工程热力学2热力学第一定律课件

第二章

热力学第一定律TheFirstLawofThermodynamics第二章

热力学第一定律TheFirstLawofTh1§2-1热力学第一定律的实质及表达式本质：能量转换及守恒定律在热力学中的应用要想得到功，必须花费热能或其它能量热力学第一定律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”热力学第一定律的表述:

热能和机械能之间可以相互转移或转换,在转移或转换过程中能量的总量必定守恒。§2-1热力学第一定律的实质及表达式本质：能量转换及守恒热力学能(内能)的微观组成分子动能分子位能____化学能核能内能移动转动振动

1.内储存能（内能、热力学能）U_____U

代表储存于系统内部的能量

热力学能(内能)的微观组成分子动能内能移动转动振动12.外部储存能宏观动能Ek=mc2/2宏观位能Ep=mgz机械能系统总能量=内部储存能+外部储存能E

=

U

+

Ek

+Epe

=

u

+ek

+

ep总能热力学能，内部储存能外部储存能宏观动能宏观位能2.外部储存能宏观动能Ek=mc2/2机械能系统总能内能的说明热力学能(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，内能零点人为定内能的说明热力学能(内能)是状态量U:广延参数热力学第一定律的文字表达式热力学第一定律:能量守恒与转换定律=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-热力学第一定律的文字表达式热力学第一定律:能量守恒与转换定§

2-2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§2-2开口系能量方程WnetQminmou1.开口系能量方程的推导WnetQminmoutuinuoutgzingzoutQ

+

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1.开口系能量方程的推导WnetQminmoutui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没有变化推进功的表达式推进功（流动功、推动功）pApVdlW推=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（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、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开口系能量方程的推导WnetQpvinmoutuinu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Q+min(u+pv+c2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，总一起存在焓的引入定义：焓

h

=u

+

pvhh开口系能量方程焓的引入定义：焓h=u+pvhh开口焓的说明

定义：h

=

u

+

pv[kJ/kg]

H

=

U

+

pV

[kJ]1、焓是状态量2、H为广延参数

H=U+pV=

m(u+pv)=mh

h为比参数称比焓3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功)

对静止工质，焓不代表能量4、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。焓的说明定义：h=u+pv[hh开口系能量方程一般表达式:Q=dEcv+

∑(h+

c2/2

+gz)outmout

-

∑(h+

c2/2

+

gz)inmin+

Wnet

以流率表示的开口系能量方程:总结:hh开口系能量方程一般表达式:Q=dEcv+∑(h+2.闭口系能量方程WQ一般式Q

=dU

+

W

Q

=U

+

Wq

=

du

+

w

q

=

u

+

w单位工质适用条件：

1）任何工质

2)任何过程Q=dEcv

+

∑(h+

c2/2

+gz)out

mout-

∑(h+

c2/2

+

gz)in

min

+

Wnet

开系能量方程对闭口系热力循环能量方程2.闭口系能量方程WQ一般式Q=dU+W1.简单可压缩闭口系准静态过程能量方程w=pdv2.简单可压缩闭口系可逆过程能量方程:q=Tdsq

=

du

+

pdv

热一律解析式之一Tds=du+pdv热力学恒等式闭口系能量方程q

=du

+

w分析:1.简单可压缩闭口系准静态过程能量方程w=pdv2.简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电冰箱门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为系统绝热闭口系闭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Q门窗紧闭房间用空调降温以房间为系统闭口系闭口系能例自由膨胀如图，解：取气体为热力系—闭口系？开口系？抽去隔板，求?例自由膨胀如图，解：取气体为热力系抽去隔板，求?§2-5开口系稳定流动能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout稳定流动条件1、2、3、轴功每截面状态不变4、§2-5开口系稳定流动能量方程WnetQminm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稳定流动条件0稳定流动能量方程的推导1kg工质稳定流动能量方程的推导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动能工程技术上可以直接利用轴功机械能位能技术功动能工程技术上可以直接利用轴功机械能位能单位质量工质的开口系与闭口系wsq稳流开口系闭口系(1kg)容积变化功等价技术功单位质量工质的开口系与闭口系wsq稳流开口系闭口系(1kg)讨论闭口系与稳流开口系的能量方程容积变化功w技术功wt闭口系稳流开口系等价轴功ws推进功(pv)几种功的关系？讨论闭口系与稳流开口系的能量方程容积变化功w技术功wt闭口系几种功的关系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws几种功的关系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源对功的小结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技术功在示功图上的表示机械能守恒对于流体流过管道，机械能守恒柏努利方程Bernoulli’sequation

压力能动能位能机械能守恒对于流体流过管道，机械能守恒柏努利方程Bernou§

2-6稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略动、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/kg1bar下,0

oC水的h1=84kJ/kg100oC水蒸气的h2=2676kJ/kg§2-6稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略1)

