工程热力学第三章

工程热力学热力学第一定律热力学第一定律热力学能和总能

闭口系统能量方程

开口系统能量方程

开口系统稳态稳流能量方程

524136系统与外界传递的能量稳态温流能量方程的应用

热力学第一定律热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学上的应用，确定了热能和机械能之间相互转换的数量关系能量既不能被创造，也不能被消灭，它只能从一种形式转换成另一种形式，或从一个系统转移到另一个系统，而其总量保持恒定

热力学第一定律：热能和机械能在转移或转换时，能量的总量必定守恒。热

相应量第一类永动机：不消耗能量而连续作功的设备功本章教学大纲借助于工质的热力性质数据、公式、及图表，求解能量方程根据需要解决的问题，恰当地选取热力系统根据能量守恒定律建立能量方程理解和掌握热力学第一定律基本表达式——基本能量方程仔细分析系统内部与外界传递的能量掌握能量方程的内在联系与共性，热变功的实质教学目标掌握热力学第一定律的内容和实质，能将工程实际问题建立热力学模型。知识点要求掌握理解和掌握闭口系、开口系和稳定流动能量方程及其常用的简化形式第一节：热力学能和总能

取决于系统工质与外力场的相互作用（如重力位能）及以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量（宏观动能）——外储存能

取决于系统本身（内部）的状态，它与系统内工质的分子结构及微观运动形式有关——热力学能（也称为内能、又称内储存能）一般而言，气体内部所具有的分子动能与分子位能的总和分子直线运动的动能分子旋转运动的动能分子内部原子和电子的振动能分子位能与温度高低有关维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子能及电磁场作用下的电磁能等一、热力学能（内能）

热力学能比热力学能符号：Uu单位：焦耳（J）J/kg

千焦(kJ)kJ/kg热力学能是工质的状态参数，完全取决于工质的初态和终态，与过程的途径无关。气体的热力学能是其温度和比体积的函数内动能→温度内位能→比体积理想气体热力学能只是温度的单值函数c和z是独立于热力系统内部状态的外参数！z—为相对高度，重点关注高度相对变化宏观动能重力位能二、外部储存能系统总能(E)=内储存能(U)+外储存能(Ek+Ep)比储存能为状态参数！对于没有宏观运动且相对高度为零的系统，总储存能就等于热力学能三、系统的总能比储存能为状态参数！存储能以变化量出现，零点由人为设定！对于没有宏观运动且相对高度为零的系统，总储存能就等于热力学能

系统总能总结：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传热和做功是能量转递的两种方式第二节系统与外界传递的能量一、热量热量学中的定义：在温差作用下系统与外界之间传递的能量称为热量热量一旦经界面传入系统，就变成了系统的储存能的一部分热量不是状态参数，是与过程特征有关的过程量热量热能热力学定义：系统除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界之间传递的能量形式多样：电功、磁功、机械拉伸功、弹性变形功、表面张力功和膨胀功、轴功膨胀功是热力学能转换为功的必要途径二、功量在压力差作用下，由于系统工质容积发生变化而传递的机械功闭口系统膨胀功通过系统界面传递开口系统的膨胀功仍然是热转变为功的必要条件，可通过其它形式（如轴）传递容积变化是做膨胀功的必要条件，而不是充分必要条件做膨胀功，除工质的容积变化外，还应当有功的传递和接收机构膨胀功是与过程特性有关的过程量1.膨胀功w（容积功）2.轴功ws系统通过机械轴与外界传递的机械功闭口系统开口系统汽轮机内燃机风机压气机1.刚性闭口系统不能向外界输出膨胀功：无体积膨胀！2.轴功可来源于能量转换，也可源于机械能的直接转递！做功与传热系统吸收热量为正，系统放出热量为负系统对外做功为正，外界对系统做功为负单位：1kCal=4.1868kJ做功和物体的宏观位移有关，做功过程往往伴随着能量形态的变化热量传递不需要宏观的位移，但是需要温差三、随物质流传递的能量流动工质本身具有的热力学能、宏观动能和重力位能为推动流体通过控制体界面而传递的机械功——推动功推动功（流动功）功的形式除了膨胀功或压缩功这类与系统的界面移动有关的功外，还有因工质在开口系统中流动而传递的功——推动功不是

pdv，v

没有变化推动功示意图在作推动功时，工质的状态没有改变，因此，推动功不会来自系统的存储能－热力学能。传递给活塞的能量从别处传来，例如在后方某处有另外一个活塞在推动工质使它流动。推动功差wf=p2v2-p1v1是系统为维持开口系统工质流动所需要付出的代价，称为净流动功

作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在流动功是一种特殊的功，其数值取决于控制体进出口界面工质的热力状态，与热力过程无关并非工质本身的能量（如动能，位能）引起的，而由外界做出，工质流动携带的能量一旦流体跨越了界面，对已经跨越界面的这部分流体来说，流动功这种能量形式就不复存在了，转化成了流动工质的能流流动功的说明随物质流传递的能量(J)(J/kg)开口系统取决于工质热力状态的能量四、焓及其物理意义引入新的物理量——焓焓是状态参数焓是工质的状态参数单位：J，比焓的单位J/kg对于理想气体同热力学能一样，理想气体的焓h仅是温度的单值函数焓的物理意义对于流动工质，焓=热力学能+流动功，即焓具有能量意义，表示流动工质向流动前方传递的总能量（共四项）中取决于热力状态的那部分能量对于不流动工质（闭口系统），焓仅是一个复合状态参数，没有明确的物理意义输入系统的能量-输出系统的能量=系统总储存能量的变化能量平衡关系式：闭口系：系统与外界没有物质交换，传递能量只有热量和功量两种形式。在热力过程中（如图）系统从外界热源取得热量Q；对外界做膨胀功W；第三节闭口系统能量方程对于不做整体移动的闭口系，系统宏观动能和位能均无变化，有：对于微元过程，有：对于单位质量工质，有：各项正负号的规定：吸热和对外作功为正，

