热工学课件第二章

1、复复 习习 1.可以作为气体状态参数的量是? A内能 B功 C热量 D表压力 答案A,功是过程参数，热量是热传递的多少也是过程参 数，表压力是实际压力减去当地实际大气压力，明显和 当地实际情况有关。 2.如果工质的所有状态参数都不随时间的变化而变化， 则工质处于平衡状态。对还是错？ 答案：错 3.由同一状态出发，经过两个不同的过程，它们的终了 状态不可能相同，对还是错？ 答案：错 (The first law of (The first law of thermodynamics)thermodynamics) 2-1. 热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式 2-2.

2、热力系的能量热力系的能量 2-4.热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 内容提要内容提要 2-3. 热力学第一定律解析式（热力学第一定律解析式（ 闭口系）闭口系） 2-5. 功和热量的计算及其在功和热量的计算及其在P-v and T-s图上的表示图上的表示 2-6. 热力学第一定律工程应用热力学第一定律工程应用 1. 能量守衡定律（中文）: 2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式 19世纪30-40年代，许多科学家前赴后继，迈尔焦耳（德 国医生）最后发现和确定了能量转换与守恒定律。这个定 律指出：一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能

3、消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。 而在转换中，能量的总量恒定不变。 恩格斯称其为19世纪自然科学的三大发现之一。 1. 能量守衡定律（英文）: v(1)Energy can be neither created nor destroyed, it can only change forms. v(2)In the nature, every substance has energy, which has different change forms. It can change from one form to another, but during the change

4、, the total energy is unchangeable. 2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式 2.热力学第一定律的表述（中文）: 2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式 （1）当热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保 持守恒。 （2）工程热力学主要研究热能与机械能的相互转换,因而 热力学第一定律也可以表示为: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。 2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式 能量：是物质运动的量度，它表明物

5、质运动的形式和能量：是物质运动的量度，它表明物质运动的形式和 运动的激烈程度。运动的激烈程度。 热能：是组成物质的大量分子、原子做杂乱而不规则热能：是组成物质的大量分子、原子做杂乱而不规则 运动所具有的能量，也称为无序能。运动所具有的能量，也称为无序能。 机械能：是物质整体做规则运动所具有的能量，也称为机械能：是物质整体做规则运动所具有的能量，也称为 有序能。有序能。 2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式 （3）热力学第一定律的建立是在资本主义发展初期， 那时，有人曾提出各式各样不消耗能量而获得动力的 装置，称为第一类“永动机”，但均失败了。因为它 违反了热力学第

6、一定律，故针对热力学第一定律另一 形象的说法是：第一类永动机是不可能制造成功的。 2.热力学第一定律的表述（英文）: v(1)Neither heat nor work can be destroyed, they can only change from one to another. v(2)The 1st kind of the perpetual machine can not be made-up. (It does not need environment to provide energy, but can export work perpetually.) 2-1热力学第一定律

7、的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式 3.热力学第一定律的实质： 2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式 能量转换与守恒定律在热力学中的应用。 一马铃薯放于微波炉内，如果忽略马铃薯的水份 挥发，微波炉的供热量Q为5kJ,则马铃薯的能量增加 5kJ。即马铃薯增加的能量等于微波炉的加热量。 Potato Q=5kJ E=5kJ v 例 1: (1)E=Q Oven 2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式 water 对压力锅内的水进行加热，如果加热量为15kJ，有3kJ 的热量变成水蒸汽挥发了，则水得到的能量为15-3=12kJ。

8、即水的能量增加量等于进入系统的热量减去离开系统的热 量。 E=12kJ Qout=3kJ Qin=15kJ v例 2: (2)E=Qin-Qout 2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式 用一个风机对绝热良好的房间做功，则房间内空 气增加的能量将等于风机所做的功。 v Example 3: W=8kJ (adiabatic) E=8kJ (3)E=W 2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式 v Example 4: W=8kJ (adiabatic) E=(15-3)+8=20kJ (4)E=(Qin-Qout)+W Qout=3kJ Q

9、in=15kJ 2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式 1.内能(U): 内能是指组成热力系的大量微观粒子本身具有的能量. 包括: 分子的动能 (移动, 旋转, 摆动和静电力) 势能 Potential energy 化学能 Chemical energy 核能 Nuclear energy 2-2热力系的能量热力系的能量 2.热力系的总能量(E) 包括: 系统的宏观能量 (系统的动能 Ek 和系统势能 Ep) 系统的微观能量(内能 U) E = U + Ek + Ep Ek=mc2/2 Ep=mgz 2-2热力系的能量热力系的能量 一般来说，热力学不关心系统的总能

