热力学第二章 课件

第二章

热力学第一定律第二章

热力学第一定律1第三章热力学第一定律第一节热力学第一定律的实质第二节热力学能和总能第三节能量的传递和转化第四节热力学第一定律的基本能量方程式第五节开口系统能量方程式第六节稳定流动能量方程的应用第三章热力学第一定律第一节热力学第一定律的实质2TheStoryofHeatHeatwasoncethoughttobeafluidcalled“caloric”JamesJouleprovedthatheatwasaformofenergyinthe18thcenturyTheStoryofHeatHeatwasonce3HeatisEnergyTemperatureofthewaterrisesifeither:heatisaddedworkisdoneSinceworkisenergy,heatmustbeenergyaswellHeatisEnergyTemperatureoft4实质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用

18世纪初，工业革命，热效率只有1%

1842年，J.R.Mayer阐述热一律，但没有引起重视

1840-1849年，Joule用多种实验的一致性证明热一律，于1850年发表并得到公认§2-1热力学第一定律的实质实质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用18世纪初，工5热力学第一定律的普遍表达式进入系统的能量

-离开系统的能量

=系统能量贮存的变化适用于任何过程任何热力系能量：传递中的能量---功和热量----过程量储存的能量----内部和外部状态参数决定---状态量热力学第一定律的普遍表达式进入系统的能量-离开系统的能量6闭口系循环的热一律表达式要想得到功，必须花费热能或其它能量热一律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”闭口系循环的热一律表达式要想得到功，必须花费热能或其它能量热7内动能（分子平移，旋转，振动）内位能（分子间力）化学能（维持一定的分子结构）原子能（原子核内部）§2-2热力学能和总能热力学能的组成：如果无化学反应，无核反应，热力学能＝内动能＋内位能物质内部拥有的能量称为热力学能内动能（分子平移，旋转，振动）§2-2热力学能和总能热力8热力学能的导出（I）闭口系循环热力学能的导出（I）闭口系循环9热力学能的导出（II）对于循环1a2c1对于循环1b2c1状态参数pV12abc热力学能的导出（II）对于循环1a2c1对于循环1b2c1状10热力学能U的物理意义dU

=

Q

-

WWQ

dU代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。

U

代表储存于系统内部的能量

内储存能（内能、热力学能）热力学能U的物理意义dU=Q-WW11热力学能及闭口系热一律表达式定义

dU=

Q

-

W

内能U

状态函数Q=

dU

+

WQ=

U

+

W闭口系热一律表达式！！！两种特例

绝功系

Q

=

dU

绝热系

W

=-

dU热力学能及闭口系热一律表达式定义dU=12热力学能的性质分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）核能化学能热力学能热力学能是状态量U:

广延参数[kJ]

u:

比参数[kJ/kg]热力学能总以相对量出现，热力学能零点人为定说明：热力学能的性质分子动能（移动、转动、振动）热力学能热力13系统总能外部储存能宏观动能Ek=mc2/2宏观位能Ep=mgz机械能系统总能E=

U

+

Ek+Epe=

u

+ek+

ep系统总能外部储存能宏观动能Ek=mc2/2机械能系14§2-3能量的传递和转化一、能量传递的两种方式■作功伴随着能量形态的变化物体的宏观位移热能变机械能的过程：⑴热力学的⑵单纯机械的燃气进口排入大气§2-3能量的传递和转化一、能量传递的两种方式■作功伴随15TheareaunderthecurveistheworkTheareaunderthecurveisth16TheworkdependsontheprocesspathTheworkdependsontheproces17作功的说明“作功”是系统与外界间的一种相互作用，是越过系统边界的能量交换。功是指作功过程中在传递着的能量的总称，过程一旦结束就再无所谓功。机械能与机械功、电能与电功等同吗？系统可以拥有电能，机械能，但决不会拥有电功、机械功之类的功。功只不过是特定条件下在过程中传递着的能量。系统是否作功应以过程在外界所引起的效果来判断，而不应从系统的内部去寻找依据，对系统的内部来说无所谓“功”。功是有序能量传递。作功的说明“作功”是系统与外界间的一种相互作用，是越过系统边18过程功和有用功的概念过程功：按照系统在热力过程中的状态变化而应该作出的功。系统的过程功中通常可以区分为有用功和无用功的两个部分。对大气所作的任何功是无用的，克服摩擦所作的功都转变为热量，因而也是无用的。像设备从转轴上传出的轴功，提升重物所作的机械功，以及工质本身的宏观动能和重力位能的增加（可以利用相关机械设备进一步使之转变为轴功等机械功）都属于系统所作的有用功。有用功：技术上有用的，可以输给功源的功。功源：一种可以向热力系作功或从热力系统接受功的外界物体或装置。例题（习题1－13）过程功和有用功的概念过程功：按照系统在热力过程中的状态变化而19传热系统与外界间的另一种相互作用，是系统与外界间依靠温差进行的一种能量传递现象，所传递的能量称为热量。热能和热量不是同一个概念温差虽然是传热过程的推动势差，但是系统温度的变化与传热并无必然的联系。温度变化说明系统的状态有了变化但不能由此判断出系统是否曾经吸热或放热热能是微观粒子无序紊乱运动的能量热量的正负规定：系统从外界吸热为正；向外界放热为负not传热系统与外界间的另一种相互作用，是系统与外界间依靠温差进行20可逆过程的热量计算利用熵参数进行热量计算熵的定义式J/K或J/(kg.K）可逆过程的热量可如下计算可逆过程的热量计算利用熵参数进行热量计算熵的定义式J/K或J21§2-4热一律的基本能量方程式热一律:能量守恒与转换定律进入系统的能量

