第二章 热力学第一定律综述

1、第二章第二章 热能转换的基本概念热能转换的基本概念和基本定律和基本定律2-1 2-1 热能转换的基本概念热能转换的基本概念2-2 2-2 热力学第一定律热力学第一定律2-3 2-3 热力学第二定律热力学第二定律第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律2-1 2-1 热力学第一定律及其实质热力学第一定律及其实质2-2 2-2 热力学热力学能能2-3 2-3 闭口系统能量方程式闭口系统能量方程式2-2-4 4状态参数焓状态参数焓2-2-5 5 开口系统能量方程式开口系统能量方程式一、热力学第一定律及其实质一、热力学第一定律及其实质 能量转换与守恒定律定律指出：能量转换与守恒定律定律指出：一切物质

2、都具有一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒定不变中，能量的总量恒定不变。本质本质：能量能量转换转换及及守恒守恒定律在热过程中的应用定律在热过程中的应用在工程热力学的范围内，主要考虑在工程热力学的范围内，主要考虑热能热能与与机械能机械能之之间的相互转换与守恒，因此热力学第一定律可表述间的相互转换与守恒，因此热力学第一定律可表述为：热可以变为功，功也可以变为热，在相互转变为：热可以变为功，功也可以变为热，在相互转变时能的总

3、量是不变的。时能的总量是不变的。热力学第一定律是实践经验的总结。热力学第一定律是实践经验的总结。( (不能从理论上证明不能从理论上证明) )第一类永动机（不消耗能量而作功）是不可能造出来的。第一类永动机（不消耗能量而作功）是不可能造出来的。1840-1849年年，joule用多种实验的用多种实验的一致性证明热一律，于一致性证明热一律，于1950年发表年发表并得到公认。并得到公认。二、热力系的储存能二、热力系的储存能 1 1、内部储存能、内部储存能分子运动所具有的分子运动所具有的内动能内动能（分子平移，旋转，振动）（分子平移，旋转，振动） 分子间由于相互作用力所具有的分子间由于相互作用力所具有的

4、内位能内位能 维持一定分子结构的维持一定分子结构的化学能化学能原子核内部的原子核内部的核能核能 热力学能：工质微观粒子所具有的能量；热力学能：工质微观粒子所具有的能量； 热力学能热力学能U 是状态参数；是状态参数； 比热力学能比热力学能 uU/m 对于没有化学反应和核反应的简单可对于没有化学反应和核反应的简单可压缩系，压缩系，热力学能热力学能仅包括工质分子的仅包括工质分子的内动能内动能和和内位能内位能； 分子运动论：分子运动论： VTUU,( , )uf T v2 2、外部储存能、外部储存能 需要用在系统外的参考坐标系测量的参需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量，称为数来表示的能量

5、，称为外部储存能外部储存能，它包括，它包括系统的宏观动能和重力位能：系统的宏观动能和重力位能：221fkmcE mgzEp重力位能：重力位能：宏观动能：宏观动能：3 3、系统的总储存能、系统的总储存能 系统的总储存能为系统的内部储系统的总储存能为系统的内部储存能与外部储存能之和，用存能与外部储存能之和，用E表示：表示：mgzmcUEf2211kg工质的总能为比总能：工质的总能为比总能：gzcuef221三、热力学第一定律的一般表达式三、热力学第一定律的一般表达式 进入系统的能量进入系统的能量- -流出系统的能量流出系统的能量= =系统能量的增量系统能量的增量syE适用于任何过程任何热力系适用于

6、任何过程任何热力系1 1、一般的关系式、一般的关系式 2 2、一般表达式、一般表达式 syE11me22meQtotWsy)(dEE11,meQtot22, WmesysysydEEEE)d(sytot1122sy)(dWmemeEQtot1122sy)(WmemeEQ出出： 增量：增量：入：入：四、闭口系的能量方程四、闭口系的能量方程 热力学第一定律基本表达式热力学第一定律基本表达式 1 1、能量方程、能量方程 tot1122sy)(WmemeEQQQ UEsyWWtot0)(1122meme2 2、分析、分析 WUQWUQwuq外热能外热能 内热能内热能机械能机械能 体积变化功体积变化功l

