工程热力学第2章热力学第一定律.ppt

第二章 热力学第一定律,本章重点,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,本章重点 熟练应用热力学第一定律解决具体问题,21热力学第一定律的实质,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,系统与外界传递的能量,实质,热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力学中的应用，它确定热力过程中各种能量在量上的相互关系。 在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传递和转换前后能量的总量维持恒定。这种说法称为热力学第一定律。热力学第一定律还可表述为：永动机是不可能制造成功的。 在任何热力系进行的任意过程中，热力学第一定律是对参与过程的各种能量进行量的分析的基本依据。,功,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。,通过轴系统与外界传递的机械功,定义:,单位：l J=l Nm,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:,功,热力系与环境之间在不平衡势的作用下会发生能量交换，实施热力过程。热力系与外界传递能量的方式有两种作功和传热。 在力学中功被定义为物体所受的力及其沿力的方向所产生的位移的乘积。 在热力学中，“功是物系间相互作用而传递的能量。当系统完成功时，其对外界的作用可用在外界举起重物的单一效果来代替。 热力学中规定：系统对外界作功时功的符号为正，而外界对系统作功时功的符号为负。在法定计量中功的单位为焦耳，单位符号为J。,功,工程热力学中，热与功的相互转换常常是通过气体的体积变化实现，因此体积变化功具有特别重要的意义。在准平衡过程中，系统所作的膨胀功：,功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示,在上述两过程中，热力系的初、终状态参数相同，但中间途径不同，因而气体膨胀功也不相同。因此功是过程量。,热量,kJ 或 kcal 且l kcal=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：,当热力系与外界之间温度不等而发生热接触时，彼此将进行能量的交换。热力系与外界之间依靠温差传递的能量称为热。 热和功是物系在与外界相互作用的过程中传递的能量，传热和作功是热力系与外界传递能量的两种方式。它们是过程量而不是状态量，因此说“物体具有多热量”及“物体具有多少功量”都是错误的。 在热力学中规定：热力系吸热时热量取正，放热时取负号。在法定计量单位中，热量的单位为焦耳，单位符号J。单位质量的物体与外界交换的热量称为比热量。,热量传递的方向主要是由高温物体传向低温物体。 热是能量的传递方式；热量只有在穿过系统边界时才能够被识别。,热量与功的异同： 1.热量与功均是通过边界传递的能量； 2.热量与功均是过程量； 3.功传递由压力差推动； 热量传递由温差推动； 4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量； 热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。 由功转变到热是无条件； 而热转变到功是有条件和限度的。,2.4 循环过程的热力学第一定律,闭口系封闭循环,循环过程吸收（放出）的热量等于系统对外（得到）的功。,状态参数的力学性能,系统的净能量输入等于系统吸入的热量和对外输出的功量。 U的结果与路径无关，为态函数。 U称之为系统的热力学能，内能。,2.5系统的储存能,分子动能（移动、转动、振动） 分子位能（相互作用） 核能 化学能,一。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),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,系统总能,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 + Ep,e = u + ek + ep,一般与系统同坐标，常用U, dU, u, du,2.6 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,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),2 对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合状态参数,理想气体内能变化计算,适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程,用定值比热计算:,用平均比热计算 :,理想气体组成的混合气体的内能：,经验公式,代入,2.7热力学第一定律：闭口系能量方程,功 （ w） 是广义功 闭口系与外界交换的功量,q = du + w,准静态容积变化功 pdv 拉伸功 w拉伸= - dl 表面张力功 w表面张力= - dA,w = pdv - dl - dA +.,闭口系能量方程的通式,q = du + w,若在地球上研究飞行器 q = de + w = du + dek + dep + w,准静态和可逆闭口系能量方程,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 = u + pdv,热力学恒等式,热力学第一定律： 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,推进功的引入,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,这个结果与实验不符,少了推进功,推进功的表达式,推进功（流动功、推动功）,p,A,p,V,dl,W推 = p A dl = pV w推= pv,注意： 不是 pdv v 没有变化,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,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,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,开口系统稳定流动能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,稳定流动条件,Steady State Steady Flow(SSSF),1、,2、,3、,轴功Shaft work,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,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,几种功的关系,w,wt,(pv), c2/2,ws,gz,做功的根源,ws,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,机械能守恒,对于流体流过管道，,压力能 动能 位能,机械能守恒,柏努利方程,2.8 能量方程式的应用,热力发动机,气流流经气轮机的流动特征： *若稳定工况，流动为稳定流动。 *气流经进出口速度相差不大， *气流对外散热损失甚微，Q=0； *进出口气体重力位能之差甚微，z=0。 在气轮机中气流对外输出的净功量（轴功），等于其进出口焓差。,喷 管,喷管实际流动过程的特征： *气流对外散热损失甚微，Q=0； *气流流经喷管无净功输入或输出，W =0； *进出口气体重力位能之差甚微，z=0。 喷管中气流宏观动能的增加是由气流进出口焓差转换而来。,气轮机叶轮,气流经气轮机叶轮的流动特征： *气流对外散热损失甚微，Q=0； *进出口气体重力位能之差甚微，z=0； *在一般冲击式气轮机中，气流流经动叶栅时热力状态不变化，h=0。 在气轮机叶轮中是将气流的宏观动能差转化为对外的机械功的单纯的机械能变换过程。