放热和外界对系统作功为负热力系吸收的能量热能转变为机械能的根本途径增加系统的热力学能对外膨胀作功热力学第一定律适用于可逆过程与不可逆过程；理想气体和实际气体对可逆过程闭口系统能量方程反映了热功转换的实质，是热力学第一定律的基本方程式，在用于物质的能量转换过程时，也适用于开口系统有限过程微元过程二、热力学第一定律在循环过程中的应用循环：净热量＝净功不消耗能量而能够连续不断地对外做功是不可能的！三、理想气体热力学能变化计算对理想气体定容过程，对外不做

膨胀功！定值比热容平均比热容由理想气体组成的混合气体的热力学能等于各组成气体热力学能之和混合气体的热力学能是温度和气体成分的函数工质膨胀是否一定对外作功？向真空膨胀，自由膨胀定容过程是否一定不作功？开口系，技术功定温过程是否一定不传热？相变过程（冰融化，水汽化）水轮机思考？门窗紧闭的房间用空调降温以房间为系统

闭口系闭口系能量方程T空调Q门窗紧闭的房间用冰箱降温电冰箱以房间为系统

绝热闭口系闭口系能量方程T第四节开口系统能量方程质量守恒原理能量守恒原理控制容积分析法分析时，认为同一截面上参数相同进入控制体的能量离开控制体的能量控制体储存能变化对不稳定流动和稳态稳流，可逆与不可逆过程都适用，也能适用于闭口系统（m1=m2=0）开口系统能量方程的其他形式多个进口和入口第五节开口系统稳态稳流能量方程一、稳态稳流能量方程表达式系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化——稳态稳流工况同一时间内进、出控制体界面及流过系统内任何断面的质量均相等同一时间内进入控制体的能量和离开控制体的能量相等，控制体内能量保持一定一个入口、一个出口二、技术功热力过程中可被直接利用来做功的能量技术上可以直接利用的功量，属于机械能稳态稳流能量方程可写成膨胀功等于技术功与净流动功的代数和对于稳态稳流的可逆过程技术功是过程量，取决于初终状态及过程特性如果不考虑工质动能和位能的变化，技术功等于轴功机械能守恒压力能动能势能伯努力方程机械能守恒三、理想气体焓变化计算对于定压过程对理想气体理想混合气体混合气体的焓是温度和气体成分的函数！技术功wt轴功ws流动功wf膨胀功w?如果不计动能和势能变化小结（一）wt△(pv)做功的根源wwsc2/2g△zw＝（p2v2-p1v1）+c2/2+gz+ws小结（二）闭口系统开口系统一般过程可逆过程小结（三）热力学第一定律在闭口系统的一般表达式热力学第一定律在开口系统的一般表达式稳态稳流能量方程小结（四）U与H的关系U——系统本身具有的内部能量H——开口系中随工质流动而携带的能量状态参数开口系能量方程的应用－充气问题充气过程：储气罐原有空气m0,u0输气管状态不变经时间充气，阀门关闭储气罐中气体mh、p、Tm0,u0充气问题假设：近似：1、在每一瞬时各处的参数是均匀一致的2、气体在入口处的状态是稳定的1、不计动能、位能变化2、系统绝热取系统：2）取最终罐中气体为系统4）取储气罐原有气体为系统3）取将进入储气罐的气体为系统1）取储气罐为系统开口系闭口系闭口系闭口系h、p、Tm0,u0解：1)取储气罐为系统(开口系)忽略动位能变化绝热无作功部件无离开气体h、p、T热力学能的增量充入的能量s经时间充气，积分：h是常数若充气前储气罐内是真空：u’=h充气后求终温：uꞌ=cvT’=h=cpTT’=cpT/cv=κT2）取最终罐中气体为系统(闭口系)hm0m-m0绝热m-m03）取将进入储气罐的气体为系统(闭口系)m0hm-m0m0与m-m0有温差传热Q1m-m0对m0作功W1??m-m04）取储气罐原有气体为系统(闭口系)m0hm-m0m0与m-m0有温差传热Q1’m0对m-m0作功W1’??两式相加: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√√充气终温的计算已知：空气、理气求：储气罐中气体终温m0=0h两种算法t=15℃℃K?充气终温的计算关键看u与h的零点是否相同m0=0ht=15℃℃K理想气体cvt’=cpt+273R第六节稳态稳流能量方程的应用锅炉汽轮机给水泵过热器压气机燃气轮机燃烧室空气废气热力学问题经常忽略动、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/kg20oC水蒸气的焓

=2537kJ/kg一、动力机利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备去凝汽器调速器来自锅炉喷管叶片汽轮机发电机二、压气机消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备电动机三、热交换器12流入流出焓变：冷流体吸热量等于

热流体放热量四、喷管一种使气流加速的设备喷管目的：压力降低，速度提高扩压管目的：速度降低，压力升高五、流体的混合六、绝热节流流体在管道内流动，遇到突然变窄的界面，由于存在阻力使流体压力降低的现象节流孔附近流速变化大