热力工程学论文——热力学第一定律

1、热力学第一定律及其广泛应用生物与农业工程学院 45090104 王宏州关键字：热力学第一定律 应用 热机 系统 工质 摘要：热力学第一定律，作为热力学非常重要的定理之一。在现实生活、生产中几乎无处不在。本篇文章主要通过分析热机在工作过程中的能量转化和传递规律，在热力学第一定律这一理论的基础上，进而分析出热机工作工程的能量耗散，从而提出一些改进的思路。同时通过举例说明现在在这方面已有的改进和使用措施。热力第一定律是热力学的基本定律之一，是能量守恒和转换定律的一种表述方式。热力学第一定律指出，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。

2、它的另一种表述方式为：不消耗能量就可以做功的"第一类永动机"是不可能实现的。系统的总能量包括由系统热力学状态确定的系统本身能量，即热力学能U，还包括系统整体力学状态确定的系统宏观状态的动能和重力位能。对于封闭系统，热力学第一定律可表达为 QU +W 或QdU +W 它表明向系统输入的热量Q,等于系统内能的增量U 和系统对外界做功W之和。封闭系统是一种理想装置，在现实的生活和生产中，不存在这样的设备。大部分设备和装置都是非封闭系统。而对于非封闭系统（即开口系统）而言，系统总能量的增加来源于两部分：一部分是由外界接受的热量与系统对外做功二者之差的净能量；一部分是流入与流出系统的

3、工质所带入系统的净能量。开口系统与外界间所传递的功有两部分：开口系统和外界间通过进、出口截面以外的外界所传递的功，被称为轴功；在进、出口截面上为推动工质进、出系统所传递的功，被称为推动功。由上面的热力学第一定律的原理，我们可以得出这样的结论在一般的热机中，由于热机工作大部分都是作为开口系统进行工作的，所以热机与外界有能量和工质的传递和转换。由此，我们分析一下热机各部分结构中，能量在流通和转化过程中损耗和浪费情况。首先是进口处，进口处是通过各种自然能量或人为通过转化自然能量从而推动工质具有一定内能和动能进入系统，比如：水力发电机就是利用自然状态中水的重力势能转变为动能之后，以有效地压力和冲量进入

4、发电装置这个开口系统内部，而火力发电机确实依靠人为地把一些物质（煤、石油）燃烧，转变为工质的内能和动能，推动工质进入发电装置系统，进而改变系统内部的工质的热力学状态，引起系统内部能量变化。因此，为了能够提高能量的转化效率及使用效率，我们需要设计各种途径和装备，使我们能够利用的自然能量转化为进入系统的工质的内能或动能的转化率得到很大程度上的提高。还有，工质方面，确保尽可能多的被提高能量的工质是用于进入系统的，在输送工质进入系统的过程中，尽可能地减少能量的损耗。比如说：火力发电机中，我们能够通过使煤燃烧地更加充分，从而使煤的使用效率得到提高，从而使煤所储存的能量中更多能够用于热机的工作能量。还有就

5、是，通过更好地绝热管道输送热气就是在传递过程中使工质的能量不会在输送过程中被消耗掉。在系统内部，在实际中，由于系统和外界的能量传递出进出口外，在系统边缘也是有的，所以，在装备工作过程中，会有一部分能量是通过散热的形式消耗到外界的。所以，在系统方面，我们需要做的就是改进系统的工作方式或者工作机制，从而使装备能够更加充分地利用进入系统的能量，使已经进入系统的能量得到最大限度地被利用为工作能量。比如说通过减少转轴和固定装置之间的摩擦作用，进而使转轴能够把进入系统工质带入的能量更多的是使用在热机做有用功当中。相似地，由于我们需要冷却剂维持装备不会达到高温而至被烧坏，我们就可以把冷却剂带走的系统那部分热

6、量再次用于热机工作或者其它用途，减少能量的无目的地耗散。现在又一些在这方面做的很好的例子，比如说，有些工厂把已经冷却过设备的冷却水用于工厂的供暖装备以及发电装备或其它地方再次使用。这就是一种回收利用的表现。在出口处，由于系统不能将所有的能量都转化为有用功，所以，最终会有很大一部分能量通过输出地工质带出来，这里有占有非常大分量的能量，所以，我们应该把它们收集起来并用于其它有用的地方，而不是让它白白流失和消耗掉。所以，通过一定的途径把这些能量收集并利用起来，这是现在的一大问题。其中一种相对广泛的做法就是：把输出的工质传送到开口之前的增加能量装置中，使输出的工质再次被作为输入工质。而再次作为输入工质

7、后，由于本身具有一定大的能量，所以其增加能量的过程就不需花费太多的能量和时间，这样就节省了能量。但是这种方法受到很大的限制，比如水力发电的水不可能再送回到原在水库。所以，还有一种方法就是通过把输出工质在作为另一装备的输入工质而进行运转。比如说：把水力发电站的下游再安装一套水力发电的装备，从而能很好地利用水力资源。如果我们能够通过应用各种方案和使用各种设备，使热机所有的部分，包括热机从入口处的进入工质过程，到工质在系统内部的运转和工作过程，最后到工质输出地出口处，能量都能够得到最大限度地使用，这样热机利用资源的能量效率就能够得到非常大的提高。参考文献：工程热力学 华自强；张忠进；高青 吉林大学汽车工程学院热力工程学研究室基于低碳发展模式的水资源合理配置框架研究  严登华; 秦天玲; 张萍; 邢子强 中国水利水电科学研究院水资源研究所; 东华大学 环境科学与工程学院; 中国海洋大学环境科学与工程