第二章热力学第一定律

1、第二章第二章热力学第一定律热力学第一定律The First Law of Thermodynamics2-1 热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质2-2 系统总能系统总能和热力学能和热力学能2-3 闭口系能量方程闭口系能量方程2-4 开口系能量方程开口系能量方程2-5 稳定流动能量方程稳定流动能量方程 2-6 稳定流动能量方程应用举例稳定流动能量方程应用举例本章主要内容本章主要内容2-1 热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质1.能量转换守恒定律能量转换守恒定律自然界中一切物质都具有能量，能量既不可能被自然界中一切物质都具有能量，能量既不可能被创造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变创

2、造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变为另一种形式，在转换中能量的为另一种形式，在转换中能量的总量恒定不变总量恒定不变。2.热力学第一定律的表述热力学第一定律的表述实质：能量守恒与转换定律在研究与热能相关的实质：能量守恒与转换定律在研究与热能相关的能量传递与转换中的应用能量传递与转换中的应用=进入进入系统的系统的能量能量离开离开系统的系统的能量能量系统系统内部储存内部储存能量能量的的变化变化-3.热一律意义热一律意义确定了确定了能量传递与转换的数量关系能量传递与转换的数量关系，肯定了热能，肯定了热能与其它能量之间所存在的共同性质，即热也是一与其它能量之间所存在的共同性质，即热也是一种能量，也

3、是一种物质运动的形式。种能量，也是一种物质运动的形式。 1909年，年，C. Caratheodory最后完善热一律最后完善热一律 1842年，年，J.R. Mayer阐述热一律，但没有阐述热一律，但没有 引起重视引起重视 1840-1849年，年，Joule用多种实验的一致性用多种实验的一致性 证明热一律，于证明热一律，于1850年发表并得到公认年发表并得到公认2-2 热力学能和总能热力学能和总能热力学能（内部储存能）热力学能（内部储存能）1.定义定义系统内部微观粒子热运动具有的能量的总和系统内部微观粒子热运动具有的能量的总和2.构成构成Uk内动能内动能Up内位能内位能 化学能化学能 原子能

4、原子能 热力热力学能学能 移动移动 translation转动转动 rotation振动振动 vibrationU=Uk+Up热力学能的说明热力学能的说明 热力学能是热力学能是状态量状态量 仅取决于初、终状态仅取决于初、终状态, 而与路无关而与路无关 U : : 广延参数广延参数 kJ u : : 比参数比参数 kJ/kg U = Uk + Up = f1(T) + f2(V) = f(T, V) 0dU系统总能：系统总能：外部储存能外部储存能和和内部储存能内部储存能宏观动能宏观动能 Ek= mc2/2宏观位能宏观位能 Ep= mgz机械能机械能系统总能系统总能外部储存能外部储存能内部储存能热

5、力学能内部储存能热力学能U宏观动能宏观动能宏观位能宏观位能内动能内动能内位能内位能E = U + Ek + Epe = u + ek + ep一般与系统同坐标，常用一般与系统同坐标，常用U, dU, u, du宏观动能与内动能宏观动能与内动能的区别的区别E = U + mc2/2 + mgze = u+ c2/2 +gz能量的转换和传递能量的转换和传递在温差推动下，系统与外在温差推动下，系统与外界借助于微观的无序运动界借助于微观的无序运动传递的能量传递的能量在压力推动下，系统与外在压力推动下，系统与外界借助于宏观的有序运动界借助于宏观的有序运动传递的能量传递的能量温差温差力差力差微观无序微观无

6、序宏观有序宏观有序能量形态不变能量形态不变能量形态发生变化能量形态发生变化过程量过程量过程量过程量放热放热-，吸热，吸热+对外做功对外做功+，耗功，耗功-热量热量各种功各种功mcdTQmTdsQre1.容积变化功容积变化功W2.轴功轴功WS:通过叶轮机通过叶轮机 械的轴输出与输入的功。械的轴输出与输入的功。3.流动功流动功Wf :维持流动维持流动所需的功。所需的功。CVFvpm0011流动功和推动功流动功和推动功推动功：推动功：dx111010vppAdxFdxw系统引进或排除工质传递的能量系统引进或排除工质传递的能量CVFvpm11流动功和推动功流动功和推动功流动功：流动功：维持系统流动所需

