储气罐原有气体为系统(闭口系),m0,h,m-m0,四种可取系统,1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为

18、系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,利用热一律的文字表达式,进 出 热力学能变化,h,热力学能变化：,取储气罐为系统(开口系),进：,出：,m0,u0,结果说明,1）取系统不同， 考虑的角度不同,开口系反映为质量携带焓,2）若m00，,m0,u0,h,闭口系反映作功,充气终温的计算,已知：理想气体,求：储气罐中气体终温,m0=0,h,t =15,影响终温T的因素,说明T与哪些因素有关？,m0,u0,p0,T0,h,p,T,m,u,p,T,已知：理想气体,T的表达式,m0,u0,p0,T0,h,p,T,m,u,p,T,T的表达式分析,m