7、 适于闭口系的一切过程适于闭口系的一切过程(可逆、不可可逆、不可逆）和任何工质。逆）和任何工质。l 热能热能 机械能，必须通过工质机械能，必须通过工质的体积变化来实现；的体积变化来实现；3 3、其它形式、其它形式 微元微元WUQ dwuq d 可逆可逆 VpUQddvpuqdd 21dVpUQ21dvpuq例例2 21 1 如图是一绝热容器，被刚性隔板分成如图是一绝热容器，被刚性隔板分成A、B两部两部分，分，A中装有氮气，中装有氮气，B内为真空。抽掉隔板后工内为真空。抽掉隔板后工质经自由膨胀达到新的平衡。设氮气初始温度质经自由膨胀达到新的平衡。设氮气初始温度为为t1，并有，并有u0.7t的关系

8、。试求氮气达到新的平的关系。试求氮气达到新的平衡时的温度。衡时的温度。AB确立系统确立系统0U分析化简、结论分析化简、结论 建立方程建立方程 WUQAB解：解： 12UU tU7 . 012tt 讨论：功是通过边界传递的能量。讨论：功是通过边界传递的能量。 例例2 22 2 一刚性绝热容器内储有水蒸气，通过电热器向一刚性绝热容器内储有水蒸气，通过电热器向水蒸气输入水蒸气输入80kJ的能量。问水蒸气的热力学能的能量。问水蒸气的热力学能变化多少？变化多少？确立系统（确立系统（水蒸气水蒸气）UQ分析化简分析化简建立方程建立方程 WUQ解法一：解法一： 结论结论kJQU80确立系统（确立系统（水蒸气水

9、蒸气+电热器电热器）WU分析化简分析化简建立方程建立方程 WUQ解法二：解法二： 结论结论kJkJWU80)80(21确立系统；确立系统； 适用于闭口系统的一切过适用于闭口系统的一切过程和工质程和工质要特别注意热量和功的符号要特别注意热量和功的符号 ；讨论：讨论： 系统不同，解题方法不同；系统不同，解题方法不同；WUQ思考题1： 门窗紧闭的房间内有一台电冰箱正在运行，若敞开冰箱的大门就有一股凉气扑面，感到凉爽。于是有人就想通过敞开的冰箱大门达到降低室内温度的目的，你认为这种想法可性吗？思考题2： 既然冰箱敞开大门不能降温，为什么在门窗紧闭的房间内安装空调确能使室内温度降低？五、稳定流动系统的能

10、量方程五、稳定流动系统的能量方程 1 1、稳定流动系统、稳定流动系统 稳定流动系统是指热力系统内各点状态参稳定流动系统是指热力系统内各点状态参数不随时间变化的流动系统。数不随时间变化的流动系统。 实现条件实现条件进出系统的工质流量相等且不随时间而变；进出系统的工质流量相等且不随时间而变；系统进出口工质的状态不随时间而变；系统进出口工质的状态不随时间而变； 系统与外界交换的功和热量等所有能量不系统与外界交换的功和热量等所有能量不随时间而变。随时间而变。 定义定义 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc1、outinmmm2、QConst3、net

11、sWConstW每截面状态不变每截面状态不变4、,/0C VdE11push1VpW11111111push1)()(VpLApLApW推动功推动功22push2VpW同理：同理：pApVL系统引进或排出工质传递的系统引进或排出工质传递的能量能量1 1、与宏观流动有关，流动停止，推、与宏观流动有关，流动停止，推动动功不存在功不存在2 2、w w推推pvpv与所处状态有关，是状态量与所处状态有关，是状态量3 3、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界做出（外部功源），工质在传递推动功时只是单纯地传界做出（外部功源），工质在传递推动功时

12、只是单纯地传递能量，像传输带一样，能量的形态不发生变化。递能量，像传输带一样，能量的形态不发生变化。可理解为：可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统时所携带和所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统时所携带和所传递的一种能量。能量。几点说明：几点说明：1122fVpVpW1122fvpvpw流动功流动功开口系统中工质流入和流出系统所作的推动开口系统中工质流入和流出系统所作的推动功的代数和功的代数和 wf=(pv)2 2、流动功、流动功 fW3. 开口系统的稳定流动能量方程12mmm21f111 112Qm

13、ucgzmp v21f111 112Qm ucgzp v2sh2f222212Wm ucgzmp v2sh2f222212Wm ucgzp v211 1f1112Qm up vcgz2222f22102shWm up vcgzupvh2fsh12Qm hm cmg zW 22f2212Qm hcgz21f11sh12m hcgzWHmhf2sh12QHm cmg zW sh2dd21dWzmgcmHQsh2dd21dwzgchq对于微元过程对于微元过程sh221wzgchq 对于单位质量工质对于单位质量工质 h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 4 4、技术功及稳流能量

