热力学第02章第一定律

1、上节课内容回顾能量，热能向机械能转化，对媒介工质的要求，热源，热力系统。开口系，闭口系，绝热系，工质的热力学状态参数（P, T, V）, 测量方法平衡状态参数坐标图， pv，pt，ts，th, ph图准平衡过程可在 状态参数坐标图上用连续实线表示微元功dVpAdxpFdxWextext)(extp折合压力xp上节课内容回顾过程功 dVpWW21ext2121可逆功212112nm1pdVW面积正向循环(direct cycle) 热动力循环(power cycle)在p-v图上和T-s图上为顺时针方向进行正向循环：系统净吸热，对外作净功。上节课内容回顾循环的经济性用热效率第二章 热力学第一定律

2、the first law of thermodynamics自然界所发生的一切运动都伴随着能量的变化太阳能，植物的生物能，人和动物的能量，电能，风能，存储在石油里的能量等等。能量发生了转换不存在的永动机永动机是一类不需外界输入能源、能量或在仅有一个热源的条件下便能够不断运动并且对外做功的机械。1.不消耗能量而能永远对外做功的机器，为“第一类永动机”2.在没有温度差的情况下，从自然界中的海水或空气中不断吸取热量而使之连续地转变为机械能的机器，为“第二类永动机”19世纪中叶，能量守恒定律已经确立。永动机不可能存在。能量只能转换，而不能凭空产生一个耗电200w的电炉子的散热效果和两个100w的加热

3、棒对房间的加热效果是一样的第二章 热力学第一定律the first law of thermodynamics2-1 热力学第一定律的实质实质：能量传递和形态转化以及总量的守恒。（在工程热力学的研究范围内，主要考虑的是热能和机械能之间的相互转化和守恒的规律）热力学第一定律是实践经验的总结。第一类永动机迄今都不存在，而且由第一定律所得出的一切推论都和实际经验相符，可以充分说明它的正确性。第一类永动机（不消耗能量而作功）是不可能造出来的。2-2 热力学能和总能QW放吸净吸热：QQQ外系净作功：WWWdU内能变化：dUdUWQ”表状态量（参数）”表示过程量，“注意：“d0dU)WQ(pkpkeeue

4、EEUE内部储存能；U有关。外部储存能，与参照系宏观内能宏观动能pkp2f21kEE);mgz(E);mc(E总能EgzcuemgzmcUE2f212f21；2-3 能量的传递和转化气缸中工质膨胀对活塞做功，只有通过活塞的宏观位移，做功才有可能实现。如果位移停止，那么做功也就停止了。做功的结果是，工质把一部分能量传递给了活塞，成为活塞的动能。同时，工质的能量就减少了于此完全相应的一个数量。可见，做功过程往往伴随着能量形式的转化。2-3 能量的传递和转化pdVWx活塞右移，工质进入气缸。实质是外界压力p把工质压入气缸，故推动功为：p，vmpvpVxpA推动功作用在质量m上。m被推入系统内，所以推

5、动功随质量m一起进入系统。推动功的意义：工质m流入系统所带入的功(外界对系统作功)； 工质m流出系统所带出的功(系统对外界作功)。2.推动功(flow work; flow energy)：推动工质移动所作的功；或因工质在开口系统中流动而传递的功。x如果工质在传递推动功的时候没有热力状态的变化，当然也不会有能量形态的变化。此时工质所起的作用只是单纯的运输能量，就像传送带一样，把这部分推动功传递到其他地方。p，v2.推动功(flow work; flow energy)：推动工质移动所作的功；或因工质在开口系统中流动而传递的功。pvpv1kg工质的推动功=pv3. 流动功(flow work;

6、flow energy)：入口1出口2)pV(VpVpW1122f意义：维持开口系流动，工质所作的功；出口和进口推动功之差便是流动功。开口系统3. 流动功(flow work; flow energy)：入口1出口2注：如需要考虑工质的动能和位能变化，还应该计算动能差和位能差假如工质从状态1到状态2做膨胀功是w。那么在不考虑工质宏观动能和位能变化时，开口系和外界交换的功量是膨胀功与流动功的差值：开口系统流动功膨胀功 -)vpvp(WW1122t21pdVWf1122WVpVp212121tVdp)pV(dpdV)pV(WW2-4 焓(enthalpy)2-4 焓(enthalpy)mgzmc2

7、1HE2fWdQ2-5 热力学第一定律的基本能量方程式QWWdEQWdUQdUdEtWdHQ212121tVdp)pV(dpdV)pV(WWWdUQ功的基本表达式功的基本表达式第一定律第一解析式第一定律第一解析式 热热ddQUWQUWquwquw 1）对于可逆过程ddQUp V2）对于循环3）对于一定量的工质，吸热与升温关系，还取决于W的 “+”，“”和大小。netnetWQWdUQ练习题1p=0.2Mpa解：由题意，取气缸内气体为系统由于过程可逆，而且压力为常数，所以：这是一个闭口系统，能量方程为由题意因此Q=12000J + 100000J = 112000J也就是过程中气体自外界吸热11

