第二章热力学第一定律

第二章

热力学第一定律TheFirstLawofThermodynamics§2-1热力学第一定律的本质§2-2系统总能和热力学能§2-3闭口系能量方程§2-4开口系能量方程§2-5

稳定流动能量方程§2-6稳定流动能量方程应用举例本章主要内容§2-1热力学第一定律的本质1.能量转换守恒定律自然界中一切物质都具有能量，能量既不可能被创造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变为另一种形式，在转换中能量的总量恒定不变。2.热力学第一定律的表述实质：能量守恒与转换定律在研究与热能相关的能量传递与转换中的应用=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-3.热一律意义确定了能量传递与转换的数量关系，肯定了热能与其它能量之间所存在的共同性质，即热也是一种能量，也是一种物质运动的形式。

1909年，C.Caratheodory最后完善热一律

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§2-2热力学能和总能热力学能（内部储存能）1.定义系统内部微观粒子热运动具有的能量的总和2.构成Uk内动能Up内位能化学能原子能热力学能移动translation转动rotation振动vibrationU=Uk+Up热力学能的说明热力学能是状态量

仅取决于初、终状态,而与路无关U:

广延参数[kJ]

u

:

比参数[kJ/kg]U=Uk+Up=f1(T)+f2(V)=f(T,V)系统总能：外部储存能和内部储存能宏观动能Ek=mc2/2宏观位能Ep=mgz机械能系统总能外部储存能内部储存能－热力学能U宏观动能宏观位能内动能内位能E

=

U

+

Ek

+Epe

=

u

+ek

+

ep一般与系统同坐标，常用U,dU,u,du宏观动能与内动能的区别E

=

U

+

mc2/2

+mgze

=

u+c2/2

+gz能量的转换和传递在温差推动下，系统与外界借助于微观的无序运动传递的能量在压力推动下，系统与外界借助于宏观的有序运动传递的能量温差力差微观无序宏观有序能量形态不变能量形态发生变化过程量过程量放热-，吸热+对外做功+，耗功-热量各种功re1.容积变化功W2.轴功WS:通过叶轮机械的轴输出与输入的功。3.流动功Wf:维持流动所需的功。CVFvpm0011流动功和推动功推动功：dx系统引进或排除工质传递的能量CVFvpm11流动功和推动功流动功：维持系统流动所需要的功22对推动功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在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（泵与风机）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使所携带和所传递的一种能量§2-3闭口系能量方程方程的推导WQ取工质为系统－闭口系=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-工质的宏观动能和位能的变化可忽略不计初态：热力学能U1终态：热力学能U2Q

=dU

+

W

Q

=U

+

WQ-W=dU=U2-U1式中各项均为代数值，适用于闭口系统各种能量交换过程。对于任意过程(可逆过程或不可逆过程)、任意工质都适用注意闭口系统能量方程常用形式单位质量工质q

=u

+

wq

=du+

w可逆过程q

=du+

pdvq

=u

+

∫1

pdv2闭口系循环的热一律表达式要想得到功，必须化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”门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为系统

绝热闭口系闭口系能量方程T电冰箱RefrigeratorIcebox门窗紧闭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QAir-conditioner§

2-4开口系能量方程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的推导WnetQpvinmoutuinuoutgzingzoutQ

+

min(u

+

c2/2

+

gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wnet

=

dUcvminpvout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

=

dUcv工程上常用流率U当有多条进出口：流动时，总一起存在U焓Enthalpy的引入定义：焓

h

=u

+

pv开口系能量方程Uhh焓Enthalpy的

说明

定义：h

=

u

+

pv[kJ/kg]

H

=

U

+

pV

[kJ]1、焓是状态量stateproperty3、H为广延参数

H=U+pV=

m(u+pv)=mhh为比参数4、对流动工质，焓代表能量(热力学能+推动功)

对静止工质，焓不代表能量2、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决

于热力状态的能量。

焓并不能看作是工质储存的能量，而是随工质流动跨越边界而转移的能量。热力学能则是工质内部储存能量的唯一形式。§2-5

稳定流动能量方程稳定流动定义：是指系统（内部及边界）各点工质的所有热力参数及运动参数都不随时间而变化的流动。任一截面参数不随时间变化条件任一截面的质量流量均相同与外界交换的功和热量不随时间min轴功WsQmoutuinuoutgzingzout稳定流动条件开口系统能量方程1kg工质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技术功Wt