7、要的功维持系统流动所需要的功)(1122pvvpvpw22对推动功的说明对推动功的说明1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，流动功不存在有关，流动停止，流动功不存在2 2、作用过程中，工质仅发生作用过程中，工质仅发生位置位置变化，无状态变化变化，无状态变化3 3、w推推pv与所处状态有关，是与所处状态有关，是状态量状态量4 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，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，流动工质所而由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量携带的能量可理解为：可理解为：由于工质的进出，外界与系统之由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一

8、种间所传递的一种机械功机械功，表现为流动工质进，表现为流动工质进出系统使所出系统使所携带携带和所和所传递传递的一种的一种能量能量2-3 闭口系能量方程闭口系能量方程方程的推导方程的推导 W Q取工质为系统取工质为系统闭口系闭口系=进入进入系统的系统的能量能量离开离开系统的系统的能量能量系统系统内部储存内部储存能量能量的的变化变化-工质的宏观动能和位能的变化可忽略不计工质的宏观动能和位能的变化可忽略不计初态：热力学能初态：热力学能U1 终态：热力学能终态：热力学能U2 Q = dU + W Q = U + W Q - W= dU=U2-U1式中各项均为代数值，适用于闭口系统各种式中各项均为代数值

9、，适用于闭口系统各种能能量交换量交换过程。过程。对于对于任意过程任意过程(可逆过程或不可逆过程可逆过程或不可逆过程)、任意任意工质工质都适用都适用注意注意闭口系统能量方程常用形式闭口系统能量方程常用形式单位质量工质单位质量工质q = u + w q = du+ w可可 逆逆 过过 程程 q = du+ pdvq = u + 1 pdv2闭口系循环的热一律表达式闭口系循环的热一律表达式要想得到要想得到功功，必须化费，必须化费热能热能或或其它能量其它能量热一律热一律又可表述为又可表述为“第一类永动机是不第一类永动机是不可能制成的可能制成的”WQWdUQ门窗紧闭房间用电冰箱降温门窗紧闭房间用电冰箱降

10、温以房间为以房间为系统系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程QU W0Q0UW0W T电电冰冰箱箱RefrigeratorIcebox门窗紧闭房间用空调降温门窗紧闭房间用空调降温以房间为以房间为系统系统 闭口系闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程QU W0QUQ W0W T空空调调 QQWAir-conditioner 2-4 开口系能量方程开口系能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc能量守恒原则能量守恒原则进入进入系统的系统的能量能量 - -离开离开系统的系统的能量能量 = =系统系统储存能量储存能量的的变化变化开口系

11、能量方程的推导开口系能量方程的推导 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout212inc212outc Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dUcv minpvout开口系能量方程微分式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 = dUcv工程上常用工程上常用流率流率0limQQ0limmm0limWW2cvout2innetind/ 2/ 2outQEupvcgzmupvcgzmWU当有

12、多条进出口：当有多条进出口：流动时，总一起存在流动时，总一起存在netcv2outout2inind/ 2/ 2QEWupvcgzmupvcgzmU焓焓Enthalpy的引入的引入定义：定义：焓焓 h = u + pv开口系能量方程开口系能量方程netcv2outout2inind/ 2/ 2QEWupvcgzmupvcgzmUhh焓焓Enthalpy的的 说明说明 定义：定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 1、焓焓是状态量是状态量 state property3、H为广延参数为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh h为比参数为比参数4、对流动工质，

13、对流动工质，焓焓代表能量代表能量(热力学能热力学能+推动功推动功) 对静止工质，对静止工质，焓焓不代表不代表能量能量2 2、物理意义：开口系中随工质物理意义：开口系中随工质流动而携带流动而携带的、取决的、取决 于热力状态的于热力状态的能量能量。 焓并不能看作是工质储存的能量，而是随工质流动跨焓并不能看作是工质储存的能量，而是随工质流动跨越边界而转移的能量。热力学能则是工质内部储存能量的越边界而转移的能量。热力学能则是工质内部储存能量的唯一形式。唯一形式。2-5 稳定流动能量方程稳定流动能量方程稳定流动定义：稳定流动定义：是指系统（内部及边界）是指系统（内部及边界）各点工质的所有热力参数及运动参