14、方程的其他形式、技术功及稳流能量方程的其他形式2tsh12Wm cmg zW tWHQtwhq技术功技术功sh221WzmgcmHQ其它形式其它形式tWpVUQ)(tft)(WWWpVW可逆过程可逆过程)(dd)(d212121ftpVVppVVpWWW)dd(d212121pVVpVptWpVUQ)(21tdpVW21tdpvw21dpVHQ21dpvhq以技术功的形式表达稳定流能量方程以技术功的形式表达稳定流能量方程ttttWdHQWHQwdhqwhqVdpdHQVdpHQvdpdhqvdphq2121一般形式过程可逆一般形式过程可逆几种功在示功图上的表示几种功在示功图上的表示1 12 2

15、ddv pp vpvp vt1 12 2wwpvp vt()wwpv12 1ba12341 140 1a230 2b六、能量方程的应用六、能量方程的应用 1 1、叶轮式机械、叶轮式机械动力机（汽轮机，燃动力机（汽轮机，燃气轮机）气轮机） 能量方程能量方程 sh221wzgchq化化 简简 021shhhhw确立系统：稳定流动系统确立系统：稳定流动系统火力发电装置锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器航空发动机（燃气循环）燃气装置压压气气机机燃燃气气轮轮机机燃烧室燃烧室空空气气废废气气耗功机械（叶轮式压气机，水泵）耗功机械（叶轮式压气机，水泵） 能量方程能量方程 s

16、h221wzgchq化化 简简 021shhhhw确立系统：稳定流动系统确立系统：稳定流动系统火力发电装置锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器燃气装置压压气气机机燃燃气气轮轮机机燃烧室燃烧室空空气气废废气气制冷空调装置2 2、热交换器、热交换器 确立系统确立系统能量方程能量方程 sh221WzmgcmHQ化化 简简 12HHHQ设备简介设备简介 11221122火力发电装置锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器制冷空调装置3 3、节流、节流 确立系统确立系统 0H21HH 化化 简简 设备简介设备简介 能量方程能量方程 sh221W

17、zmgcmHQ管道阀门制冷空调装置进入汽轮机新蒸汽的参数为进入汽轮机新蒸汽的参数为p19.0MPa、t1500 C、h13385.0kJ/kg、c150m/s；出口参数出口参数为为p20.004MPa、h22320.0kJ/kg、c2120m/s 。蒸汽的质量流量蒸汽的质量流量qm220t/h，试求，试求(1)汽轮机的功率；汽轮机的功率；(2)忽略蒸汽进、出口动能变化引起的计算误差。忽略蒸汽进、出口动能变化引起的计算误差。 例例2 23 3 确立系统（确立系统（进出口所包围的空间进出口所包围的空间）分析化简分析化简建立方程建立方程 解：解： 功率功率kgkJwsh/10059. 13sh22w

18、zgchq22shchwkWwqPshm410472. 65.95kJ/kg10)50120(21213222shcw%56. 010059. 195. 53shshkww误差误差2122212sh212cchhchw？57空气在一活塞式压气机中被压缩。压缩前空气的空气在一活塞式压气机中被压缩。压缩前空气的参数是参数是p10.1MPa、v10.86m3/kg，压缩后空气压缩后空气的参数是的参数是p20.1MPa、v20.18m3/kg 。设在压缩。设在压缩过程中每千克空气的热力学能增加过程中每千克空气的热力学能增加150kJ，同时，同时向外放出热量向外放出热量50kJ。试求。试求（1）压缩过程

19、中对每千克空气所做的功；（）压缩过程中对每千克空气所做的功；（2）每生产每生产1kg压缩空气所做的功；压缩空气所做的功；（3）若该压气机每分钟生产）若该压气机每分钟生产15kg压缩空气，压缩空气， 带动此压气机要用多大功率的电动机？带动此压气机要用多大功率的电动机？例例2 24 4 工作过程：进气、压缩、排气确立系统确立系统解解：（1 1） 功功建立方程建立方程 uqwwuqkgkJw/200确立系统确立系统（2 2） 建立方程建立方程 hqwshsh22wzgchq分析化简分析化简功功hqwshpvuqpvuq（3 3）带动此压气机的电动机功率）带动此压气机的电动机功率kW 64.52586015shwqPm4 4、能量方程应用步骤、能量方程应用步骤 确定研究对象选好热力系统确定研究对象选好热力系统 画出示意图画