第2章++热力学第一定律.ppt

1、1,第二章 热力学第一定律,21 热力学第一定律的实质,2-2 热力学能（内能）和总能,23 热力学第一定律基本表达式,24 闭口系基本能量方程式,25 开口系能量方程,熟练应用热力学第一定律解决具体问题,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,3,21 热力学第一定律的实质,一、第一定律的实质 能量守恒与转换定律在热现象中的应用。 二、第一定律的表述 热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。 或： 热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功

2、；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。,4,22 热力学能（内能）和总能,一、热力学能(internal energy),Uch Unu Uth,Uk,平移动能 转动动能 振动动能,Up,二、总（储存）能(total stored energy of system),总能,热力学能，内部储存能,外部储存能,宏观动能,宏观位能,5,三、热力学能是状态参数,测量 p、V、T 可求出,四、热力学能单位,五、工程中关心,宏观动能与内动能的区别,6,23 热力学第一定律基本表达式,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,E,E+dE,流入：,流出：,内部贮能的增量：dE,7

3、,或,E,E+dE,8,24 闭口系基本能量方程式,闭口系，,忽略宏观动能Ek和位能Ep，,第一定律第一解析式,功的基本表达式,热,9,讨论：,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 “+”、“”、数值大小。,10,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,?,11,如图，气缸内充以空气，活塞及负载195 kg，缸壁充分导热，取走100 kg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,典型例题1,12,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：

4、,分析：突然取走100 kg负载，气体失去平衡，振荡后最终建立新的平衡态。虽不计摩擦，因非准静态，故过程不可逆，可应用第一定律解析式。,13,过程中质量m不变,（1）求活塞上升的高度,（2）气体在过程中作的功,据,m2= m1,T2=T1,由于,14,？,不可逆,外力,讨论：活塞及其上重物位能增加,向上移动了5 cm，因此体系对外力作功,？,15,如图，已知活塞与气缸无摩擦，初始时p1= pb， t1= 27。缓缓加热，使,若m= 0.1kg，缸径= 0.4 m ，空气,求：过程加热量Q,典型例题2,16,解：,据题意,已可求出；,W斥,W弹,17,18,19,归纳热力学解题思路,1）取好热力

5、系; 2）计算初、终态; 3）两种解题思路,从已知条件逐步推向目标,从目标反过来缺什么补什么,4）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手。,一、推导,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,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,25 开口系能量方程,20,推动功的引入,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEsys,这个结果与实验不符,少了推动功,21,推动功（flowwork

6、）的表达式,推动功（推进功）：开口系统与外界之间因为工质流动 而传递的机械功。,对于1kg工质进入热力系，外界对热力系内工质所作的流动功为：,p,v,p1,v1,1,o,22,流动功：出口处付出的推动功与入口处得到的推动功的差。流动功可以理解为开口系统维持流动所要付出的代价。,工质流出热力系与流入热力系的流动功之差为净流动功，即,推动功在p-v图上：,23,对推动功的说明,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、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

7、一种机械功，表现为流动工质进出系统时所携带和所传递的一种能量,24,开口系能量方程的推导,Wnet,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEsys,min,pvout,25,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 = dEsys,工程上常用流率:,26,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,27,焓(enthalpy)的引

8、入,定义：焓 h = u + pv,h,h,开口系能量方程,二、焓 (enthalpy),28,焓（Enthalpy) 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,3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功) 对静止工质，推进功为零,4、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。,29,30,三、稳定流动能量方程(steady-flow energy equation),稳定流动特征：,注意：区分各截面间参数可不同。,1）各截面上参数不随时间变化。,2）EC

9、V = 0， SCV = 0， mCV = 0,31,流入系统的能量:,流出系统的能量:,系统内部储能增量: ECV,=,考虑到稳流特征： ECV=0 qm1=qm2=qm; 及h=u+pv,32,讨论：,1）改写式（B）为式（C）,热能转变 成功部分,输出轴功,流动功,机械能增量,（C）,33,2）技术功(technical work),由式（C）,技术上可资利用的功 wt,可逆过程,34,3)第一定律第二解析式,1)通过膨胀，由热能,2)第一定律两解析式可相互导出，但只有在开系中 能量方程才用焓。,4）两个解析式的关系,功，w = q u,总之：,可逆,35,四、稳定流动能量方程式的应用,

