工程热力学第2章

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第二章热力学第一定律

Firstlawofthermodynamics2–1热力学第一定律的实质2-2热力学能（内能）和总能2–5热力学第一定律的基本能量方程式2–4焓2–6开口系能量方程2–7能量方程式的应用2–3能量的传递和转换2第四次课第二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换第四节焓3本章要求本章基本要求深刻理解热量、储存能、功的概念，深刻理解内能、焓的物理意义.理解膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的联系与区别.本章重点熟练应用热力学第一定律解决具体问题.42–1

热力学第一定律的实质一、第一定律的实质：

能量守恒与转换定律在热现象中的应用。二、第一定律的表述：第一定律的表述：

热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。能量守恒与转换定律：

是一切物质具有能量，能量有各种不同的形式，它既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个系统转移到另外一个系统。在能量转化和转移过程中，其总量保持不变。5热一定律的文字表达式=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-Totalenergy

entering

thesystemTotalenergy

leaving

thesystemChangeinthetotalenergyofthesystem=-6热力学第一定律的基本表述

加入系统的能量总和－热力系统输出的能量总和=热力系总储存能的增量EE+dE流入：流出：内部贮能的增量：dE7或EE+dE82-2热力学能（内能）和总能分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）核能化学能一.热力学能（内能）(internalenergy)定义：以一定方式储存于热力系内部的各种微观能量。包括大量分子热运动的内动能和分子间相互作用形成的分子位能。9热力学能总以变化量Δu出现，测量

p、V、T

可求出Δu。说明：内能是状态量U:

广延参数

[kJ]

u:

比参数

[kJ/kg]内能总以变化量出现，内能零点人为规定。注意：对理想气体u=f(T)

10二.外部储存能

系统工质与外力场的相互作用所具有的能量如：重力位能以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量

如：宏观动能

组成11三、（热力系统）总能－总储存能

(totalstoredenergyofsystem)宏观动能

Ek=mc2/2宏观位能

Ep=mgz机械能外部储存能：总能热力学能，内部储存能外部储存能宏观动能宏观位能比总内能12

2-3能量的传递和转化

能量传递方式（闭口系）：作功和传热作功传热传递功（机械能）热量（热能）能量形式有能量形式的转化（热→机械能）无转化外界宏观位移有无共性均是过程量，非状态参数13功随物质传递的能量

热量外界热源外界功源外界质源系统系统与外界传递能量14一、热量

kJ

或kcal

且1kcal=4.1868kJ定义：在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。规定:特点:过程量，非状态参数：系统吸热，热量为正，系统放热，热量为负单位：15二、功量除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量。定义:单位：1J=1Nm膨胀功是热变功的必要途径1．膨胀功（容积功）W：在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。种类:规定:膨胀过程：系统对外作功，压缩过程：外界对系统作功为负，定容过程：外界对系统不作功，16膨胀功（容积功）学习的注意点：工质膨胀过程也可以没有功的输出气体膨胀时一定对外做功，这种说法是否正确，举例说明。（答案：P39）17轴功Ws(shaftwork):系统通过机械轴与外界传递的机械功。规定:系统输出轴功为正功，系统输入轴功为负功，18三、随物质传递的能量1．

