工程热力学第三章热力学第一定律课件

第三章热力学第一定律

●热力学能和总能

●系统与外界传递的能量

●闭口系统能量方程式

●开口系统能量方程式

●开口系统稳态稳流能量方程

●稳态稳流能量方程的应用

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§3-1热力学能和总能分子动能（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）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，内能零点人为定说明：注意：对理想气体u=f(T)

注意：对理想气体u=f(T)因分子间不存在相互作用力.没有内位能,故其热力学能仅包括分子内动能二、外储存能

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：宏观动能组成注意C、z是独立于热力系统内部状态的外参数，因此将系统的宏观动能和重力位能称为外储存能。C、z是力学参数，处于同一热力状态的物体可以有不同的值。三、系统的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一般与系统同坐标，常用U,dU,u,du§3-2系统与外界传递的能量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一、热量

kJ

或kcal且lkcal=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:是传递过程中能量的一种形式，与热力过程有关系统吸热热量为正，系统放热热量为负单位：热量是除功以外另一种形式的能量传递二、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.1．膨胀功W：2

轴功W:在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。规定:

系统对外作功为正，外界对系统作功为负。热力系通过叶轮机械的轴端与外界交换的能量称为轴功定义:单位：lJ=lNm膨胀功是热变功的源泉刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换种类:注意: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(或推动功)为推动流体通过控制体界面而传递的机械功.推动1kg工质进、出控制体时需功

注意:

取决于控制体进出口界面工质的热力状态由泵风机等提供思考：与其它功区别推进功的表达式推进功（流动功、推动功）pApVdl

W推=

p

A

dl

=

pV

w推=

pv注意：不是

pdv

v

没有变化m1１１L1A1

热力系统（控制体）推动功注意：外界对系统作推动功时，推动功为负。推动功模拟图（外界对系统作功）推动功2p2

v22L2A2

热力系统(控制体)m2注意：系统对外界作推动功时，推动功为正。１１２２单位质量工质进、出热力系统(控制体积)对外作出的为净流动功

=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使所携带和所传递的一种能量四、焓

对于m千克工质：

焓的定义式：焓=内能+流动功

焓的物理意义：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.思考：特别的对理想气体

h=f(T)

对于1千克工质：h=u+pv

2

对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合状态参数

§3-3

闭口系统能量方程式

一、闭口系统能量方程表达式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“+”，“–”，大小。

二、理想气体热力学能变化计算适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程1)2)适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用定值比热计算）3)适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用平均比热计算）4)把代入进行积分适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用真实比热公式计算）5)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，各组成气体热力学能又可表示为单位质量热力学能与其质量的乘积。例3-1某封闭的刚性容器装有一定量的空气,如图所示。初态时热力学能为800kJ，容器上装有一搅拌器，通过搅拌器轴的旋转输入能量100kJ，同时容器壁向外散热500kJ。试问此时容器内空气的热力学能是多少？若为维持容器内空气的热力学能不变，由搅拌器应输入多少轴功？解根据闭口系能量方程由图可知则若为维持容器内空气的热力学能不变搅拌器需要输入轴功

§3-4

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推进功的引入WnetQminm2uinuoutgzingzoutQ

+

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开口系能量方程的推导WnetQpvinmoutuinuoutgzingzoutQ

+

min(u

+

c2/2

+

gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wnet

=

dEcvminpvout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当有多条进出口：流动时，总一起存在根据热力学第一定律建立能量方程上式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。稳态稳流系统必须满足下列必要条件:(1)进、出口截面上工质的参数不随时间变化。

(2)单位时间内系统与外界的功和热量交换不随时间变化。

(3)系统与外界进行的质量交换不随时间变化，且进口质量流量与出口质量流量相等，即：

由上述各条件可知,对于稳定流动，系统的储存能量也应保持不变，即系统的储存能量增量为零。

§3-5开口系统稳态稳流能量方程稳定流动能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout稳定流动条件1、2、3、轴功Shaftwork每截面状态不变4、稳定流动能量方程的推导稳定流动条件0稳定流动能量方程的推导1kg工质一、稳态稳流能量方程表达式适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程几种功的关系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws二、准静态下的技术功准静态准静态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三、理想气体焓的计算用定值比热计算:用平均比热计算:经验公式:代入适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程四、几种功之间的关系容积功w、净流动功Δ(pv)、技术功wt之间的关系由能量方程容积功技术功可得3种功之间的关系如下:几种功的关系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws传入系统的总能量—离开系统的总能量=系统储存能量的变化量

分析此类系统时,一般动能和位能的变化量都可忽略不计;若不是旋转机械,轴功为零;每股流体带入系统的能量只考虑焓。多股物流进、出系统的通用稳定流动能量方程为任何热力系统的能量关系都应满足下面的等式:五、多股物流进、出系统的稳定流动§3-6

稳定流动能量方程式的应用一、蒸汽轮机、气轮机

流进系统：

流出系统：开口热力系统(汽轮机示意图)（去凝汽器）调速器（来自锅炉）静叶动叶汽缸蒸汽乏汽2状态1状态轴

对于热力发动机─汽轮机、燃气轮机等设备,可由稳定流动能量方程,通过对实际设备的能量分析和简化,得到应用于热力发动机的简化能量方程。简化能量方程对1kg工质有若ＷsＨ２Ｈ１ΔE＝０简化能量方程对1kg工质有用于汽轮机、燃气轮机的简化能量分析模型电厂汽轮机发动机外貌二、压气机、水泵类压气机图轴电动机风机离心式压气机结构示意图扩压管进气室进气口叶轮蜗壳出气口出口扩压器主轴出口扩压器2状态1状态轴电动机泵开口热力系统（水泵示意图）电动机锅炉给水来自冷凝器的水水泵1状态2状态轴方法Ⅰ直接套用能量方程对于泵和风机等消耗机械功的设备,可对开口系统稳定流动能量方程进行分析和简化,得到应用于泵和风机的能量方程。稳定流动能量方程为可得简化能量方程单位质量工质有对于泵和风机等设备,若方法Ⅱ泵与风机的简化能量分析模型ＷsＨ２Ｈ１ΔE＝０简化能量方程单位质量工质有三、换热器（锅炉、加热器等）冷流体入口1冷流体出口2热流体入口热流体出口开口热力系统（工业锅炉示意图）去汽轮机来自水泵过热器炉墙蒸发管2状态1状态燃油燃气锅炉内部结构图来自汽轮机的水蒸气去水泵的凝结水冷却水冷却水开口热力系统（冷凝器示意图）1状态2状态（套管式换热器示意图）冷流体入口1冷流体出口2热流体入口热流体出口开口热力系统（列管式换热器示意图）开口热力系统热流体冷流体入口1冷流体出口1热流体换热器的能量分析模型方法Ⅰ对于热交换器(锅炉、空气预热器、蒸发器、冷凝器等)的能量分析模型如下图。当选定一股流体为研究对象时,另一股流体就是相对于选定流体的冷源或热源。若忽略工质进、出口动能和位能的变化时,其热力学分析模型应为QＨ２Ｈ１ΔE＝０由热力学第一定律一般式,可得其简化能量方程单位质量工质有换热器的能量分析模型稳定流动能量方程为方法Ⅱ当选定一股物流为研究对象时,另一股物流就是此物流的冷源或热源。此时可套用稳定流动能量方程,得到应用于此设备的简化能量方程。

可得简化能量方程单位质量工质的简化能量方程对于此类设备有若忽略动能和位能的变化,即四、喷管流体出口流体入口2