10、量是 多少，它关心的是系统总能量的变化量。即工 程实际问题. 单位质量: e=ek+ep+u E=Ek+Ep+U 2-2热力系的能量热力系的能量 在很多的闭口系统中，系统是静止的，它 们的动能和势能没有发生改变。则： 单位质量: e=u E=U 2-2热力系的能量热力系的能量 3.热力系的能量平衡关系 ( 进入系统的能量) (离开系统的能量) = (系统储存能量的变化) EinEout=Esys 反映了一切热力过程的共性，在具体热力过程 中，参与转换的能量形式不同，能量方程的形 式也不一致，体现了热力过程的个性。 2-2热力系的能量热力系的能量 内因和外因 共性和个性 2-2热力系的能量热力系

11、的能量 分析热力过程个性的方法： 2-2热力系的能量热力系的能量 1.根据研究目的确定热力系； 2.根据热力过程的特点，确定通过边界参与热力 工程的各种能量形式； 3.按能量转换和守衡原则建立能量方程并求解。 热力学第一定律： 能的变化 系统储存 的能量 离开系统 的能量 进入系统 的质量 系统增加 的质量 离开系统 的质量 进入系统 质量守恒定律： 变出进 AAA 性质A定律： 2-2热力系的能量热力系的能量 Ein-Eout=Esys W Q Ein=Q Eout=W Q=Esys+W 这个方程就是热力学第一定律的解析式. 2-3热力学第一定律的解析式热力学第一定律的解析式 静止系统:Q=

12、U+W 单位质量:q=e+w 微分形式: 一般式:Q=E+W 2-3热力学第一定律的解析式热力学第一定律的解析式 wduq 可逆过程积分形式: 2 1 pdvuq Fluid 一刚性容器中装有热流体，用一搅拌器对其搅拌冷却， 流体的初始内能为 800kJ. 冷却过程中, 流体散失 500kJ 的热量,搅拌器对其作功为100kJ. 则流体最终的 内能为多少？ v 例 5: 容器中冷却热流体 W=100kJ U1=800kJ U2=? 分析: 以流体为系统，则为静止的闭口系 Qout=500kJ Q=U+W -500kJ=U2-800kJ-100kJ U2=400kJ 2-3热力学第一定律的解析式

13、热力学第一定律的解析式 复复 习习 1.一个装有2kg工质的闭口系经历了如下过程：过程中系统 散热25kJ，外界对系统做功100kJ，比热学能减少15kJ/kg, 并且整个系统被举高1000m，试确定过程中系统动能的变化。 答案：85kJ 1.什么是开口系？开口系的分类？ 2.开口系的能量类型有那些？ 3.开口系的能量守衡方程 p稳定开口系能量方程 p一般开口系能量方程 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 1.什么是开口系？开口系的分类？ 开口系是指系统和环境通过边界有质量的交 换。开口系按照系统内工质状态参数随时间的 变化特性，可以分为： p稳定开口系 p一

14、般开口系 开口系的研究方法：控制/固定容积法 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 v进、出口截面的参数不随时间而变； v系统与外界交换的热量和功量不随时间而变； v工质的质量流量不随时间而变，且进出口处的质量流 量相等。 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 p 稳定开口 系 开口系内任意一点的工质，其状态参数不随时间变化的流 动过程称为稳定流动，此系统称为稳定开口系。 可概括为：系统与外界进行物质和能量交换不随时间变化。 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 p 一般开口 系 一般开口系是指控制

15、体积可膨胀的、空间各点参数随时 间而变的非稳定流动系统，是最普遍的热力系。 闭口系和稳定流动系是它的特殊情况，工程上的充气、 抽气、容器泄漏以及热机启动和停机阶段，都是一般开 口系。 2.开口系的能量类型有那些？ p储存能：外部储存能(动能和势能)、内能 p迁移能：功，热 功的类型很多，与本课程关系密切的功有： p体积变化功(膨胀功) p轴功 p推动功和流动功 p技术功 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 p体积变化功(膨胀功)W 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 系统体积变化（膨胀或压缩）所做的功称为体积变化功。 由于热能

16、与机械能的可逆转换总是和工质的膨胀和压缩联 系在一起的，所以 体积变化功是热变功的源泉，而体积变化功和其它能量形 式间的关系，则属于机械能的转换。 V p 1 2 dv dx 2 1 2 1 2 1 21 pdVpsdxFdxW FdxdW 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 p推动功和流动功Wf 开口系因工质流动而传递的功称为推动功。相当于一假想 的活塞为把前方的工质推进或推出系统所作的功pV，此量 随工质进入或离开系统而成为带入或带出系统的能量。 工质在流动时，总是从后面获得推动功，而对前面作出推 动功，进出质量的推动功之差称为流动功。 2-4 热力学第一