流动工质

本身具有的能量2．流动功Wf和推动功：为推动流体通过控制体界面而传递的机械能.推动1kg工质进、出控制体时需功开口系统与外界物质传递能量形式：19

推动流体通过控制体界面而传递的机械功（为把工质移入具有一定压力的系统所需克服和消耗的能量）。3．流动功(或推动功)Wf：20

的工质，在压力的作用下，移动了距离，则外界对工质的推动功：11式中代表管道的截面积。所以：工质流入(带入)系统的推动功：(1)推动功同理：1kg工质流出(带出)系统的推动功:21流动功：流动过程中，系统与外界由于物质的流进和流出而传递的机械功，为推动功之差。(2)流动功Wf是为了维持流动，热力系需付出的机械能。22关于推动功的说明：可理解为：由于工质的流进、流出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质流进、流出系统使所携带和所传递的一种能量。在开口系统中，与宏观流动有关，流动停止，推动功不参与转换。作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化wf与所处状态有关，是状态量并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界（泵和风机）提供，由于工质流动而携带的能量，单纯的机械能传递23定义：对于可逆过程，由于：则有：四、技术功Wt（开口系统）（Technical）工程技术上可以直接利用的功（Wt），即开口系统与外界交换的总功量。技术功=膨胀功-流动功正负号规定：24示功图技术功的物理意义：p-v图上过程线与P轴围成的面积。25技术功在示功图上的表示262-4焓

(Enthalpy)定义：焓=内能+推动功

H=U+pV

h=u+pv单位：

J（kJ）J/kg（kJ/kg）焓是状态参数。特别的对理想气体

h=f(T)

物理意义：引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。1．对流动工质(开口系统)，表示沿流动方向传递的总能量中，取决于热力状态的那部分能量。2

对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合状态参数。27作业：思考题P56,NO.2-1，NO.2-428第五次课第二章热力学第一定律第五节热力学第一定律的基本能量方程第六节开口系统能量方程式第七节能量方程式的应用29当动能和势能忽略不计：2–5热力学第一定律的基本能量方程式

闭口系统能量方程式

设系统吸收热量为Q，系统对外做功为W，而系统存储能变化为E＝E2-E1。根据热一定律文字表达式，则有302–5热力学第一定律的基本能量方程式

闭口系，

忽略宏观动能Uk和位能Up，第一定律第一解析式—功的基本表达式热31功（

wtot）

是广义功

闭口系与外界交换的功量准静态容积变化功

pdv拉伸功

w拉伸=-dl表面张力功

w表面张力=-dAwtot

=

pdv

-

dl-

dA

+…...32说明：4、热一律解析式之一3、对于微元可逆过程，由于2、对于单位工质1、一般表达式33焦耳定律：如果热力系经过一循环过程后回到原态。那么，在整个循环中，系统从外界吸收（或放出）的热量等于其对外完成（或获得）的功量。一般可写为闭口系统循环过程热力学第一定律的表达式。循环过程热力学第一定律的表达式34讨论：

1）对于可逆过程2）对于循环3）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W的“+”、“–”、数值大小。35

>0，表示热源对系统加热，系统吸热。

<0，表示系统向热源放热，系统放热。

>0，表示系统热力学能增加。

<0，表示系统热力学能减少。

>0，表示系统对外作功。

<0，表示功源对系统用功。注意，在应用上述公式时，使用代数值例：若在地球上研究飞行器：

q=de+w=du+dek+dep

+w

36例自由膨胀如图，解：取气体为热力系

—闭口系？开口系？强调：功是通过边界传递的能量。抽去隔板，求?例A4302661例A430377137归纳热力学解题思路1）取好热力系;从已知条件逐步推向目标；从目标反过来缺什么补什么；4）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手。3）两种解题思路2）计算初、终态;382–5开口系能量方程式能量守恒原理：进入控制体的能量

-离开控制体的能量

=控制体中储存能量的增量工程上的开口系统，通常选取控制体进行研究质量守恒原理：进入控制体的质量

-离开控制体的质量

=控制体中质量的增量一.开口系能量方程式391122211基准面界面40控制体能量变化内部储存能41（1）获得能量控制体能量收支（3）在到＋d时间内，系统储存能改变量（2）失去能量42说明：热力学第一定律的普遍关系式。适用于：任何工质流动（稳定/不稳定），任何过程。由热力学第一定律能量方程:开口系统能量方程式的一般表达式整理得:式（2-18）43SteadyStateSteadyFlow(SSSF)二开口系统稳态稳流能量方程稳定流动特征：1）各截面上参数不随时间变化。2）ΔECV=0，ΔSCV=0，ΔmCV

