工程热力学第3讲-第2章-1热力学第一定律

1、过程装备与控制工程专业第三讲山东大学机械工程学院过程装备与控制工程研究所本讲内容CH2-1 热力学第一定律1 热力学第一定律本质表述表达式2 能量的传递形式做功传热储存能变化3 能量方程闭口系统能量方程开口系统能量方程稳定流动能量方程CH2-2 热力学第二定律1 热力学第二定律2 卡诺循环、循环热效率和卡诺定理3 克劳修斯不等式4 熵和熵方程5 孤立系统熵增原理学习要求CH2-1 热力学第一定律掌握热力学第一定律掌握三种能量传递形式 (做功 / 传热 / 储存能变化)掌握三种功 (容积功、推进功、技术功、轴功轴功)掌握三个能量方程 (闭口系统、开口系统、稳定流动)2.1 热力学第一定律基础：理

2、论：迈耶 / 分子运动学说实验：焦耳-热功当量数学形式：亥姆霍兹焦耳的实验研究：焦耳是英国著名的实验物理学家，家境富裕。16岁在名家道尔顿处学习，使他对科学浓厚兴趣。当时电机刚出现，焦耳在1841年发表文章指出:“热量与导体电阻和电流平方成正比。”这就是著名的焦耳楞次定律。探求热和得到的或失去的机械功之间是否存在一个恒定的比值，又成了焦耳感兴趣的问题。1845年，焦耳为测定机械功和热之间的转换关系，设计了“热功当量实验仪”，并反复改进，反复实验。1849年发表论热功当量。1878年发表热功当量的新测定，最后得到的数值为423.85公斤米/千卡。焦耳测热功当量用了三十多年，实验了400多次，付出

3、大量的辛勤劳动。热功当量测定原理：水温升高可测得热量， 重物下降可测得功数值：1 cal = 4.1868 J2.1 热力学第一定律热力学第一定律表述：热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。第一类永动机是不可能制成的。本质：能量守恒与转换定律在热现象上的应用。文字表达式：进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统内部储存能量的增量能量的传递形式：1）作功与过程有关，通过边界2）传热与过程有关，通过边界3）随物质进入或离开系统而带入或带出其本身所具有的能量。 与状态有关2.2 能量的传递形式功W： 功的定义： 力 力方向上的位移 热力学

4、上功的定义I：当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为举起重物，此即为热力系对外作功。 热力学上功的定义II：功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。 功的单位： J KJ 功的热力学符号约定：系统对外界作功取为正，外界对系统作功取为负。比功w： 定义：单位质量的物质所作的功。 单位：J/kg功率N： 定义：单位时间内完成的功。 单位：W 1 马力 =735 瓦2.2 能量的传递形式功W： 功的性质：过程量除与过程的初终状态有关外，还与过程本身有关。 微元过程功W：表示一个无限小的功量，而不是功的无限小增量。 功的一般表达式：W = F d

5、x 功的分类： 容积功：气体膨胀或者气体受压缩时外界对气体所作的功。准静态容积功：w = pdv 只与系统内部参数有关不平衡过程容积功：w = Rdx 与边界、外界有关 非容积功：与容积变化无关的功。如拉伸功w拉伸= - dl ，表面张力功w表面张力= - dA，电功等等。1221WWWW2.2 能量的传递形式功W： 示功图示功图 (p-V)：pp外外21mkg工质：工质： W =pdV21WpdV1kg工质：工质： w =pdv21wpdvpV. .12. .W2.2 能量的传递形式热量Q：定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度温

6、度的的推动下，以推动下，以微观无序运动方式微观无序运动方式传递的能量。传递的能量。热量的单位：热量的单位：J KJJ KJ热量的热力学符号约定：热量的热力学符号约定：系统吸热为正，系统放热为负系统吸热为正，系统放热为负。热量的性质：热量的性质：过程量过程量除除与过程的初终状态有关与过程的初终状态有关外，还外，还与过与过程本身有关程本身有关。热量与容积变化功的比较：能量传递方式 容积变化功 传热量性质 过程量 过程量推动力 压力 p 温度 T标志 dV , dv dS , ds公式 w = pdv q = Tds条件 准静态或可逆 可逆2.2 能量的传递形式热量如何表达“熵”（ Entropy