8、2000Jp=0.2Mpa气体对外界做功，一部分用于排斥活塞背面的大气，另一部分转变成活塞的动能增量排斥活塞背面的大气所做的功是用于增加活塞动能的功是，气体对外做的功 排斥大气的功用于增加活塞动能的功是，气体对外做的功 排斥大气的功可得活塞终速度p=0.2Mpa上节课内容回顾能量的不同性质，热能和机械能之间的转换。热力学第一定律的实质：能量传递和形态转化以及总量的守恒能量有：内能U （分子动能，分子势能），是状态参数 总能E= U +Ek + Ep 内能+机械能能量从一个物体传递到另一个物体的方法：做功（位移） 和 传热上节课内容回顾介绍了几种功：体积功（膨胀功）推动功流动功 开口系和外界交换

9、的功量是膨胀功与流动功的差值：技术功技术功的意义：是开系对外界作的功pdVWmpvpVxpAppv1kg工质的推动功=pv)pV(VpVpW1122f流动功膨胀功 -)vpvp(WW1122t上节课内容回顾技术功流动功膨胀功 -)vpvp(WW1122t212121tVdp)pV(dpdV)pV(WW定义 焓 mgzmc21HE2f上节课内容回顾tWdHQWdUQ功的基本表达式功的基本表达式第一定律第一解析式第一定律第一解析式 热热ddQUWQUWquwquw 1）对于可逆过程ddQUp V2）对于循环netnetWQWdUQ上节课内容回顾2-6 开口系统能量方程1dm2dm11Vp22VpQ

10、iWsWCVW,dm1,dm2112f11p1k111)dmgzc21h( )EEH(ddE流入物：222f222dm)gzc21h(dE流出物：fCVsiWWWW作功：CVdEi112f11222f22CVWdm)gzc21h(dm)gzc21h(dEQim112f1m222f22CVPq)gzc21h(q)gzc21h(ddEmq稳定流动特征：1）各截面上参数不随时间变化。2）ECV=0， SCV=0， mCV= mm2m1CVqqq0ddE；mQq令：mWiwii2fWzmgmc21HQi2fWmgdzmdc21dHQ)A.(w)zz(g)cc (21)hh(qi122f12f212i2

11、fwgdzdc21dhqi2fw(pv)zgc21uqtw)zz(g)cc (21ww122f12f2it)vpvp(ww1122t的关系和、tiwwwi2fwgdzdc21dhqtWdHQWdUQi1122f12f212w)zz(g)cc (21)hh(q0.)zz(g; 0)cc (210;q122f12f212hh )0w, 0w(whh wcvt21i摩内部储能增量： 02-7 能量方程式的应用二、压气机，水泵类(compressor、pump)21ctwwhhq 内部储能增量： 046三、管内流动流入：流入：流出：流出：内增：内增： 0 021f111 112ucgzp v22f 2

12、22212ucgzp v2f102pucgz 1kg某种气态工质，在可逆膨胀过程中分别遵循： （1） vbp（2）从初态1到达终态2 求：两过程中各作功多少？ （a，b为常数）pav练习题2解：21dwpv（1）22222111dd2awp vav vvv（2）222111ddlnvbwp vvbvv练习题2如图，已知活塞与气缸无摩擦，初始时p1=pb，t1=27 缓缓加热，使p2=0.15Mpa, t2=207若m=0.1kg，缸径=0.4m ，空气求：过程加热量QA kJ/kgK0.72uT练习题3解：WUQ据题意121272. 0TTmuumU可以求出；?W212212212212222

13、1xxKVVpxxKxxApAdxxAKpWbbxxb?2XKW弹W斥21dWp VddbKppxVA xAmLLxmLmpTmRVmAVLmPTmRVgg617. 0302. 116359. 0685. 00861. 0101)27327(2871 . 012223222113511122bbKxKxpppAA22222410183N/mbbDppA ppKxx2221219687.3J20.72 0.12972719.44kJ9.6919.4429.13kJbKWp VVxxUQWU充气问题解：取A为CV.容器刚性绝热000outmWQ忽略动能差及位能差，则 若容器A为刚性绝热初态为真空，

14、打开阀门充气，使压力p2=4MPa时截止。若空气u=0.72T求容器A内达平衡后温度T2及充入气体量m。非稳定开口系练习题4dddiihmEmu由5g40 10132.87kg287 423.99pVmR T或 流入(进入系统的能量)：hinmin 离开系统的能量： 0 系统中储能的增量：m2u2 - 0ddiih mmu221122umumummhii22305.3423.99K150.84 C0.72ihuT即2imm22ff11d22CVoutinoutinQEhcgzmhcgzmW 0.1 MPa，20 的空气在压气机中绝热压缩升压升温后导入的空气在压气机中绝热压缩升压升温后导入换热器排走部分热量，再进入喷管膨胀到换热器排走部分热量，再进入喷管膨胀到0.1 MPa、20。喷管。喷管出口截面积出口截面积A = 0.032 4 m2，气体流速，气体流速cf2 = 300 m/s。若进口和出。若进口和出口处口处h相同。已知相同。已知压气机耗功率压气机耗功率710 kW，问换热器中空气散失，问换热器中空气散失的热量。的热量。练习题5gVmpqqR T解：解：对对 CV 列能量方程列能量方程流入：流入：21f1112mqhcgzP流出：流出：22f 2212mQqhcgzq内增：内增： 0f 22gp c AR T620.1 10 Pa300 m/s 0.032 4