=0ּ···

1kg工质：适用于：稳态稳流各种热力过程。(2-21)44稳态稳流能量方程式分析：

1、如果引用技术功于是，开口系统稳态稳流能量方程可改写为：453、热力学第一定律的第二解析式：条件：适合于开口系统的任意工质、可逆过程条件：适合于开口系统的任意工质、任何过程46小结：几种功的关系472、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功wwswt特别提示：482-7稳态稳流能量方程式的应用1.动力机（蒸汽轮机、气轮机）(steamturbine、gasturbine)

流进系统：

流出系统：内部储能增量：049汽轮机中所作的轴功等于工质的焓降。一、动力机12ws稳态稳流能量方程：502.压气机，水泵类(compressor，pump)流入流出内部贮能增量051二、压气机

（Compressor）消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备。包括水泵，压缩机等。压气机绝热压缩消耗的轴功等于压缩气体焓的增加。52热流体冷流体h1h2h1′h2′3.换热器（锅炉、加热器等）(heatexchanger:boiler、heateretc.)533.换热器（锅炉、加热器等）(heatexchanger:boiler、heateretc.)54

流入：流出：内增：0若忽略动能差、位能差55四、喷管（Nozzles）喷管是一种使气流加速的设备。如飞机发动机。喷管目的：压力降低，速度提高.动能的增量等于工质的焓降56五、流体的混合两股流体混合。混合室57五、绝热节流（ThrottlingValves）节流：流体在管内流动，遇到突然变窄的断面，由于存在阻力使流体压力降低的现象，如管道阀门。h1h2取节流前、后稳定段位界面构成控制体。注意：绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等58例1：活塞m=10kg，面积A＝10cm2，活塞上部与大气相通，气缸内气体初始容积V1=40cm3，P1=1MPa，气缸总容积V=80cm3。问：若气体受热膨胀，活塞在气缸中无摩擦上升，则活塞离开气缸时的速度为多少？假设气体上升过程中温度保持不变。分析：气体在膨胀过程中，通过气缸对外界做功量为此功用于（1）克服大气压力做功；（2）增加活塞动能；（3）增加活塞势能。59即而开始时活塞被固定，初始速度为0则60例2-2：新汽进入汽轮机，已知进口参数：=3232kJ/kg=50m/s=2302kJ/kg=120m/s每小时蒸汽流量m=104kg/h求:(1)每千克蒸汽对外界所做的功Wsh；（2）若忽略进出口动能差，估计wsh产生的误差；（3）求功率N解：根据开口系统能量方程根据题意乏汽出口参数：61=930－5.95=924.05kJ/kg工质每小时作功

kJ/h62（3）汽轮机的功率为(2)进出口动能差若忽略进出口动能差，计算误差为63例3：压气机压缩空气，压缩前，空气参数为和；压缩后空气为和。压缩过程中，每千克空气的内能增加了146.5KJ；同时对外放热50KJ。若压气机每分钟产气10kg，求:(1)压缩过程中，每千克空气所做的功？(2)每生产1kg压缩空气所需的轴功？（3）带动此压气机所需的功率64分析：（1）应用闭口系统热力学第一定律，有负号表示外界对气体做功（2）流动功于是，（3）功率65例4：

气流以通过的管道进入发动机，进口处参数；；。出口处。若忽略流体动能及位能的变化，求发动机输出的功率（设过程绝热）。分析：过程绝热热力发动机：功率：其中：其中：66由于：得：最后得：67作业P56思考题2-5P57习题：NO.2-4NO.2-13NO.2-18682–5开口系能量方程式一、推动功(flowwork;flowenergy)和流动功(flowwork;flowenergy)推动功：系统引进或排出工质传递的功量。pvp1v11o69流动功：系统维持流动所花费的代价。推动功在p-v图上：70三、稳定流动能量方程(