工程热力学-第二章-热力学第一定律-图文

1、第二章 热力学第一定律,本章的基本要求,深入理解热力学第一定律的实质，熟练掌握热力学第一定律及其表达式。能够正确、灵活地应用热力学第一定律表达式来分析计算工程实际中的有关问题。 掌握能量、储存能、热力学能、迁移能的概念 掌握体积变化功、推动功、轴功和技术功的概念及计算式。 注意焓的引出及其定义式。,热力学第一定律,来源：,19世纪30-40年代，迈耶，焦耳等发现并确定了能量转换与守恒定律。恩格斯将这列为19世纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。 能量转换与守恒定律定律指出：一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的

2、总量恒定不变。,热力学第一定律的本质,本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用,在工程热力学的范围内，主要考虑热能与机械能之间的相互转换与守恒，因此热力学第一定律可表述为：热可以变为功，功也可以变为热，在相互转变时能的总量是不变的。,温度和热量,热度（温度）守恒？ 热的量 守恒？,布莱克的水冰混合实验,传热过程到底发生了什么？,液体从高压区域流到低压区域-质量守恒 热量从高温区域流到低温区域-热量守恒,热子理论（caloric theory of Heat） 热子、热素、热质,热 子 理 论,原子被一团热子包围,热子提供斥力，与万有引力平衡，更多热子引起膨胀 热子从高温流向低温，总热子守恒 相

3、变是因为热子与原子发生化学变化，热子无质量，因此相变前后总质量不变,傅里叶导热定律 卡诺定律,炮筒钻孔实验 冰摩擦变水实验,伦福德伯爵,焦耳实验,重物下降，输出功，使液体温度上升,热功当量 1 cal = 4.1868 kJ,热功等效性,卡诺错了？,热力学能和总能,能量是物质运动的度量，运动有各种不同的形态，相应的就有各种不同的能量。 系统储存的能量称为储存能，它有内部储存能与外部储存能之分。,内部储存能量热力学能,热力学能是储存在系统内部的能量，它与系统内工质的内部粒子的微观运动和粒子的空间位置有关，是下列各种能量的总和： 分子热运动形成的内动能。它是温度的函数。 分子间相互作用形成的内位能

4、。它是比体积和温度的函数。 维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子能及电磁场作用下的电磁能等。,内能是状态参数，是热力状态的单值函数：,热力学内能性质,内能总以变化量出现，内能零点人为确定,符号：U 单位：J,外部储存能,需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的宏观动能和重力位能：,重力位能：,宏观动能：,系统的总储存能（简称总能）,系统的总储存能为系统的内部储存能与外部储存能之和，用E 表示：,1kg工质的总能为比总能：,思 考,宏观动能和内动能的区别？,热力学第一定律基本表达式,进入系统的能量,离开系统的能量,系统中储存能量的增加,闭口系统的能量方

5、程,闭口系统的能量方程是热力学第一定律在控制质量系统中的具体应用，是热力学第一定律的基本能量方程式。,设闭系中工质从外界吸热Q后，从状态1变化到状态2，同时对外作功W，则：,此式就是闭口系的能量方程式。,对于控制质量闭口系来说，常见的情况在状态变化过程中，系统的宏观动能与位能的变化为零，或可以忽略不计，因此更见的闭口系的能量方程是：,若闭口系经过一个微元过程，则能量方程为微分形式：,闭口系统的能量方程,对于1kg工质，能量方程式为：,对于循环：,闭口系统的能量方程,适用于闭系各种过程（可逆或不可逆）及各种工质（理想气体、实际气体或液体）,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

6、一类永动机是不可能制成的”,闭口系统的能量方程,试利用热力学第一定律推出内能这个概念，并且证明其为状态参数？,思 考,内能的导出,对于循环1a2c1,对于循环1b2c1,状态参数,P,闭口系能量方程, W, Q,一般式,Q = dU + W Q = U + W,q = du + w q = u + w,单位工质,适用条件： 1）任何工质 2) 任何过程 3）忽略了系统动能和势能变化,闭口系经历准静态和可逆过程,简单可压缩系准静态过程,w = pdv,简单可压缩系可逆过程, q = Tds,q = du + pdv,q = u + pdv,热一律解析式之一,Tds = du + pdv, Tds