动能差 工程技术上可以直接利用轴功机械能势能差单位质量工质的开口与闭口wsq稳流开口系闭口系(1kg)容积变化功等价技术功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流动功(pv)几种功的关系？几种功的关系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws对功的小结2、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准平衡下的技术功准平衡准平衡热一律解析式之一热一律解析式之二技术功在示功图上的表示第一定律的表达式：基本形式re微元形式re流率形式例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机蒸汽轮机Steamturbine§2-6稳定流动能量方程应用举例透平(Turbine)机械与外界存在功量交换。有散热，q为负，相对于功量散热量≈0。宏观动能和位能的变化可忽略：ws

=-△h=

h1-

h2>0输入的轴功转变为焓升000例2：压缩机械Compressor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压缩机械ws

=-△h

=

h1-

h2<0输入的轴功转变为焓升水泵例题：某一蒸汽轮机，进口蒸汽：P1=9.0MPa,t1=500oC,h1=3386.8kJ/kgcf1=50m/s;出口蒸汽参数为：P2=4kPa,h2=2226.9kJ/kg,cf2=140m/s,进出口高度差为12m，每kg蒸汽经蒸汽轮机散热损失为15kJ。试求：（1）单位质量蒸汽流经汽轮机对外输出功；（2）不计进出口动能的变化，对输出功的影响；（3）不计进出口位能差，对输出功的影响；（4）不计散热损失，对输出功的影响；（5）若蒸汽流量为220t/h，汽轮机功率有多大？已知：P1=9.0MPa，t1=500oC,，h1=3386.8kJ/kg，cf1=50m/s;

P2=4kPa,h2=2226.9kJ/kg,cf2=140m/sq=-15kJ/kg，∆z=12m解：（1）选汽轮机为热力系，由稳定流动能量方程：第（2）~（4），实际上计算是不计动、位能差以及散热损失时，、所得轴功的相对偏差（2）（3）（4）（5）例3：换热设备HeatExchangers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、冷凝器换热设备冷热流体的热量交换，仅交换热量而无功量交换，忽略宏观动能和位能的变化：对冷流体或热流体分析可得：焓变锅炉1kg蒸汽的吸热量：q=h2-h1>0换热器1kg蒸汽的放热量：q=h2-h1<0例4：绝热节流ThrottlingValves管道阀门制冷空调膨胀阀h1h2绝热节流h1h2冷工质流经阀门时，流动截面突然收缩，由于存在流动阻力会造成流体压力降低的现象。节流是不可逆过程。离阀门不远的两个截面的流动可用稳定流动的能量方程式。流动可以看作是绝热的q=0，不对外做工WS=0，忽略动、位能的变化例5：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，不能忽略充气问题解：取A为CV——容器刚性绝热忽略动能差及位能差，则

若容器A为刚性绝热,初态为真空，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dUCV由或流入：hinδmin

流出：0热力学能增：uδm故讨论：1）非稳态流动问题可用一般能量方程式也可用基本原则。在一些条件下，后者常更方便。2）能量方程中若流体流出、入系统，物质能量用h，若不流动用u。3）是推动功转换成热力学能—即使向真空系统输送，也需要推动功！例题：某燃气轮机装置如图所示，空气首先进入压气机，压缩到一定的压力后进入燃烧室，这是燃油喷入和空气混合燃烧产生高温高压燃气，然后进入喷管绝热膨胀，p上升v下降，告诉气流再冲击叶片，带动叶轮旋转做功，做功后的乏汽排入大气。燃烧室喷管叶轮压气机燃烧室喷管叶轮压气机已知：h1=290kJ/kg，cf1=0；h2=580kJ/kg，cf2=20m/s；cf3=0q=670kJ/kgh1=290kJ/kgcf1=0h2=580kJ/kgcf2=20m/s12345cf3=0h4=800kJ/kg；h4=h5，cf5=100m/s；h4=800kJ/kgh4=h5cf5=100m/s求：（1）cf4=？（2）压气机所耗的功ws，C燃气轮机所耗的功ws，T（3）若空气流量qm=100kg/s,

求装置的总功率燃烧室喷管叶轮