第4讲热力学第一定律

1、热力学第一定律热力学第一定律 1-1 热力学第一定律的实质 1-2 热力学能（内能）和总能1-3 热力学第一定律的基本表达式1-4 闭口系基本能量方程式1-5 开口系能量方程式1111 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质 一、第一定律的实质一、第一定律的实质 能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律在热现象中的应用在热现象中的应用。 自然界中的一切物质都 具有能量，能量不可能被创造也不可能被消灭，但可以从一种形态转变为另一种形态，在转化过程中能量的总量保持不变。12 12 热力学能（内能）和总能热力学能（内能）和总能一、热力学能一、热力学能UU UchchU UnunuU UththU Uk

2、 k平移动能平移动能转动动能转动动能振动动能振动动能 Tf1U Up p（分子间相互作用力）（分子间相互作用力）vTf,2),(vTUU 二、总（储存）能二、总（储存）能kpkpE U E Ee u e e 总能总能热力学能，内部储存能热力学能，内部储存能外部储存能外部储存能宏观动能宏观动能宏观位能宏观位能（维持一定分子结构的化学能）（维持一定分子结构的化学能）原子核内部的原子能）原子核内部的原子能）气体分子运动说气体分子运动说 测量测量 p p、V V、T T 可求出可求出d0dddddVVTVUUUpUTVcTTpVTVTU四、热力学能单位四、热力学能单位 JkJ五、工程中关心五、工程中关

3、心U宏观动能与内动能的区别宏观动能与内动能的区别三、热力学能是状态参数三、热力学能是状态参数13 13 热力学第一定律基本表达式热力学第一定律基本表达式 加入系统的能量总和加入系统的能量总和离开系统的能量总和离开系统的能量总和= = 热力系总储存能的增量热力系总储存能的增量E EE E+d+dE Ei imeQWjjm ed流入：流入：i iQme流出：流出：jjWm e总能的增量总能的增量：dEtotdjjiiQEe me mW 或21totjjiiQEe me mW totddjmjimiEe qeqP EE+dEi imeQWjjm ed14 14 闭口系基本能量方程式闭口系基本能量方程

4、式21totjjiiQEe me mW 闭口系闭口系00ijmm忽略宏观动能忽略宏观动能U Uk k和位能和位能U Up pEU ddQUWQUWquwquw 第一定律第一解析式第一定律第一解析式热热 功的基本表达式功的基本表达式讨论：讨论：1 1）对于可逆过程）对于可逆过程ddQUp V2 2）对于循环）对于循环netnetdQUWQW3 3）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W W 的的 “ “+”+”、“”、数值大小。、数值大小。ddQUWQUWquwquw 例例1 1 自由膨胀自由膨胀如图，如图，U解：取气体为热力系解：取气体为热力系 闭口系闭口

5、系？开口系开口系？QUW120UUU即抽去隔板，求抽去隔板，求0W?0Q 例例2 2：门窗紧闭房间用电冰箱降温：门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为系统 绝热闭口系闭口系能量方程QU W0Q0UW0W T电冰箱例例3 3：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系统 闭口系闭口系能量方程QU W0QUQ W0W T空调 QQW15 15 开口系能量方程开口系能量方程一、推动功和流动功一、推动功和流动功 推动功推动功：系统引进或排除工质：系统引进或排除工质传递传递的功量。的功量。pA Hpvpvp1v11o流动功：系统维持流动流动功：系统维持流动 所花费的代价。所花费的代价。 )(11

6、22pvvpvp流动功在流动功在p-vp-v图上：图上：二、焓二、焓定义：定义：H=U+pVH=U+pV h=u+pvh=u+pv单位：单位：J J（kJkJ） J J/kg/kg（kJ/kgkJ/kg）焓是状态参数。焓是状态参数。物理意义：物理意义：引进或排出工质而输入或排出系统的能量。引进或排出工质而输入或排出系统的能量。dddppVHcTVTpT三、稳定流动能量方程三、稳定流动能量方程稳定流动特征稳定流动特征：注意：区分各截面间参数可不同。注意：区分各截面间参数可不同。1）各截面上参数不随时间变化。各截面上参数不随时间变化。2）E ECV CV = 0= 0， S SCV CV = 0=