10、1.蒸汽轮机、气轮机 (steam turbine、gas turbine),流进系统：,流出系统：,内部储能增量： 0,36,2.压气机，水泵类 (compressor，pump),流入,流出,内部贮能增量 0,37,3.换热器（锅炉、加热器等）,(heat exchanger: boiler、heater etc.),38,流入：,流出：,内增： 0,若忽略动能差、位能差,39,4. 管内流动,流入：,流出：,内增： 0,0.1 MPa，20 的空气在压气机中绝热压缩升压升温后导入换热器排走部分热量，再进入喷管膨胀到0.1 MPa、20。喷管出口截面积A = 0.032 4 m2，气体流速

11、cf2 = 300 m/s。已知压气机耗功率710 kW，问换热器中空气散失的热量。,典型例题3,40,41,解：,对 CV 列能量方程,流入：,流出：,内增： 0,42,或据稳定流动能量方程,据题义，,忽略位能差,有一台稳定工况下运行的水冷式压缩机，运行参数如 附图所示。设空气的比热容cp=1.003 kJ/(kgK),水的比热容cw= 4.187 kJ/(kgK)。若不计压气机向环境的散热损失以及动能差及位能差，试确定驱动该压气机所需的功率。已知空气的焓差h2-h1= cp(T2-T1),典型例题4,43,44,取控制体为压气机（但不包括水冷部分）考察能量平衡,解：,流入：,流出：,内增：

12、 0,？,45,取整个压气机（包括水冷部分）为系统，忽略动能差及位能差则：,流入：,流出：,内增 0,？,查水蒸气表得,46,本题说明： 1）同一问题，取不同热力系，能量方程形式不同。 2）热量是通过边界传递的能量，若发生传热两物体同在一体系内，则能量方程中不出现此项换热量。 3）黑箱技术不必考虑内部细节，只考虑边界上交换及状况。 4）不一定死记能量方程，可从第一定律的基本表达出发。,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

13、稳定开口系,典型例题5,47,48,由,或 流入：hinmin 流出： 0 内增：u m,故,49,讨论：,是否不计及cf in？,否，即使cf in达当地音速（T = 303 K时，c = 349 m/s），也仅能使空气升温85 ，,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）t2=150.8430？,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！,充气问题（延伸）,取气罐为系统。考虑一股流体流入，无流出,已知储气罐中原有的空气质量 m1，热力学能u1，压力p1，温 度T1。充

14、气后，储气罐内气体 质量为m2，热力学能u2，忽略 动能差与位能差，且容器为刚 性绝热。导出u2与h的关系式 。,解：,方法一,典型例题6,50,51,忽略气体动能和位能,容器为刚性绝热,容器 静止,积分,52,取终态时气罐内全部（m2）空气为封闭系,Q：容器刚性绝热充入气体与管内气体温度相等,Q = 0,闭口系能量方程 Q =U+W,方法二,53,取充入气罐的m2-m1空气为闭口系,方法三,与管内气体交换的功,与原在容器内气体交换的功,据题意仅与原在容器内的气体换热,54,代入（A）式，整理得,另取原罐内m1kg空气为闭口系，则,第二章 小结,1、本质：能量守恒与转换定律,55,第二章 小结

15、,通用式,2、热一律表达式：,56,第二章 小结,稳流：,dEcv / = 0,通用式,57,第二章 小结,闭口系：,通用式,58,第二章 小结,循环:,dEcv = 0,out = in,通用式,59,第二章 小结,孤立系：,通用式,60,第二章 小结,3、热力学第一定律表达式和适用条件,任何工质，任何过程,任何工质，准静态过程,任何工质，任何稳流过程,61,第二章 小结,4、准静态下两个热力学微分关系式,适合于闭口系统和稳流开口系统,后续很多式子基于此两式,62,第二章 小结,5、u 与 h,U, H 广延参数 u, h 比参数,U 系统本身具有的内部能量,H 不是系统本身具有的能量， 开口系中随工质流动而携带的，取 决于状态参数的能量,63,6、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