机械热力学第02章-第一定律1课件

第二章热力学第一定律thefirstlawofthermodynamics§2-1热力学第一定律的实质实质：能量守恒和转换定律在热现象中的应用。热力学第一定律是实践经验的总结。(不能从理论上证明)第一类永动机（不消耗能量而作功）是不可能造出来的。进入系统的能量—离开系统的能量=系统内部能量的增量一、热力学能（内能）Ｕ，u(internalenergy)定义：物体内部的能量。微观上，内能包括分子内动能（平动、转动、振动）分子内位能化学能核能本课程不涉及内能是状态参数，是两个独立状态参数的函数u=f(p,T)§2-2热力学能和总能热力系统总能宏观动能宏观位能热力学能单位：J，J/kg二、总能量（totalstoredenergyofsystem）总=内+动+势单位：J单位：J/kg§2-3能量的传递和转化能量传递的两种方式：作功：有宏观位移热传递：无宏观位移功和热的不同点和相同点：功和热均为系统和外界通过边界传递的能量，都是过程量；功的传递改变宏观运动状态，往往有能量形态的变化；热的传递改变微观的运动状态。介绍几种功：1.容积变化功，是容积变化产生的功；热能转变为机械能，只能通过容积变化（膨胀）功实现。膨胀是热变功的根本方式。（以后的讲解可以理解）⊿xp，v2.推动功(flowwork;flowenergy)：定义：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，vA推动功作用在质量m上。m被推入系统内，所以推动功随质量m一起进入系统。推动功的意义：工质m流入系统带入的功(外界对系统作功)；工质m流出系统带出的功(系统对外界作功)。3.流动功(flowwork;flowenergy)：入口1出口2意义：维持开系流动，工质所作的功；推动功只有在工质流动时才有，工质不流动时，pV不代表推动功出口和进口推动功之差便是流动功。4.技术功：式中：维持流动工质所作的功。可见：技术功=膨胀功-流动功，它是膨胀功的一部分。技术功的意义：是开系对外界作的功。这是因为：工质作功是膨胀功W，它一部份用于维持开系流动Wf,剩下的部分才是开系作的功。故：开系作的功，不是膨胀功，而是技术功。定义：工质由入口1流动到出口2所作的膨胀功；pV12bacd膨胀功：面积12ba1；技术功：面积12cd1。进一步分析：示功图：定义：h=u+pv；h:比焓单位：J/kgH=U+pV；H：焓单位：J1.焓是状态参数。2.焓的物理意义：随工质移动而转移的能量；或：流动工质携带的由热力状态决定的能量。因为：内能U和pV推动功都随m流动带走。流动工质携带的总能：工质宏观运动决定§2-4焓(enthalpy)

对系统，第一定律能量守恒关系为：进入系统的能量—离开系统的能量=系统内部能量的增量§2-5热力学第一定律的基本能量方程式适用范围：普遍适用，无附加条件理想气体一切工质实际气体可逆一切过程不可逆闭口一切系统开口一个抽象的闭系（代表各种具体情况）如图，经一个微元过程：QWΔU对于微元过程，

闭口系热力学第一定律的多种表达方式：功的基本表达式第一定律第一解析式—热适用范围：

理想气体一切工质实际气体可逆一切过程不可逆关于、、符号的约定热量：热力系吸热为正，Q>0；热力系放热为负，Q<0；功量：热力系向外输出功为正，W>0；外界对热力系输入功为负，W<0；热力学能变化热力学能增加为正，∆U>0；热力学能减少为负，∆U<0对于一定量工质吸热与升温关系，还取决于W的

“+”，“–”，大小。对于可逆过程对于单位质量工质的可逆过程对于循环例

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?一、开口系能量方程§2-6开口系统能量方程热力学第一定律的一般表达式进入系统的能量—离开系统的能量=系统储存能的增量在时间内,

进口质量m1、流速cf1、标高z1出口质量m2、流速cf2、标高z2在时间内进入系统的能量

在时间内离开系统的能量

是内部功，表示工质在机器内部对机器所作的功，以别于机器的轴一向外传出的轴功ws在时间内系统储存能的变化

CV表示控制体内部带入一般表达式，整理得：二、稳定流动能量方程式(steady-flowenergyequation)稳定流动：系统内及其边界上任何点上的一切参数都不随时间变化。满足条件：1.进出口状态不变(热力状态)；2.进出口流量相等且不变(流动状态)；3.功和热量不随时间变化(能量状态)；注意：不同位置上相应的参数值，可能不同。准稳定流动：如内燃机的气体流动，虽时时在变，但有周期性，其平均流可看作稳定流动。稳定流动特征：1）各位置上参数不随时间变化。2）ΔECV=0，