14、数都不随各点工质的所有热力参数及运动参数都不随时间而变化的流动。时间而变化的流动。任一截面参数不随时间变化任一截面参数不随时间变化条件条件任一截面的质量流量均相同任一截面的质量流量均相同与外界交换的功和热量不随时间与外界交换的功和热量不随时间min轴功轴功WsQmoutuinuoutgzingzout212inc212outcininoutoutnetCVmgzchmgzchWddUQ)2()2(22outinmmmQConstnetsWConstW0/ddUCVu稳定流动条件稳定流动条件u开口系统能量方程开口系统能量方程22soutin22ccQmhgzhgzWQm qssWm w1kg工质

15、工质22soutin22ccqhgzhgzw2s12qhcgzw 稳定流动能量方程稳定流动能量方程2s12qhcgzw 适用条件：适用条件：任何流动工质任何流动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程技术功技术功W Wt t 动能差动能差工程技术上可以直接利用工程技术上可以直接利用轴功轴功机械能机械能212sQmhmcmgzW212sqhcgzw 势能差势能差tWtwtQHW tqhw 单位质量工质的开口与闭口单位质量工质的开口与闭口wsq稳流开口系稳流开口系tqhw quw 闭口系闭口系(1kg)容积变化功容积变化功等价等价技术功技术功稳流开口与闭口的能量方程稳流开口与闭口的能量方程tqhw 容

16、积变化功容积变化功w技术功技术功wtquw 闭口闭口稳流开口稳流开口等价等价轴功轴功ws流动功流动功 (pv)几种功的关系？几种功的关系？几种功的关系几种功的关系2t12swcgzw t()tqhwupvw quw ()twpvwwwt(pv) c2/2wsgz做功的根源做功的根源ws对功的小结对功的小结2、开口系，系统与外界交换的功为开口系，系统与外界交换的功为轴功轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统与外界交换的功为闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功容积变化功wws wt准平衡下的技术功准平衡下的技术功()tpdvd pvw()twpvw(

17、)twd pvw准平衡准平衡()()twpdvd pvpdvpdvvdpvdptwvdp准平衡准平衡qdupdvqdh vdp热一律解析式之一热一律解析式之一热一律解析式之二热一律解析式之二twvdp技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示1 12 2ddv pp vpvp vt1 12 2wwpvp vt()wwpv12 1ba12341 140 1a230 2b第一定律的表达式：第一定律的表达式：基本形式基本形式swinzoutzgincoutcinhouthq2221)(21221vdphwhswzgchqtre微元形式微元形式vdpdhwdhqtre流率形式流率形式tmmWHsWz

18、gqcqHQ221例例1：透平：透平(Turbine)机械机械火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 燃气机燃气机蒸汽轮机蒸汽轮机Steam turbinemq 2-6 稳定流动能量方程应用举例稳定流动能量方程应用举例透平透平(Turbine)机械机械u与外界存在功量交换。有散热，与外界存在功量交换。有散热，q为负，相对于为负，相对于功量功量散热量散热量0。宏观动能和位能的变化可忽略：。宏观动能和位能的变化可忽略：s22/wzgchqws = -h= h1 - h20输入的轴功转变为焓升输入的轴功转变为焓升000例例2：压缩机械：压缩机械 Compre

19、ssor火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机压气机水泵水泵制冷制冷空调空调压缩机压缩机压缩机械压缩机械ws = -h = h1 - h20换热器换热器1kg蒸汽的放热量：蒸汽的放热量：q=h2-h10例例4：绝热节流：绝热节流Throttling Valves管道阀门管道阀门制冷制冷空调空调膨胀阀膨胀阀h1h2绝热节流绝热节流h1h20h12hhu冷工质流经阀门时，流动截面突然收缩，由于存冷工质流经阀门时，流动截面突然收缩，由于存在流动阻力会造成流体压力降低的现象。在流动阻力会造成流体压力降低的现象。u节流是不可逆过程。离阀门不远的两个截面的