-

离开系统的能量

=系统内部储存能量的变化热一律的文字表达式:§2-4热一律的基本能量方程式热一律:能量守恒与转换定律22闭口系能量方程WQ一般式Q

=dU

+

W(输入)（贮增）（输出）

Q

=U

+

Wq

=

du

+

w

q

=

u

+

w单位工质适用条件：1）任何工质

2)任何过程闭口系能量方程WQ一般式Q=dU+Wq23闭口系能量方程中的功功（

w）

是广义功

闭口系与外界交换的功量q

=du

+

w准静态容积变化功

pdv拉伸功

w拉伸=-dl表面张力功

w表面张力=-

dAw

=

pdv

-

dl

-

dA

+…...闭口系能量方程中的功功（w）是广义功q=du24简单可压缩物质控制质量可逆过程能量方程简单可压缩系的可逆过程仅存在容积功w=pdv简单可压缩系可逆过程q=Tdsq

=

du

+

pdv

q

=u

+

pdv热一律解析式之一Tds=du+pdv

Tds=u+pdv热力学恒等式简单可压缩物质控制质量可逆过程能量方程简单可压缩系的可逆过程25【例2-1】

如图所示，闭口系内的一定量气体由状态1经1a2变化至状态2，吸热70kJ，同时对外做功25kJ，，试问：（1）工质若由1经1b2变化到2时，吸热为90kJ，则对外做功是多少？（2）若外界对气体做功30kJ，迫使它从状态2经2c1返回到状态1，则此返回过程是吸热过程还是放热过程？其值为多少？【例2-1】如图所示，闭口系内的一定量气体由状态1经1a226【例2-1】

解

（1）热力系经历1a2过程后，吸热Q=70kJ，对外做功W=25kJ，

因热力学能是状态参数，其变化量只与工质的初、终态有关。所以

已知热力系经历1b2过程后，吸热Q=90kJ，

【例2-1】解（1）热力系经历1a2过程后，吸热Q=727【例2-1】

（2）热力系由2变化到1，其热力学能的变化量

外界对气体做功

热量为负值，表示该过程为放热过程。

【例2-1】（2）热力系由2变化到1，其热力学能的变化量28§2-5开口系能量方程问题的简化：假定控制容积形状、大小、空间位置均不随时间改变。——因而统计系统的总能时，不考虑系统整体的外观能量，但要计及流体的流动动能，重力位能以及热力学能。系统除与外界有物质流交换，在没有质量流穿越的边界上还可以有传热和作功的相互作用。——虽然假定系统边界不能移动，但是系统可以通过转轮转轴与外界交换轴功。——系统进出口界面上没有热量和功的交换。假定进、出口截面上存在局部平衡。——可以用流体在进入或离开系统的状态参数作为流体在进、出口界面的参数。假定流动为一元流动——仅在沿流动的方向上才有参数的变化。§2-5开口系能量方程问题的简化：29开口系能量方程推导WnetQminmoutuinuoutgzingzout能量守恒原则进入系统的能量

-离开系统的能量

=系统储存能量的变化开口系能量方程推导WnetQminmoutuinuo30推进功的引入WnetQminmoutuinuoutgzingzoutQ

+

min(u

+

c2/2

+gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wnet

=

dEcv这个结果与实验不符少了推进功推进功的引入WnetQminmoutuinuoutg31FlowWorkIttakesworktopushafluidintoasystemIttakesworktopushafluidoutofasystemFlowWork32F=PAWflow=FL=PAL=PVF=PAWflow=FL=PAL=PV33推进功的表达式推进功、推出功Adl