7、 = u + pdv,热一律解析式之一,思 考,利用闭口系统的热一定律，分析下列两种方法的可行性： 1）打开冰箱的门，使整个房间内空气的温度降低； 2）打开空调，使整个房间内空气的温度降低； 假设房间为闭口系统，空气的温度随内能变大而单调增加。,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,门窗紧闭房间用空调降温,以房间为系统,闭口系,闭口系能量方程,T,空调,Q,开口系能量方程,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,0.5c2in,0.5c2out,推

8、动功的引入,推动功:工质在开口系统中流动而传递的功。,在作推动功时，工质的状态没有改变（如图中的C点），因此推动功不会来自系统的储存能热力学能，而是系统以外的物质，这样的物质称为外部功源。 工质在传递推动功时只是单纯地传递能量，像传输带一样，能量的形态不发生变化。,推动功的表达式,推动功（推进功）,p,A,p,V,l,W推 = p A l = pV w推= pv,注意： 不是 pdv v 没有变化,流动功（推动功之差）,工质在流动时，总是从后面获得推动功，而对前面作出推动功，进出系统的推动功之差称为流动功（也是系统为维持工质流动所需的功）。,流动功的表达式,对推进功/流动功的说明,1、与宏观流

9、动状态有关,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,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 = dEcv,min,pvout,0.5c2in,0.5c2out,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)o

10、ut = 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,焓Enthalpy的引入,比焓 h = u + pv,h,h,开口系能量方程,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，焓不代表能量，仅表示一种状态参数,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。,稳定流动能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzo

11、ut,稳定流动条件,1、,2、,3、,轴功Shaft work,每截面状态不变,4、,0.5c2in,0.5c2out,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,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,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,推进功(pv),几种功的关系？,几种功的关系,w,wt,(pv), c2/2,ws,gz,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ws,3、一般情况下忽略动、位能的变化,1

12、、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功w,wswt,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,推进功表示？,稳定流动能量方程应用,热力学问题经常可忽略动、位能变化,例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kg,z1 = 0 m z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg,1bar下, 0 oC水的 h1 = 84 kJ/kg 100 oC水蒸气的 h2 = 2676 kJ/kg,透平(Turbine)机械,1) 体积不大,2）流量大,3）保温层,q

13、0,ws = -h = h1 - h20,输出的轴功是靠焓降转变的,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,1) 体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,ws = -h = h1 - h20,输入的轴功转变为焓升,换热设备Heat Exchangers,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,热流体放热量：,没有作功部件,热流体,冷流体,h1,h2,h1,h2,冷流体吸热量：,焓变,绝热节流Throttling Valves,管道阀门,制冷 空调,膨胀阀、毛

14、细管,绝热节流,绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等,h1,h2,没有作功部件,绝热,绝热节流是等焓过程？,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,Nozzles and Diffusers,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,第二章 小结,1、本质：能量守恒与转换定律,第二章 小结,通用式,2、热一律表达式：,第二章 小结,稳态稳流：,dEcv / = 0,通用式,第二章 小结,闭口系：,通用式,第二章 小结,通用式,循环,dEcv = 0,out

15、= in,第二章 小结,孤立系：,通用式,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,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,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， 而是开口系中随工质流动而携带的，取决于热力状态参数的能量,第二章 小结,6、四种功的关系,准静态下,闭口系过程,开口系过程,第二章 讨论课,思考题,工质膨胀是否一定对外作功？,自由膨胀,定容过程是否一定不作功？,开口

16、系，技术功,定温过程是否一定不传热？,相变过程（冰融化，水汽化）,水轮机,气体边膨胀边放热是可能的？,对工质加热，其温度反而降低， 这种情况不可能？,第二章 讨论课,充气问题,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：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,u0,h,在充、放气过程中，容器内气体的状态随时间在不断变化，但在每一瞬间可以认为整个容器内各处的参数是一致的。另外在充气过程中，虽然流动情况随时间变化，但可认为通过容器边界进入容器的气体进口状态不随时间变化，这种充气过程称为均匀状态定态流动过程。,充气问题,四种可取系统,1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,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,经时间充气，积分概念,h是常数,h,1)取储气罐为系统(开口系),2）取最终罐中气体为系统(闭口系),h,m0,m-m0,绝热,m-m0,3）取将进入储气罐的气体为系统(