体积不大2）进出口动位能差小3）保温层q

0ws

=-△h

=

h1-

h2>0输出的轴功是靠焓降转变的例1：动力机械—利用工质膨胀获得机械能的

设备如蒸汽轮机、汽轮机1)体积不大2）进出口动位能差小3）保温层q0ws热流体放热量：没有作功部件热流体冷流体h1h2h1’h2’冷流体吸热量：焓变例2：换热设备HeatExchangers如锅炉、冷凝器热流体放热量：没有作功部件热流体冷流体h1h2h1’h2’冷喷管目的：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，不能忽略例3

喷管和扩压管（NozzlesandDiffusers）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

例1空气在某压气机中被压缩．压缩前空气的参数是P1=0.1MPa,v1=0.845m3／kg；压缩后的参数是P2=0.8MPa,v2=0.175m3／kg假定在压缩过程中，1Kg空气的热力学能增加146U，同时向外放出热量50kJ，压气机每分钟生产压缩空气10kg。求：

(1)压缩过程中对每公斤气体所做的功;

(2)每生产lkg的压缩气体所需的功;

(3)带动此压气机至少要多大功率的电动机?例1空气在某压气机中被压缩．压缩前空气的参数是P1=解:分析:要正确计算压缩过程中所需要的功和生产压缩气体所需的功，必须依赖于热力系统的正确选取及对功的类型的正确判断，压气机的工作过程包括进气．压缩和排气三个过程；在压缩过程中,进、排气阀均关闭,故此时热力系为闭口系，与外界交换的功是容积变化功。要生产压缩气体，则进、排气阀要周期性地打开和关闭，气体进出汽缸，因此气体与外界交换的功是轴功。又考虑到动、位能变化不大，可略，则此功为技术功。解:分析:要正确计算压缩过程中所需要的功和生产压缩气体所需的由上述分析可知，在压缩过程中，进，排气阀均关闭，因此取汽缸中的气体为热力系，如图由闭口系能量方程得1.计算压缩过程所做的功：已知:P1=0.1MPa,v1=0.845m3／kg,P2=0.8MPa,v2=0.175m3／kg；△u=146KJ/kg,q=-50KJ/kg由上述分析可知，在压缩过程中，进，排气阀均关闭，因此取汽缸中2.计算生产压缩气体所需的功选气体的进出口．汽缸内壁及活塞左端面所围空间为热力系，如图b中的虚线所示,由开口系能量方程得已知:P1=0.1MPa,v1=0.845m3／kg,P2=0.8MPa,v2=0.175m3／kg；△u=146KJ/kg,q=-50KJ/kg2.计算生产压缩气体所需的功选气体的进出口．汽缸内壁及活塞左例2如图所示一燃气轮机装置．空气由1进入压气机升压后至2,热后进入回热器,吸收从燃气轮机排出的废气中的—部分热量后，经3进入燃烧室；在燃烧室中与油泵送来的油混合并燃烧．生产的热量使燃气温度升高,经4进入燃气轮机做功；排出的废气由5送入回热器，最后由6排至大气中．其中．压气机．油泵．发电机均由燃气轮机带动．

(1)试建立整个系统的能量平衡式；

(2)若空气的质量流量qm1=50t/h，进口焓h1=12kJ/kg,燃油流量qm7=700kg/h，燃油进口焓h7=42kJ/kg,油发热量q=41800kJ/kg，排出废气焓h6=418kJ/kg,求发动机发出的功率.例2如图所示一燃气轮机装置．空气由1进入压气机升压后至2P

q

当忽略动、位能变化时，整个系统能量平衡式：即Pq当忽略动、位能变化时，整个系统能量平衡式充气问题与热力系统的选取例2:储气罐原有气体m0,u0输气管状态不变，h经时间充气，关阀储气罐中气体m求：充气后储气罐中气体内能u’忽略动、位能变化，且管路、储气罐、阀门均绝热m0,u0h充气问题与热力系统的选取例2:储气罐原有气体m0,u0输气管四种可取热力系统1）取储气罐为系统开口系2）取储气罐原有气体和充入罐中气体一起为系统闭口系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四种可取热力系统1）取储气罐为系统开口系2）取储气罐原有气体1)取储气罐为系统(开口系)忽略动位能变化h绝热无作功部件无离开气体1)取储气罐为系统(开口系)忽略动位能变化h绝热无作功部件无1)取储气罐为系统(开口系)经时间充气，积分概念hh是常数1)取储气罐为系统(开口系)经时间充气，积分概念hh是常数四种可取系统2）1）取储气罐为系统开口系2）取储气罐原有气体和充入罐中气体一起为系统闭口系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四种可取系统2）1）取储气罐为系统开口系2）取储气罐原有气2）取储气罐原有气体和充入罐中气体一起为系统(闭口系)hm0m-m0绝热m-m02）取储气罐原有气体和充入罐中气体一起为系统(闭口系)hm0四种可取系统3)1）取储气罐为系统开口系2）取储气罐原有气体和充入罐中气体一起为系统闭口系3）取将进入储气罐的气体为系统m0,u0h