7、）的引入：克劳修斯最早定义：刘仙洲教授命名为“熵”ds: 可逆过程 qrev除以传热时的T 所得的商熵的说明：符号规定系统吸热时为正 Q 0 dS 0系统放热时为负 Q 0 dS 0sqhw 2.6 热力学分析中的简化 压缩机械（ Compressor ） ：压缩机等 原理：输入的轴功变为焓升 特点：1) 体积不大2）流量大3）保温层 q 0 计算： ws = -h = h1 - h20sqhw 2.6 热力学分析中的简化 换热设备(Heat Exchangers) ：锅炉、凝汽器、热交换器等 特点：1)没有作功部件2)热流体放热3)冷流体吸热 计算：sqhw s0w 210qhhh 210q

8、hhh 热流体热流体冷流体冷流体h1h2h1h22.6 热力学分析中的简化 绝热节流：阀门等 特点：1)没有作功部件2)绝热 绝热节流过程前后h不变， 但h不是处处相等计算：sqhw s0w h1h20q 0h12hh2.6 热力学分析中的简化 喷管和扩压管：蒸汽轮机静叶、压气机静叶等 喷管目的：压力降低，速度提高 扩压管目的：速度降低，压力升高 特点： 动能参与转换，不能忽略；动能与焓变相互转换计算：s0w 0q 0gzs22/wzgchq212ch h1h2h2h1练习与讨论 单选题： 1 如图，将水溶液置于绝热箱中，插入两个铜电极，以蓄电池为电源进行电解，可以看作封闭体系的是：(A)绝热

9、箱中所有物质 ；(B) 两个铜电极 ；(C)蓄电池和铜电极 ；(D) 水溶液 。 2热力学第一定律适用于什么途径：(A) 同一过程的任何途径 ；(B) 同一过程的可逆途径 ；(C) 同一过程的不可逆途径 ；(D) 不同过程的任何途径 。练习与讨论 计算题： 1为了确定高压下稠密气体的性质，取2kg气体在250bar下从350K定压缓慢加热到370K，气体初、终态的容积分别为0.030m3和0.034m3，加入气体的热量为700KJ，求初、终态下的气体内能的差值。练习与讨论 计算题： 2用压缩空气管道向储气罐充气，管道内空气的压力和温度恒定不变，且储气壁是绝热的，试推导充气过程的能量方程。练习与

10、讨论 计算题： 3空气在某压气机中被压缩，压缩前空气的参数为p1=0.1MPa，v1=0.845m3/kg；压缩后为p2=0.8MPa，v2=0.175m3/kg，若在压缩过程中每千克空气的内能增加146.5kJ，同时向外界放出热量50kJ；压气机每分钟生产压缩空气10kg。试求： (1) 压缩过程中对1kg空气所作的压缩功； (2) 每产生1kg压缩空气所需的轴功； (3) 带动此压气机所需功率至少要多少千瓦？练习与讨论 计算题： 4某电厂一台国产50000kW汽轮机发电机组，锅炉蒸汽量为220t/h，汽轮机进口处压力表上的读数为10.0MPa，温度为540。汽轮机出口处真空表的读数为715

11、.8mmHg。当时当地的大气压为760mmHg，汽轮机进、出口的蒸汽焓各为3483.4kJ/kg和2386.5kJ/kg。试求：(1) 汽轮机发出的轴功率为多少千瓦？(2) 若考虑到汽轮机进口处蒸汽速度为70m/s，出口处速度为140m/s，则对汽轮机功率的计算有多大影响？(3) 如已知凝汽器出口的凝结水的焓为146.54kJ/kg，而1kg冷却水带走41.87kJ的热量，则每小时需多少吨冷却水？是蒸汽量的几倍？练习与讨论 计算题： 5图示气缸内充以空气。气缸截面积为100cm2，活塞距底面高度为10cm，活塞及其上负载的总质量为195kg，当地大气压为771mmHg，环境温度t0=27，气缸内气体恰与外界处于热力平衡。倘使把活塞上的负载取去10