ΔmCV=0ּ···代入开口系热力学第一定律一般表达式微元过程开口系统的稳定流动能量方程。上式可化为：

热能转变为功的部分机械能增量流动功内部功三、技术功：技术上可资利用的功，用表示：定义：与本页第一式比较得：

（容积变化功或膨胀功W）热力学第一定律第二表达式对可逆过程，式中，v恒为正值，负号表示技术功的正负与dp相反。将上式代入开口系统的稳定流动能量方程式可得（适用于一般过程）（适用于可逆过程）对于微元可逆过程，技术功的图形表示工质膨胀功=流动功+动能增量+势能增量+内部功即是说：维持开系流动的流动功，工质动、势能的增量，及工质的内部功都是从工质膨胀功转化而来的。或说：热能转变为机械能，只能通过膨胀功来实现。四、热能转变为机械能，只能通过容积变化（膨胀）功来实现。可得稳定流动：一、动力机(蒸汽轮机、燃气轮机)steamturbine,gasturbine)是因为它们远小于内部功=焓降(工质携带能量的减少)内部储能增量：

0§2-7能量方程式的应用2、压气机，水泵类

(compressor、pump)图\设备图\压气机.doc

与动力机过程相反：内部储能增量：

0压气机耗功用wc来表示，且令wc=-wi3、换热器（锅炉、加热器等）

(heat

exchanger;

boiler、heater)吸热焓增放热焓降能量平衡关系式四、管道（喷管、扩压管）位能差很小忽略位能差：管子短或保温好q≈0：五.绝热节流(q=0,ws=0)注意：绝热节流过程不是定焓过程。本章重点及难点有工质流动，u和pv同时出现。焓可以理解为由于工质流动而携带的、并取决于热力状态参数的能量1.焓h-状态参数开口系：闭口系：h的作用相对次要些，一般用u在闭口系定压变化时，能量方程Q=∆U+p∆V=∆(U+pV)=∆H即焓的变化等于闭口系统在定压过程中与外界交换的热量。不必深究焓的物理意义，但需熟练掌握焓的计算（以下各章）2.几种功及相互之间的关系名称含义说明体积变化功（膨胀功）W系统体积变化所完成的功(1)当过程可逆时，(2)膨胀功是简单可压缩系热变功的源泉(3)膨胀功往往对应闭口系所求的功内部功Wi轴功wsWi表示工质在机器内部对机器所作的功Ws代表机器的轴向外传出的功Wi与Ws的差额是机器各部分磨擦引起的损失，不计磨擦时两者相等。轴功是开口系所求的功当工质进出口间的动、位能差被忽略时，wt＝ws，此时开口系所求的功也是技术功。流动功wf开口系付诸于质量迁移所作的功流动功是进出口推动功之差技术功wt技术上可资利用的功(1)wt与wi的关系(2)wt与w,wf的关系(3)当过程可逆时，这也是动、位能不计时的最大轴功

本章基本公式一般表达式适用于控制质量系的任何工质、任何过程（一般用于闭口系）适用于控制质量系的任何工质、可逆过程（一般用于闭口系）适用于稳定流动的任何工质、任何过程适用于稳定流动的任何工质、可逆过程进入系统的能量—离开系统的能量=控制容积的储存能增量p例1：某闭口系从初状态a出发分别经历两条不同的路径到达终状态b，如图所示。1）从a经c到b时，热力系吸热80kJ，对外作功30kJ，求其热力学能的变化量。2）从a经d到b时，对外作功10kJ，问热力系是吸热还是放热，交换的热量是多少？vadcbe3）若从b沿着曲线e返回a时，外界对热力系作功30kJ，问热力系是吸热还是放热，交换的热量是多少？4）若设状态点a的热力学能Ua=0,Ud=20kJ,那么d-b路径的热力学能的变化量是多少？5）闭口系从a出发经a-c-b-d-a回到a点，热力系交换的净功、净热量是多少？1）热力学能是状态参数，其变化量与过程无关，因此：分析：2）热力过程具有方向性，一般对外输出功、吸热过程为正方向过程，反之为反方向过程。即3）热力学能具有可加性即4）闭口系热力学第一定律不仅适用于单个过程，也适用于多个过程的能量分析，同样还适用于循环这种封闭的特殊过程的分析计算。循环时，状态参数的变化量解：1）确定2）确定吸热过程放热过程3）确定4）确定5）确定循环净功、净热量

例2：某混合式蒸汽回热加热器，采用蒸汽加热水，已知蒸汽的参数h1=2855.4kJ/kg，被加热的水进口温度40ºC，试确定为获得1kg，150ºC的热水需要多少蒸汽质量。（水的比热cw=4.18kJ/(kg·K)，焓值可用h=cwt求123本题的热交换器是冷热流体直接接触的混合式热交换器，通常分析时应同时考虑能量守恒、质量守恒，当热力系中有多个换热器时质量平衡方程显得尤为重要。分析：解：取整个回热加热器为开口系。列开口系质量平衡方程列开口系稳定流动能量平衡方程进入系统的能量—离开系统的能量=0如图，气缸内充以空气，活塞及负载195kg，缸壁充分导热，取走100kg负载，待平衡后，求：（1）活塞上升的高度（2）气体在过程中作的功，已知A4302661解：取缸内气体为热力系—闭口系。首先计算状态1及2的参数：分析：突然取走100kg负载，气体失去平衡，振荡后最终建立新的平衡。虽不计摩擦，但由于非准静态，故过程不可逆，但仍可应用第一定律解析式。过程中质量m不变据由于m2=m1