7、 0， m mCV CV = 0= 0? 流入系统的能量流入系统的能量: :2f1111 112Qmcqqup vgz流出系统的能量流出系统的能量: :22222f2212smPqup vcgz系统内部储能增量系统内部储能增量: : E ECVCV= =考虑到稳流特征：考虑到稳流特征： E ECVCV=0 =0 q qm m1 1= =q qm m2 2= =q qm m; ; 及及h=u+pvh=u+pv 22f2f12121S( )22QmmccqHHqq g zzPA2221f2f121s1( )2qhhccg zzwB讨论：1 1）改写式（）改写式（B B）为式（）为式（C C）222

8、 21 1f 2f12112squwp vp vccg zz 热能转变热能转变成功部分成功部分输出轴功输出轴功流动功流动功机械能增量机械能增量22f 2f12121S2221f 2f121s( )221( )2QmmccqHHqq g zzPAqhhccg zzwB（C）2f12tswwcg z t2 21 1( )quwp vpvD dddtwp vpvv p 2）技术功技术功) )技术上可资利用的功技术上可资利用的功 w wt t22221 1f 2f12112squwp vp vccg zz由式（由式（C C）1122vpvpwwtdtwwpv可逆过程可逆过程3)3)第一定律第二解析式第

9、一定律第二解析式ttdqhwqhw 21dddqhv pqhv p dddddddqhv pupvv pup vuw膨 1) 1)通过膨胀，由热能通过膨胀，由热能 2) 2)第一定律两解析式可相互导出，但只有在开系中第一定律两解析式可相互导出，但只有在开系中 能量方程才用焓。能量方程才用焓。2221f 2f1211( )2sqhhccg zzwB4 4）两个解析式的关系）两个解析式的关系功，功，w = q w = q u u总之：总之：2tsf12wwcg z可逆可逆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 容积变化功w技术功wtquw 闭口稳流开口等价轴功ws流动功(pv)几

10、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ws四、稳定流动能量方程式的应用四、稳定流动能量方程式的应用简化原则：满足工程需要，略去次要因素。简化原则：满足工程需要，略去次要因素。1.1.叶轮机械、喷管、节流阀等，作绝热处理。叶轮机械、喷管、节流阀等，作绝热处理。q=0q=0 a. a.表面经绝热化处理、有效传热面积小表面经绝热化处理、有效传热面积小; ; b. b.工质流速快来不及换热。工质流速快来不及换热。2.2.除去喷管、扩压管这类使气流速度改变比较剧烈的除去喷管、扩压管这类使气流速度改变

11、比较剧烈的 设备外，一般设备中气流进出口设备外，一般设备中气流进出口3.3.对于简单可压缩系，设备中若无活塞、轴类这些做对于简单可压缩系，设备中若无活塞、轴类这些做 功部件，则闭口系中功部件，则闭口系中W=0W=0，开口系中，开口系中Ws=0, Ws=0, 如锅炉换如锅炉换 热器等。热器等。 透平机械（蒸汽轮机、透平机械（蒸汽轮机、气轮机等）气轮机等）压缩机械（压气机，水泵类）压缩机械（压气机，水泵类）换热器类（锅炉、加热器等）换热器类（锅炉、加热器等）热流体冷流体h1h2h1h2绝热节流管道阀门、毛细管膨胀阀绝热节流管道阀门、毛细管膨胀阀绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等h1h2例题4：典型充气问题典型充气问题储气罐原有气体m0,u0输气管状态不变，h经时间充气，关阀储气罐中气体m求：储气罐中气体内能u忽略储气罐、阀门均绝热m0,u0h四种可取系统四种可取系统1）取储气罐为系统开口系2）取最终罐中气体为系统闭口系3）取将进入储气罐的气体为系统m0,u0h闭口系4）取储气罐原有气体为系统闭口系 利用热一律的文字表达式利用热一律的文字表达式1)1)取取储气罐为储气罐为系统系统( (开口系开口系) )忽略动位能变化hcvnet2outout2inind/2/2QEWhcgzmhcgzm绝热无作功部件无离开气体cvin0dEh