W推进=

Pin

Ain

dl

=

PinVin

w推进=

pinvin注意：不是

pdv

v没有变化pin同理

W推出=

Pout

Vout

w推出=

poutvout推进功的表达式推进功、推出功AdlW推进=PinAin34流动功的定义流动功定义为开口系统的推出功与推进功之差

是系统为维持工质流动所需的功

P1,v1P2,v21122流动功的定义流动功定义为开口系统的推出功与推进功之差P1,35对推进功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、w推＝pv与所处状态有关，是状态量4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界做出，流动工质所携带的能量可理解为：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能量对推进功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在2、36开口系能量方程WnetQpvinmoutuinuoutgzingzout

Q

+

min(u

+

c2/2+gz)in-

mout(u

+

c2/2+gz)out

-

Wnet

=

dEcvminpvout开口系能量方程WnetQpvinmoutuinuout37开口系能量方程微分式Q

+

min(u

+

pv+c2/2+gz)in-

Wnet

-

mout(u

+

pv+c2/2+gz)out

=

dEcv工程上常用流率开口系能量方程微分式Q+min(u+pv+c238开口系能量方程微分式(Cont.)当有多条进出口：流动时，总一起存在开口系能量方程微分式(Cont.)当有多条进出口：流动时，总39焓的引入定义：焓

h

=u

+

pvhh开口系能量方程焓的引入定义：焓h=u+pvhh开口40焓（Enthalpy)

的说明

定义：h

=

u

+

pv

[kJ/kg]H

=

U

+

pV

[kJ]1、焓是状态量（以相对值给定）2、H为广延参数

H=U+pV=

m(u+pv)=mh

h为比参数3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功)

对静止工质，焓不代表能量4、物理意义：开口系中随工质流动而迁移的、取决

于热力状态的能量。焓（Enthalpy)的说明定义：h=u+pv41例2-6（习题2-12）一刚性绝热容器，容积V=0.028m3，原先装有压力为0.1MPa、温度为21℃的空气。现将连接此容器与输气管道的阀门打开，向容器内充气。设输气管道内气体的状态参数保持不变：P=0.7MPa，t=21℃。当容器中压力达到0.2MPa时阀门关闭，求容器内气体可能达到的最高温度。设空气可视为理想气体，其热力学能与温度的关系为u=0.72T(T—K，u—kJ/kg)；焓与温度的关系为h=1.005T(T—K，u—kJ/kg)。例2-6（习题2-12）一刚性绝热容器，容积V=0.42解：取容器内空间为系统(CV)。此系统无出流，不作轴功。忽略不计空气流的动能和重力位能。容器内气体时刻处于平衡按题给及假定有：δQ=0；mgz=0½mc2=0；δ