17、定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 p V Wf = psf = pV wf = pv V 流动功是由外界对流体所做的功，然后转化为流动工质所携带的能 量，因而静止的流体不存在流动功，此时PV仅是P和V的乘积，不表示Wf. 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 p轴功Ws 系统通过轴与外界交换的功量称为轴功。 rnFW2 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 p技术功Wt 技术上可以利用的功称为技术功，它是稳定流动系统动 能、势能的变化量和轴功三项之和。 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开

18、口热力系 sft WzmgcmW 2 2 1 如果过程可逆，则技术功: pVWt 2 1 d 1 2 p v pdv vdp 在稳定流动中，工质所做的膨胀功是总源泉，一部分用于维持工 质流动所需的流动功，一部分用于工质的宏观动能和重力位能，其余 部分作为热力设备输出的轴功。 ft WWW 系统可逆时 pVpVVp VpVpVpW t 2 1 2 1 2 1 112 2 1 2 d)(dd )(d 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 流动功:Wf=p2V2-p1V1 轴功: 技术功:W=-Vdp 体积变化功 :W=pdV rFnWs2 2-4 热力学第一定律应用

19、于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 注意掌握可逆过程中容积变化功、流 动功、技术功的区别和联系。 3. 开口系能量方程 p稳定开口系能量方程 p一般开口系能量方程 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 p稳定开口系能量方程 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 （1）焓 对于流动的流体，具有下面能量： +mcf2/2+mgzU+pV H =U+pV单位:J,kJ 单位质量:h=u+pv单位:J/kg,kJ/kg 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力

20、学第一定律应用于开口热力系 焓是状态参数，是在研究流动能量方程 中，为工程应用方便而引出的。同内能一样， 无法测定焓的绝对值，热工计算中关心的是 两个状态间焓的变化量。 （2）能量方程 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 U1+p1V1H1, mcf12/2, mgz1 U2+p2V2H2, mcf22/2, mgz2 Q W 1 2 111 2 1 mgzcmHQE fin 2 2 222 2 1 mgzcmHWE fsout 0 system E 0) 2 1 () 2 1 ( 2 2 221 2 11 mgzmcHWmgzmcHQ fsf H1, mcf

21、12/2, mgz1 H2, mcf22/2, mgz2 Q W sf WzmgcmHQ 2 2 1 sft WzmgcmW 2 2 1 t WHQ 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 0) 2 1 () 2 1 ( 2 2 221 2 11 gzchwgzchq fsf 单位质量: sf wzgchq 2 2 1 t whq 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 vdphq 如果忽略动能和势能的变化: st whwhq 如果这个过程再是可逆的: 这个方程是热力学第一定律的另外一种表述形式。 2-4 热力学第一定律应用于开口热力

22、系热力学第一定律应用于开口热力系 例:空气在某压气机中被压缩。压缩前空气的参数是p1 =0.1MPa,v1 =0.845m3/kg;压缩后的参数是p2 =0.8MPa,v2 =0.175m3/kg。假定在压 缩的过程中，1kg空气的热力学能增加146kJ,同时向外放出热50kJ。 求：（1）压缩过程中对每公斤气体所作的功； （2）每生产1kg的压缩气体所需的功； 1 1 2 2 压气机进、排气 进气压气排气 压气机的三个过程： 压气机压气 稳定流动过程举例 答案（1）-196kJ/kg,(2)-251.5kJ/kg 注意:容积功和技术功的区别! 3. 开口系能量方程 p稳定开口系能量方程 p一

23、般开口系能量方程 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 W Inlet flows (mi) Out flows (mj) Q 1 2 i Open system 1 2 j d Ed zgchmWzgchmQ sys j fjj n i j sifi n i i i . . 2 . 2 . ) 2 1 () 2 1 ( Esys 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 p一般开口系能量方程 Closedandstationarysystem:Q=U+W Steadyflowsystem:Q=H+Wt Generalopensyst

24、em: Closedsystem:Q=E+W d Ed zgchmWzgchmQ sys j fjj n i j sifi n i i i . . 2 . 2 . ) 2 1 () 2 1 ( EinEout=Esys 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 闭口系和开口系的比较 Qin Qout Win Wout Closedsystem 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 Qin Qout Win Wout opensystem Ein Eout 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 1.p-v

25、图 1 2 p v pdv vdp W Wt 1 2 p v (1)过程 2-5 功和热量在功和热量在P-v and T-s图上的表示图上的表示 1.p-v图 (2)循环 v p W0 a b 2-5 功和热量在功和热量在P-v and T-s图上的表示图上的表示 2.熵S 熵是个状态参数。它的表达式为: T VdpdH T pdVdU T Q S r 熵可以认为是衡量分子无序程度的一个参数。 2-5 功和热量在功和热量在P-v and T-s图上的表示图上的表示 3.T-s图 T Q S r q 1 2 T s (1)过程 v(2)循环 T s Tdsq q0= w0 0du 2-5 功和热量在功和热量在P-v and T-s图上的表示图上的表示 2-5