工程热力学第三章热力学第一定律

1、 本章基本要求本章基本要求 深刻理解热量、储存深刻理解热量、储存能、功的概念，深刻能、功的概念，深刻理解内能、焓的物理理解内能、焓的物理意义意义 理解膨胀（压缩）功、理解膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动轴功、技术功、流动功的联系与区别功的联系与区别 本章重点本章重点 熟练应用热力学第一定律解决具体问题分子动能（移动、转动、振动）分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）分子位能（相互作用）核能核能 化学能化学能内能内能是状态量是状态量 U : 广延参数广延参数 kJ u : 比参数比参数 kJ/kg 内能内能总以变化量出现，总以变化量出现，内能内能零点人为定零点人为定说明：说明：注意：

2、注意：对理想气体对理想气体u=f (T)u=f (T) 注意：注意： 对理想气体对理想气体u=f (T) 因分子间不存在相互作用力因分子间不存在相互作用力.没有内位能没有内位能,故故其热力学能仅包括分子内动能其热力学能仅包括分子内动能系统工质与外力场外力场的相互作用相互作用 所具有的能量如：重力位能以外界外界为参考坐标参考坐标的系统宏观运动宏观运动所具有的能量 如：宏观动能 221mcEkmgzEp组组成成注意注意 C、z是独立于热力系统内部状态的外参数，因此将系统的宏观动能和重力位能称为外储存能。 C、z是力学参数，处于同一热力状态的物体可以有不同的值。外部储存能外部储存能宏观动能宏观动能

3、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功随物质传递的能量随物质传递的能量 热量热量外界热源外界热源外界功源外界功源外界质源外界质源系系统统kJ 或 kcal 且l kcal=4.1868kJ 定义定义：在温差温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。规定规定:特点特点:是传递过程传递过程中能量的一种形式，与热力过程热力过程有关系统吸热吸热热量为正正，系统放热放热热量为负负单位：单位：热量是除功以外另一种形式的能量传递传递除温差以

4、外除温差以外的其它不平衡势差不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量.1膨胀功W：2 轴功W:在力差力差作用下，通过系统容积变化容积变化与外界传递的能量。规定规定: 系统对外作功对外作功为正正，外界对系统作功对系统作功为负负。热力系通过叶轮机械的轴端与外界交换的能量称为轴功热力系通过叶轮机械的轴端与外界交换的能量称为轴功定义定义:单位单位：l J=l Nm膨胀功是热变功热变功的源泉刚性闭口系统刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换种类种类:注意注意:mgzmcUE2211122vpvpwf1 流动工质流动工质 本身具有的能量本身具有的能量2 流动功流动功(或推动功或推动功)为推动流体推动

5、流体通过控制体界面而传递的机械功机械功.推动1kg工质进、出控制体时需功 注意注意: 取决于取决于控制体进出口界面工质的热力状态工质的热力状态由泵风机等提供思考思考：与其它功区别推进功推进功（流动功、推动功）（流动功、推动功）pApVdl W推推 = p A dl = pV w推推= pv注意：注意： 不是不是 pdv v 没有变化没有变化 热力系统（控制体）热力系统（控制体）111111 111 1FLp ALpVm p v1 1p v22222F Lp A L22222p Vm p v221 1p vp v1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推进功不存在有关，流动停止，推进功不存在

6、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， 而由外界做出，流动工质所而由外界做出，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对于m千克工质： pVUHv焓的定义式焓的定义式：焓焓=内能内能

7、+流动功流动功 v焓的物理意义：焓的物理意义：1对流动流动工质(开口开口系统)，表示沿流动方向传递的总能量中，取决于取决于热力状态热力状态的那部分能量.思考：思考：特别的对理想气体 h= f (T) 对于1千克工质： h=u+ p v 2 对不流动不流动工质(闭口闭口系统)，焓只是一个复合复合状态参数状态参数加入系统的能量总和加入系统的能量总和 - 热力系统输出的能量总和热力系统输出的能量总和 =热力系总储存能的增量热力系总储存能的增量ddQUWQUWquwquw 1）对于可逆过程netnetdQUWQWddQUp V2）对于循环3）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W的 “+”，“”，大小

8、。 dTcduvdTcduv21dTcuv适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程1)(12TTcuv2)适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用定值比热计算）（用定值比热计算）3)102000121221tctcdtcdtcdtcutvmtvmtvtvttv适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用平均比热计算）4)把 Tfcv21dTcuv代入进行积分适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用真实比热公式计算）5)niiiniinumUUUUU1121由理想气体组成的混合气体的热力学能等于各