Wshaft=0；由系统不作宏观运动dECV=dU=d(mu)解：取容器内空间为系统(CV)。此系统无出流，不作轴功。忽略43由有即d(mu)=[(h)δ

m]in系统无出流,流入质量δ

min=系统质量增量dm因此d(mu)=hindm积分，有m2u2-m1u1=hin(m2-m1)00000∥dU由有即d(mu)=[(h)δm]in系统无出流,流入质量44代入已知关系，有式中Tin=T1故有解得气体达到平衡时的温度T2=342.43K=69.43℃代入已知关系，有式中Tin=T1故有解得气体达到平衡时45稳态稳流能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout稳态稳流条件SteadyStateSteadyFlow(SSSF)1、2、3、轴功Shaftwork每截面状态不变4、稳态稳流能量方程WnetQminmoutuinuou46稳态稳流的定义当流动系统中（包括进、出口截面上）各点的热力学状态及流动情况（流速、流向）不随时间变化时，称系统处于稳态稳流1、系统各截面状态参数不随时间变化2、系统与外界的能量交换不随时间变化3、系统自身能量贮存与质量贮存不随时间变化稳态稳流的定义当流动系统中（包括进、出口截面上）各点的热力学47稳态稳流能量方程的推导稳态稳流条件0稳态稳流能量方程的推导稳态稳流条件048稳定流动能量方程的推导(Cont.)1kg工质稳定流动能量方程的推导(Cont.)1kg工质49稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程50稳定流动能量方程分析宏观运动的机械能过程中消失的热能控制容积中的能量转换关系稳定流动能量方程分析宏观运动的机械能过程中消失的热能控制容积51稳定流动能量方程分析技术功wt稳定流动能量方程分析技术功wt52能量转换关系分析（I）稳流开口系闭口系两种过程中消失了的热能数量上都等于（q－u）任何情况下，热力过程造成的热变功效果只是（q－u），即过程功工质的过程功是热变功的根源能量转换关系分析（I）稳流开口系闭口系两种过程中消失了的热能53稳流开口与闭口的能量方程容积变化功w技术功wt闭口稳流开口等价轴功ws推进功(pv)几种功的关系？稳流开口与闭口的能量方程容积变化功w技术功wt闭口稳流开口等54几种功的关系wwt△(pv)c2/2wsg△z做功的根源ws几种功的关系wwt△(pv)c2/2wsg△z做功的根源ws55简单可压缩系可逆过程的技术功可逆简单可压缩系可逆过程热一律解析式之一热一律解析式之二简单可压缩系可逆过程的技术功可逆简单可压缩系可逆过程热一律解56技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示57例题2-2气缸内储有完全不可压缩的流体，气缸的一端被封闭，另一端是活塞。气缸是绝热静止的。试问：(1)活塞能否对流体做功？(2)流体的压力会改变吗？(3)若使用某种方法把流体压力从0.2MPa提高到4MPa，热力学能有无变化？焓有无变化？例题2-2气缸内储有完全不可压缩的流体，气缸的一端被封闭，另58例题2-2解：(1)气缸活塞是闭口系统，由于流体不可压缩，流体的体积不会变化，因此流体的体积变化功为零，活塞不能对流体做功。（2）流体的压力应与外力时时相等，因而当活塞上的作用力改变时，流体的压力也随之改变。（3）根据已知条件，气缸活塞系统与外界无热交换，Q＝0，又W＝0，由能量方程知∆U＝0，故流体热力学能无变化。焓H＝U＋pV，当U，V不变，p提高时，H应增大。例题2-2解：(1)气缸活塞是闭口系统，由于流体不可压缩，流59§

2-6稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略动、位能变化例：c1=1

m/sc2=30

m/s

(c22-c12)/

2=0.449

kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0

oC水的

h1=84kJ/kg100oC水蒸气的

h2=2676kJ/kg§2-6稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略60例1：透平(Turbine)机械火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站燃气轮机蒸汽轮机例1：透平(Turbine)机械火力发电飞机发动机燃气轮机蒸61透平(Turbine)机械1)体积不大2）流量大3）保温层q

0ws

=

-△h

=

h1-

h2>0输出的轴功是靠焓降转变的透平(Turbine)机械1)体积不大2）流量大3）保温层62例2：压缩机械火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机水泵制冷空调压缩机例2：压缩机械火力发电飞机发动机压气机水泵制冷压缩机63压缩机械1)

体积不大2）流量大3）保温层q

0ws

=

-△h

=

h1-

h2<0输入的轴功转变为焓升压缩机械1)体积不大2）流量大3）保温层q0ws64例3：换热设备火力发电：锅炉、凝汽器核电：热交换器、凝汽器制冷空调蒸发器、冷凝器例3：换热设备火力发电：锅炉、凝汽器核电：热交换器、凝汽器制65换热设备热流体放热量：没有作功部件冷流体吸热量：焓变换热设备热流体放热量：没有作功部件冷流体吸热量：焓变66例4：喷管和扩压管火力发电蒸汽轮机静叶核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机静叶例4：喷管和扩压管火力发电蒸汽轮机静叶核电飞机发动机压气机静67喷管和扩压管喷管目的：压力降低，速度提高扩压管目的：动能与焓变相互转换速度降低，压力升高动能参与转换，不能忽略喷管和扩压管喷管目的：压力降低，速度提高扩压管目的：动能与焓68例5：绝热节流管道阀门制冷空调膨胀阀、毛细管例5：绝热节流管道阀门制冷膨胀阀、毛细管69绝热节流绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等h1h2没有作功部件绝热绝热节流绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等h1h2没70【例2-3】

已知新蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3230kJ/kg，流速c1=50m/s，乏汽流出汽轮机时的焓h2=2300kJ/kg，流速c2=120m/s。蒸汽流量为600t/h，试求：

(1)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。

解

（1）因蒸汽在汽轮机中的流动为稳定流动，根据稳态稳流能量方程式及q=0、△z=0的条件，可得1kg蒸汽在汽轮机中做的轴功

【例2-3】已知新蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3230kJ/71【例2-3】因，且流量，所以蒸汽每小时在汽轮机中所做的轴功为

汽轮机的功率为(2)忽略蒸汽进、出口动能变化，单位质量蒸汽对外输出功的增加量【例2-3】因，且流量，所以蒸汽每小72

【例2-3】

由此引起的相对误差为

说明：由以上的计算结果可以看出，汽轮机进出口的工质速度虽然相差较大，但其宏观动能变化量相对于汽轮机的轴功而言，是一个小到可以忽略不计的量，略去流动工质的宏观动能变化，对汽轮机功率的影响很小。

