《工程热力学》PPT课件.ppt

第二章热力学第一定律,TheFirstLawofThermodynamics,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、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,2-1热力学第一定律的本质,1909年，C.Caratheodory最后完善热一律,本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用,18世纪初，工业革命，热效率只有1%,1842年，J.R.Mayer阐述热一律，但没有引起重视,1840-1849年，Joule用多种实验的一致性证明热一律，于1850年发表并得到公认,Conservationofenergy,Oneofthemostfundamentallawsofnature,“Duringaninteraction,energycanchangefromoneformtoanotherbutthetotalamountofenergyremainsconstant”,Energycannotbecreatedordestroyed,焦耳实验,1、重物下降，输入功，绝热容器内气体T,2、绝热去掉，气体T，放出热给水，T恢复原温。,焦耳实验,水温升高可测得热量，重物下降可测得功,热功当量1cal=4.1868kJ,工质经历循环:,Mechanicalequivalentofheat,闭口系循环的热一律表达式,要想得到功，必须花费热能或其它能量,热一律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”,Perpetualmotionmachineofthefirstkind,Q,Perpetualmotionmachineofthefirstkind,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,Wnet,Qout,电加热器,2-2热一律的推论热力学能,热力学能的导出,闭口系循环,Thermodynamicenergy,热力学能的导出,对于循环1a2c1,对于循环1b2c1,状态参数,p,V,1,2,a,b,c,热力学能及闭口系热一律表达式,定义dU=Q-W热力学能U状态函数,Q=dU+WQ=U+W,闭口系热一律表达式,！两种特例绝功系Q=dU绝热系W=-dU,热力学能U的物理意义,dU=Q-W,W,Q,dU代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。,U代表储存于系统内部的能量内储存能（内能、热力学能）,热力学能的组成,分子动能分子位能bindingforces化学能chemicalenergy核能nuclearenergy,热力学能,microscopicformsofenergy,移动translation,转动rotation,振动vibration,系统总能totalenergy,外部储存能macroscopicformsofenergy,宏观动能kineticEk=mc2/2宏观位能potentialEp=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,热力学能的说明,热力学能是状态量stateproperty,U:广延参数kJu:比参数kJ/kg,热力学能总以变化量出现，热力学能零点人为定,热一律的文字表达式,热一律:能量守恒与转换定律,能量的传递和转化,一、能量传递的两种方式,作功,作功的说明,“作功”是系统与外界间的一种相互作用，是越过系统边界的能量交换。功是指作功过程中在传递着的能量的总称，过程一旦结束就再无所谓功。机械能与机械功、电能与电功等同吗？系统是否作功应以过程在外界所引起的效果来判断，而不应从系统的内部去寻找依据，对系统的内部来说无所谓“功”。功是有序能量传递。,过程功：按照系统在热力过程中的状态变化而应该作出的功。系统的过程功中通常可以区分为有用功和无用功的两个部分。对大气所作的任何功是无用的，克服摩擦所作的功都转变为热量，因而也是无用的。像设备从转轴上传出的轴功，提升重物所作的机械功，以及工质本身的宏观动能和重力位能的增加（可以利用相关机械设备进一步使之转变为轴功等机械功）都属于系统所作的有用功。有用功：技术上有用的，可以输给功源的功。功源：一种可以向热力系作功或从热力系统接受功的外界物体或装置。,传热,系统与外界之间的另一种相互作用，是系统与外界之间依靠温差进行的一种能量传递现象，所传递的能量称为热量。,热能和热量不是同一个概念温差虽然是传热过程的推动势差，但是系统温度的变化与传热并无必然的联系。热能是微观粒子无序紊乱运动的能量热量符号规定：系统从外界吸热为正；向外界放热为负,2-3闭口系能量方程,W,Q,一般式,Q=dU+WQ=U+W,q=du+wq=u+w,单位工质,适用条件：1）任何工质2)任何过程,Energybalanceforclosedsystem,Pointfunction-Exactdifferentials-dPathfunction-Inexactdifferentials-,闭口系能量方程中的功,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,工程热力学用此式较少,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,门窗紧闭房间用电冰箱升温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程,T,电冰箱,RefrigeratorIcebox,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,Air-condition,2-4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,Energybalanceforopensystem,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=pAdl=pVw推=pv,注意：不是pdvv没有变化,Flowwork,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时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,焓Enthalpy的引入,定义：焓h=u+pv,h,h,开口系能量方程,焓Enthalpy的说明,定义：h=u+pvkJ/kgH=U+pVkJ,1、焓是状态量stateproperty,2、H为广延参数H=U+pV=m(u+pv)=mhh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,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。,2-5稳定流动能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,稳定流动条件,1、,2、,3、,轴功Shaftwork,每截面状态不变,4、,Energybalanceforsteady-flowsystems,稳定流动的定义,当流动系统中（包括进、出口截面上）各点的热力学状态及流动情况（流速、流向）不随时间变化时，称系统处于稳定流动,1、系统各截面状态参数不随时间变化,2、系统与外界的能量交换不随时间变化,3、系统自身能量贮存与质量贮存不随时间变化,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,Energybalanceforsteady-flowsystems,技术功technologywork,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与闭口,ws,q,稳流开口系,闭口系(1kg),容积变化功,等价,技术功,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、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功w,wswt,简单可压缩系可逆过程的技术功,可逆过程,简单可压缩系可逆过程,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,伯努利方程,Bernoullisequation,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=1m/sc2=30m/s(c22-c12)/2=0.449kJ/kg,z1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg,1bar下,0oC水的h1=84kJ/kg100oC水蒸气的h2=2676kJ/kg,例1：透平(Turbine)机械,火力发电核电,飞机发动机轮船发动机移动电站,燃气轮机,蒸汽轮机,Steamturbine,Gasturbine,透平(Turbine)机械,1)体积不大,2）流量大,3）保温层,q0,ws=-h=h1-h20,输出的轴功是靠焓降转变的,例2：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,q0,ws=-h=h1-h20,输入的轴功转变为焓升,例3：换热设备HeatExchangers,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,例4：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,NozzlesandDiffusers,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,例5：绝热节流ThrottlingValves,管道阀门,制冷空调,膨胀阀、毛细管,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,例：已知新蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3230kJ/kg，流速c1=50m/s，乏汽流出汽轮机时的焓h2=2300kJ/kg，流速c2=120m/s。蒸汽流量为600t/h，试求：(1)汽轮机的功率；(2)忽略蒸汽进、出口动能变化引起的计算误差。,解：（1）,因，所以每小时在汽轮机中所做的功为：,蒸汽机的功率为：,（2）忽略蒸汽进、出口时的动能差时，蒸汽进、出口的动能有：,由此引起的误差为：,第二章小结Summary,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=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，可逆过程,任何工质，任何稳流过程,第二章小结,4、可逆过程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，开口系中随工质流动而携带的，取决于状态参数的能量,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Discussion,思考题,工质膨胀是否一定对外作功？,做功对象和做功部件,定容过程是否一定不作功？,开口系，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,第二章讨论,气体被压缩时一定消耗外功,热力学功指有用功,对外作功指有用功,第二章讨论,气体边膨胀边放热是