9、组成气体热力学能之和，各组成气体热力学能又可表示为单位质量热力学能与其质量的乘积。SW =100kJQout=500kJU1=800kJU2=?图33 例31示意图totQUW totsWW21sUQUW500800100400kJ 500kJsWQ 推导推导 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 Wnet Q min m2uinuoutgzingzout212inc212outc Q + min(u + c2/

10、2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv这个结果与实验这个结果与实验不符不符少了少了推进功推进功 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout212inc212outc Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv minpvout Q + min(u + pv+c2/2 + gz)in - Wnet - mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv工程上常用工程上常用流率流率0limQQ0limmm0limWW2cvout

11、2innetind/ 2/ 2outQEupvcgzmupvcgzmW当有多条进出口：当有多条进出口：netcv2outout2inind/ 2/ 2QEWupvcgzmupvcgzm流动时，总一起存在流动时，总一起存在CVSdEWmgzChmgzChQ11211222222121上式对不稳定流动和稳态稳流，可逆与不可逆过程都适用，也能适用于闭口系统。12mmm常数, , ssQQWW常量常量,0, c vdEmm常量 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc稳定流动条件稳定流动条件1、outinmmm2、QConst3、netsWConstW轴

12、功轴功Shaft work每截面状态不变每截面状态不变4、,/0C VdEoutinmmmQConstnetsWConstW,/0C VdEnetcv2outout2inind/ 2/ 2QEWhcgzmhcgzm稳定流动条件稳定流动条件0mmsW22soutin22ccQmhgzhgzWQm qssWm w1kg工质工质22soutin22ccqhgzhgzw2s12qhcgzw 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2t12swcgzwt()tqhwupvw quw ()twpvwwwt(pv) c2/2wsgz做功的根源做功的根

13、源ws()tpdvd pvw()twpvw()twd pvw准静态准静态()()twpdv d pvpdvpdv vdpvdptwvdp准静态准静态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twvdp1 12 2vdppdvpvp v1 12 2twwpvp v()twwpv12 1ba12341 140a 230b()twpvw用定值比热计算用定值比热计算:用平均比热计算用平均比热计算 :经验公式经验公式:代入 TfRTuhdTchp21102000121221tctcdtcdtcdtchtpmtpmtptpttp Tfcp21dTchp适用于

14、理想理想气体的一切一切热力过程或者实际气体实际气体的定压过定压过程22212121()2ffsccqhhzz gwquw 2221()()2ffstccwpvg zwpvw 222121()()2ffsccupvzz gw ()twwpv2t12swcgzwt()tqhwupvw quw ()twpvwwwt(pv) c2/2wsgz做功的根源做功的根源ws2211()()22nmffoutioutiinjinjsijccQmhgzmhgzW一一、蒸汽轮机、气轮机蒸汽轮机、气轮机 流进系统：1111hvpu 流出系统：Swhvpu,222212Sthhww12kJsWHH12kJ/kgswhh

15、22212121()()()2ffsccQhh mmzz gmW2221210;()0;02ffcczz gQsE12kJsWHH12kJ/kgswhh二、压气机二、压气机、水泵类水泵类扩压管进气室进气室进气口进气口叶叶 轮轮蜗壳蜗壳出气口出气口出口扩压器出口扩压器主轴主轴出口扩压器出口扩压器2状态状态1状态状态1状态状态2状态状态21kJsWHH21kJ/kgswhh2221210;()0;02ffcczz gQ22212121()()()2ffsccQHHmzz gmWsE21 kJsWHH21 kJ/kgswhh冷流体入口冷流体入口1冷流体出口冷流体出口2热流体入口热流体入口热流体出口热流体出口去汽轮机去汽轮机来自水泵来自水泵过热器过热器炉墙炉墙蒸发管蒸发管2状态状态1状态状态来自汽轮机的水蒸气来自汽轮机的水蒸气去水泵的凝结水去水泵的凝结水冷却水冷却水冷却水冷却水1状态状态2状态状态冷流体入口冷流体入口1冷流体出口冷流体出口2热流体入口热流体入口热流体出口热流体出口热流体热流体冷流体入口1冷流体出口冷流体出口1热流体热流体Q21kJQHH21kJ/kgqhh21kJQHH21kJ/kgqhh222121()0;()02ffcczz g0sW 22212121()()()2ffsccQHHm