【例2-3】由此引起的相对误差为说明：73第二章小结1、本质：能量守恒与转换定律进-出

=内能增量第二章小结1、本质：能量守恒与转换定律进-出=内74通用式2、热一律表达式：通用式2、热一律表达式：75稳流：dEcv/=0通用式稳流：dEcv/=0通用式76闭口系：通用式闭口系：通用式77

通用式循环dEcv

=0out

=in通用式循环dEcv=0out=in78孤立系：

通用式孤立系：通用式793、可逆过程下两个热力学微分关系式

适合于闭口系统和稳流开口系统后续很多式子基于此两式3、可逆过程下两个热力学微分关系式适合于闭口系统804、u与h

U,H

广延参数u,h

比参数U

系统本身具有的内部能量H不是系统本身具有的能量，开口系中随工质流动而携带的，取决于状态参数的能量4、u与hU,H广延参数815、四种功的关系

准静态下5、四种功的关系准静态下82quiz热力学第一定律的实质是什么？闭口系热力学第一定律的两个数学表达式和的适用范围有何不同？

工质进行膨胀时是否必须对工质加热？工质吸热后热力学能是否一定增加？对工质加热其温度反而降低是否有可能？

膨胀功、推动功、轴功和技术功四者之间有何联系和区别？

什么是焓？它的物理意义是什么？为什么说它是工质的状态参数？

quiz热力学第一定律的实质是什么？83思考题如图中过程1-2与过程1-a-2，有相同的初态和终态，试比较两过程的功谁大谁小？热量谁大谁小？热力学能的变化量谁大谁小？思考题如图中过程1-2与过程1-a-2，有相同的初态和终态，84

如图所示一内壁绝热的容器，中间用隔板分为两部分，A中存有高压空气，B中保持高度真空。如果将隔板抽出，容器中空气的热力学能如何变化？为什么？

如图所示一内壁绝热的容器，中间用隔板分为两部分，A中存有高85第3次作业：习题2-9，2-10，2-11（注：沈书所附答案有误，正确值为4.9895kW=17962.23kJ/h）第3次作业：习题2-9，2-10，2-11（注：沈书所附86第二章

热力学第一定律第二章

热力学第一定律87第三章热力学第一定律第一节热力学第一定律的实质第二节热力学能和总能第三节能量的传递和转化第四节热力学第一定律的基本能量方程式第五节开口系统能量方程式第六节稳定流动能量方程的应用第三章热力学第一定律第一节热力学第一定律的实质88TheStoryofHeatHeatwasoncethoughttobeafluidcalled“caloric”JamesJouleprovedthatheatwasaformofenergyinthe18thcenturyTheStoryofHeatHeatwasonce89HeatisEnergyTemperatureofthewaterrisesifeither:heatisaddedworkisdoneSinceworkisenergy,heatmustbeenergyaswellHeatisEnergyTemperatureoft90实质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用

18世纪初，工业革命，热效率只有1%

1842年，J.R.Mayer阐述热一律，但没有引起重视

1840-1849年，Joule用多种实验的一致性证明热一律，于1850年发表并得到公认§2-1热力学第一定律的实质实质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用18世纪初，工91热力学第一定律的普遍表达式进入系统的能量

-离开系统的能量

=系统能量贮存的变化适用于任何过程任何热力系能量：传递中的能量---功和热量----过程量储存的能量----内部和外部状态参数决定---状态量热力学第一定律的普遍表达式进入系统的能量-离开系统的能量92闭口系循环的热一律表达式要想得到功，必须花费热能或其它能量热一律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”闭口系循环的热一律表达式要想得到功，必须花费热能或其它能量热93内动能（分子平移，旋转，振动）内位能（分子间力）化学能（维持一定的分子结构）原子能（原子核内部）§2-2热力学能和总能热力学能的组成：如果无化学反应，无核反应，热力学能＝内动能＋内位能物质内部拥有的能量称为热力学能内动能（分子平移，旋转，振动）§2-2热力学能和总能热力94热力学能的导出（I）闭口系循环热力学能的导出（I）闭口系循环95热力学能的导出（II）对于循环1a2c1对于循环1b2c1状态参数pV12abc热力学能的导出（II）对于循环1a2c1对于循环1b2c1状96热力学能U的物理意义dU