20、流节流是不可逆过程。离阀门不远的两个截面的流动可用稳定流动的能量方程式。流动可以看作是动可用稳定流动的能量方程式。流动可以看作是绝热的绝热的q=0，不对外做工，不对外做工WS=0，忽略动、位能，忽略动、位能的变化的变化s22/wzgchq例例5：喷管和扩压管：喷管和扩压管火力发电火力发电蒸汽轮机静叶蒸汽轮机静叶核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机静叶压气机静叶喷管和扩压管喷管和扩压管喷管目的：喷管目的： 压力降低，速度提高压力降低，速度提高扩压管目的：扩压管目的：动能与焓变相互转换动能与焓变相互转换速度降低，压力升高速度降低，压力升高动能参与转换，不能忽略动

21、能参与转换，不能忽略s0w 0q s22/wzgchq0gz212ch 充气问题充气问题解：解：取取A为为CV容器刚性绝热容器刚性绝热忽略动能差及位能差，则忽略动能差及位能差，则 若容器若容器A为刚性绝热为刚性绝热,初态初态为真空，打开阀门充气，为真空，打开阀门充气，使压力使压力p2 = 4MPa时截止。时截止。若空气若空气u = 0.72T 求容器求容器A内内达平衡后温度达平衡后温度T2及充入气体及充入气体量量m。非稳定开口系非稳定开口系0Q 0W out0m22CVfoutfinoutin11d22QEhcgzmhcgzmWdUCV由由53g40 10 Pa 1 m32.87 kg287

22、J/(kg K)423.99 KpVmR T或或 流入：流入：hinmin 流出：流出： 0热力学能增：热力学能增：u min0huminhuiiddh mmuii221122hmm umum ui2hui2mm2305.3 K423.99 K150.84C0.72T 故故0inminCVhdUiidmhmud)(讨论：讨论：1）非稳态流动问题可用一般能量方程式也可用基）非稳态流动问题可用一般能量方程式也可用基本原则。在一些条件下，后者常更方便。本原则。在一些条件下，后者常更方便。 2）能量方程中若流体流出、入系统，物质能量用）能量方程中若流体流出、入系统，物质能量用h，若不流动用若不流动用u

23、。3）是是推动功推动功转换成转换成热力学能热力学能即使向真空系统输送，即使向真空系统输送，也需要推动功！也需要推动功！例题：例题：某燃气轮机装置如图所示，空气首先进入压气机，压缩到一某燃气轮机装置如图所示，空气首先进入压气机，压缩到一定的压力后进入燃烧室，这是燃油喷入和空气混合燃烧产生高温高定的压力后进入燃烧室，这是燃油喷入和空气混合燃烧产生高温高压燃气，然后进入喷管绝热膨胀，压燃气，然后进入喷管绝热膨胀，p上升上升v下降，告诉气流再冲击叶下降，告诉气流再冲击叶片，带动叶轮旋转做功，做功后的乏汽排入大气。片，带动叶轮旋转做功，做功后的乏汽排入大气。燃烧室燃烧室喷管喷管叶叶轮轮压压气气机机燃烧室

24、燃烧室喷管喷管叶叶轮轮压压气气机机已知：已知：h1=290kJ/kg，cf1=0； h2=580kJ/kg，cf2=20m/s； cf3=0 q=670kJ/kgh1=290kJ/kgcf1=0h2=580kJ/kgcf2=20m/s12345 cf3=0h4=800kJ/kg；h4=h5，cf5=100m/s；h4=800kJ/kgh4=h5cf5=100m/s求：求：（1）cf4=？ （2）压气机所耗的功）压气机所耗的功ws，C 燃气轮机所耗的功燃气轮机所耗的功ws，T（3）若空气流量）若空气流量qm=100kg/s, 求装置的总功率求装置的总功率燃烧室燃烧室喷管喷管叶叶轮轮压压气气机机解：解：（1）求）求cf4可以取各种系统可以取各种系统方法方法1:取取3-4段段swzzgfcfchhq34232421)34(000取取2-3段段swzzgfcfchhq23222321)23(？00h3燃烧室燃烧室喷管喷管叶叶轮轮压压气气机机解：解：（1）求）求cf4可以取各种系统可以取各种系统方法方法2:取取2-4段段swzzgfcfc