=

Q

-

WWQ

dU代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。

U

代表储存于系统内部的能量

内储存能（内能、热力学能）热力学能U的物理意义dU=Q-WW97热力学能及闭口系热一律表达式定义

dU=

Q

-

W

内能U

状态函数Q=

dU

+

WQ=

U

+

W闭口系热一律表达式！！！两种特例

绝功系

Q

=

dU

绝热系

W

=-

dU热力学能及闭口系热一律表达式定义dU=98热力学能的性质分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）核能化学能热力学能热力学能是状态量U:

广延参数[kJ]

u:

比参数[kJ/kg]热力学能总以相对量出现，热力学能零点人为定说明：热力学能的性质分子动能（移动、转动、振动）热力学能热力99系统总能外部储存能宏观动能Ek=mc2/2宏观位能Ep=mgz机械能系统总能E=

U

+

Ek+Epe=

u

+ek+

ep系统总能外部储存能宏观动能Ek=mc2/2机械能系100§2-3能量的传递和转化一、能量传递的两种方式■作功伴随着能量形态的变化物体的宏观位移热能变机械能的过程：⑴热力学的⑵单纯机械的燃气进口排入大气§2-3能量的传递和转化一、能量传递的两种方式■作功伴随101TheareaunderthecurveistheworkTheareaunderthecurveisth102TheworkdependsontheprocesspathTheworkdependsontheproces103作功的说明“作功”是系统与外界间的一种相互作用，是越过系统边界的能量交换。功是指作功过程中在传递着的能量的总称，过程一旦结束就再无所谓功。机械能与机械功、电能与电功等同吗？系统可以拥有电能，机械能，但决不会拥有电功、机械功之类的功。功只不过是特定条件下在过程中传递着的能量。系统是否作功应以过程在外界所引起的效果来判断，而不应从系统的内部去寻找依据，对系统的内部来说无所谓“功”。功是有序能量传递。作功的说明“作功”是系统与外界间的一种相互作用，是越过系统边104过程功和有用功的概念过程功：按照系统在热力过程中的状态变化而应该作出的功。系统的过程功中通常可以区分为有用功和无用功的两个部分。对大气所作的任何功是无用的，克服摩擦所作的功都转变为热量，因而也是无用的。像设备从转轴上传出的轴功，提升重物所作的机械功，以及工质本身的宏观动能和重力位能的增加（可以利用相关机械设备进一步使之转变为轴功等机械功）都属于系统所作的有用功。有用功：技术上有用的，可以输给功源的功。功源：一种可以向热力系作功或从热力系统接受功的外界物体或装置。例题（习题1－13）过程功和有用功的概念过程功：按照系统在热力过程中的状态变化而105传热系统与外界间的另一种相互作用，是系统与外界间依靠温差进行的一种能量传递现象，所传递的能量称为热量。热能和热量不是同一个概念温差虽然是传热过程的推动势差，但是系统温度的变化与传热并无必然的联系。温度变化说明系统的状态有了变化但不能由此判断出系统是否曾经吸热或放热热能是微观粒子无序紊乱运动的能量热量的正负规定：系统从外界吸热为正；向外界放热为负not传热系统与外界间的另一种相互作用，是系统与外界间依靠温差进行106可逆过程的热量计算利用熵参数进行热量计算熵的定义式J/K或J/(kg.K）可逆过程的热量可如下计算可逆过程的热量计算利用熵参数进行热量计算熵的定义式J/K或J107§2-4热一律的基本能量方程式热一律:能量守恒与转换定律进入系统的能量

-

离开系统的能量

=系统内部储存能量的变化热一律的文字表达式:§2-4热一律的基本能量方程式热一律:能量守恒与转换定律108闭口系能量方程WQ一般式Q

=dU

+

W(输入)（贮增）（输出）

Q

=U

+

Wq

=

du

+

w

q

=

u

+

w单位工质适用条件：1）任何工质

2)任何过程闭口系能量方程WQ一般式Q=dU+Wq109闭口系能量方程中的功功（

w）

是广义功

闭口系与外界交换的功量q

=du

+

w准静态容积变化功

pdv拉伸功

w拉伸=-dl表面张力功

w表面张力=-

dAw

=

pdv

-

dl

-

dA

+…...闭口系能量方程中的功功（w）是广义功q=du110简单可压缩物质控制质量可逆过程能量方程简单可压缩系的可逆过程仅存在容积功w=pdv简单可压缩系可逆过程q=Tdsq

=

du

+

pdv

q

=u

+

pdv热一律解析式之一Tds=du+pdv

Tds=u+pdv热力学恒等式简单可压缩物质控制质量可逆过程能量方程简单可压缩系的可逆过程111【例2-1】

如图所示，闭口系内的一定量气体由状态1经1a2变化至状态2，吸热70kJ，同时对外做功25kJ，，试问：（1）工质若由1经1b2变化到2时，吸热为90kJ，则对外做功是多少？（2）若外界对气体做功30kJ，迫使它从状态2经2c1返回到状态1，则此返回过程是吸热过程还是放热过程？其值为多少？【例2-1】如图所示，闭口系内的一定量气体由状态1经1a2112【例2-1】

解

（1）热力系经历1a2过程后，吸热Q=70kJ，对外做功W=25kJ，

因热力学能是状态参数，其变化量只与工质的初、终态有关。所以

已知热力系经历1b2过程后，吸热Q=90kJ，

【例2-1】解（1）热力系经历1a2过程后，吸热Q=7113【例2-1】

（2）热力系由2变化到1，其热力学能的变化量

外界对气体做功

热量为负值，表示该过程为放热过程。

【例2-1】（2）热力系由2变化到1，其热力学能的变化量114§2-5开口系能量方程问题的简化：假定控制容积形状、大小、空间位置均不随时间改变。——因而统计系统的总能时，不考虑系统整体的外观能量，但要计及流体的流动动能，重力位能以及热力学能。系统除与外界有物质流交换，在没有质量流穿越的边界上还可以有传热和作功的相互作用。——虽然假定系统边界不能移动，但是系统可以通过转轮转轴与外界交换轴功。——系统进出口界面上没有热量和功的交换。假定进、出口截面上存在局部平衡。——可以用流体在进入或离开系统的状态参数作为流体在进、出口界面的参数。假定流动为一元流动——仅在沿流动的方向上才有参数的变化。§2-5开口系能量方程问题的简化：115开口系能量方程推导WnetQminmoutuinuoutgzingzout能量守恒原则进入系统的能量

-离开系统的能量

=系统储存能量的变化开口系能量方程推导WnetQminmoutuinuo116推进功的引入WnetQminmoutuinuoutgzingzoutQ

+

min(u

+

c2/2

+gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wnet

=

dEcv这个结果与实验不符少了推进功推进功的引入WnetQminmoutuinuoutg117FlowWorkIttakesworktopushafluidintoasystemIttakesworktopushafluidoutofasystemFlowWork118F=PAWflow=FL=PAL=PVF=PAWflow=FL=PAL=PV119推进功的表达式推进功、推出功Adl

W推进=

Pin

Ain

dl

=

PinVin

w推进=

pinvin注意：不是

pdv

v没有变化pin同理

W推出=

Pout

Vout

w推出=

poutvout推进功的表达式推进功、推出功AdlW推进=PinAin120流动功的定义流动功定义为开口系统的推出功与推进功之差

是系统为维持工质流动所需的功

P1,v1P2,v21122流动功的定义流动功定义为开口系统的推出功与推进功之差P1,121对推进功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、w推＝pv与所处状态有关，是状态量4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界做出，流动工质所携带的能量可理解为：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能量对推进功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在2、122开口系能量方程WnetQpvinmoutuinuoutgzingzout

Q

+

min(u

+

c2/2+gz)in-

mout(u

+

c2/2+gz)out

-

Wnet

=

dEcvminpvout开口系能量方程WnetQpvinmoutuinuout123开口系能量方程微分式Q

+

min(u

+

pv+c2/2+gz)in-

Wnet

-

mout(u

+

pv+c2/2+gz)out

=

dEcv工程上常用流率开口系能量方程微分式Q+min(u+pv+c2124开口系能量方程微分式(Cont.)当有多条进出口：流动时，总一起存在开口系能量方程微分式(Cont.)当有多条进出口：流动时，总125焓的引入定义：焓

h

=u

+

pvhh开口系能量方程焓的引入定义：焓h=u+pvhh开口126焓（Enthalpy)

的说明

定义：h

=

u

+

pv

[kJ/kg]H

=

U

+

pV

[kJ]1、焓是状态量（以相对值给定）2、H为广延参数

H=U+pV=

m(u+pv)=mh

h为比参数3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功)

对静止工质，焓不代表能量4、物理意义：开口系中随工质流动而迁移的、取决

于热力状态的能量。焓（Enthalpy)的说明定义：h=u+pv127例2-6（习题2-12）一刚性绝热容器，容积V=0.028m3，原先装有压力为0.1MPa、温度为21℃的空气。现将连接此容器与输气管道的阀门打开，向容器内充气。设输气管道内气体的状态参数保持不变：P=0.7MPa，t=21℃。当容器中压力达到0.2MPa时阀门关闭，求容器内气体可能达到的最高温度。设空气可视为理想气体，其热力学能与温度的关系为u=0.72T(T—K，u—kJ/kg)；焓与温度的关系为h=1.005T(T—K，u—kJ/kg)。例2-6（习题2-12）一刚性绝热容器，容积V=0.128解：取容器内空间为系统(CV)。此系统无出流，不作轴功。忽略不计空气流的动能和重力位能。容器内气体时刻处于平衡按题给及假定有：δQ=0；mgz=0½mc2=0；δ

Wshaft=0；由系统不作宏观运动dECV=dU=d(mu)解：取容器内空间为系统(CV)。此系统无出流，不作轴功。忽略129由有即d(mu)=[(h)δ

m]in系统无出流,流入质量δ

min=系统质量增量dm因此d(mu)=hindm积分，有m2u2-m1u1=hin(m2-m1)00000∥dU由有即d(mu)=[(h)δm]in系统无出流,流入质量130代入已知关系，有式中Tin=T1故有解得气体达到平衡时的温度T2=342.43K=69.43℃代入已知关系，有式中Tin=T1故有解得气体达到平衡时131稳态稳流能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout稳态稳流条件SteadyStateSteadyFlow(SSSF)1、2、3、轴功Shaftwork每截面状态不变4、稳态稳流能量方程WnetQminmoutuinuou132稳态稳流的定义当流动系统中（包括进、出口截面上）各点的热力学状态及流动情况（流速、流向）不随时间变化时，称系统处于稳态稳流1、系统各截面状态参数不随时间变化2、系统与外界的能量交换不随时间变化3、系统自身能量贮存与质量贮存不随时间变化稳态稳流的定义当流动系统中（包括进、出口截面上）各点的热力学133稳态稳流能量方程的推导稳态稳流条件0稳态稳流能量方程的推导稳态稳流条件0134稳定流动能量方程的推导(Cont.)1kg工质稳定流动能量方程的推导(Cont.)1kg工质135稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程136稳定流动能量方程分析宏观运动的机械能过程中消失的热能控制容积中的能量转换关系稳定流动能量方程分析宏观运动的机械能过程中消失的热能控制容积137稳定流动能量方程分析技术功wt稳定流动能量方程分析技术功wt138能量转换关系分析（I）稳流开口系闭口系两种过程中消失了的热能数量上都等于（q－u）任何情况下，热力过程造成的热变功效果只是（q－u），即过程功工质的过程功是热变功的根源能量转换关系分析（I）稳流开口系闭口系两种过程中消失了的热能139稳流开口与闭口的能量方程容积变化功w技术功wt闭口稳流开口等价轴功ws推进功(pv)几种功的关系？稳流开口与闭口的能量方程容积变化功w技术功wt闭口稳流开口等140几种功的关系wwt△(pv)c2/2wsg△z做功的根源ws几种功的关系wwt△(pv)c2/2wsg△z做功的根源ws141简单可压缩系可逆过程的技术功可逆简单可压缩系可逆过程热一律解析式之一热一律解析式之二简单可压缩系可逆过程的技术功可逆简单可压缩系可逆过程热一律解142技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示143例题2-2气缸内储有完全不可压缩的流体，气缸的一端被封闭，另一端是活塞。气缸是绝热静止的。试问：(1)活塞能否对流体做功？(2)流体的压力会改变吗？(3)若使用某种方法把流体压力从0.2MPa提高到4MPa，热力学能有无变化？焓有无变化？例题2-2气缸内储有完全不可压缩的流体，气缸的一端被封闭，另144例题2-2解：(1)气缸活塞是闭口系统，由于流体不可压缩，流体的体积不会变化，因此流体的体积变化功为零，活塞不能对流体做功。（2）流体的压力应与外力时时相等，因而当活塞上的作用力改变时，流体的压力也随之改变。（3）根据已知条件，气缸活塞系统与外界无热交换，Q＝0，又W＝0，由能量方程知∆U＝0，故流体热力学能无变化。焓H＝U＋pV，当U，V不变，p提高时，H应增大。例题2-2解：(1)气缸活塞是闭口系统，由于流体不可压缩，流145§

2-6稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略动、位能变化例：c1=1

m/sc2=30

m/s

(c22-c12)/

2=0.449

kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0

oC水的

h1=84kJ/kg100oC水蒸气的

h2=2676kJ/kg§2-6稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略146例1：透平(Turbine)机械火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站燃气轮机蒸汽轮机例1：透平(Turbine)机械火力发电飞机发动机燃气轮机蒸147透平(Turbine)机械1)体积不大2）流量大3）保温层q

0ws

=

-△h

=

h1-

h2>0输出的轴功是靠焓降转变的透平(Turbine)机械1)体积不大2）流量大3）保温层148例2：压缩机械火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站