a工程热力学课件第2章

1、1 第第2章开篇章开篇 巨舰靠港换电柴油机安全之忧巨舰靠港换电柴油机安全之忧 从广告词从广告词吃出苗条说起吃出苗条说起 能量方程的尴尬能量方程的尴尬 金属熔液结晶过程中能量变化应是金属熔液结晶过程中能量变化应是 还是还是 第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 First law of thermodynamics 2 本章学习目标本章学习目标 能描述热力学第一定律，并指出其实质；能描述热力学第一定律，并指出其实质； 列举物质热力学能和总能的组成，说明焓的定义和物理意义，列举物质热力学能和总能的组成，说明焓的定义和物理意义， 指出微观动能和宏观动能的本质差异；指出微观动能和宏观动能的本质差

2、异； 利用热力学第一定律的基本能量方程式讨论和计算闭口系利用热力学第一定律的基本能量方程式讨论和计算闭口系 能量（热力学能、功、热）转换；能量（热力学能、功、热）转换； 区分推动功、流动功、轴功、技术功，指出它们的物理意义并区分推动功、流动功、轴功、技术功，指出它们的物理意义并 在压容图上表示；在压容图上表示； 能写出常用设备稳定流动工况的能量方程，并求解。能写出常用设备稳定流动工况的能量方程，并求解。 3 本章教学内容本章教学内容 22 热力学第一定律热力学第一定律 2-1 热力学能（内能）和总能热力学能（内能）和总能 23 闭口系基本能量方程式闭口系基本能量方程式 24 开口系能量方程开口

3、系能量方程 教学参考资料：教学参考资料：工程热力学工程热力学(第五版第五版) 4 21 热力学能（内能）和总能热力学能（内能）和总能 一、热力学能一、热力学能 (internal energy) Uch Unu Uth Uk 平移动能平移动能 转动动能转动动能 振动动能振动动能 1. 热力学能是状态参数热力学能是状态参数 5 宏观动能与内动能的区别宏观动能与内动能的区别 二、总（储存）能二、总（储存）能 (total stored energy of system) 总能总能 热力学能，内部储存能热力学能，内部储存能 外部储存能外部储存能 宏观动能宏观动能宏观位能宏观位能 2. 热力学能单位热

4、力学能单位 3. 工程中关心工程中关心 6 22 热力学第一定律热力学第一定律 一、热力学第一定律的表述一、热力学第一定律的表述 热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的 时候，它们之间的比值是一定的。时候，它们之间的比值是一定的。 或或 热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失 时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与 之相应量的热。之相应量的热。 二、热力学第一定律的实质二、热力学第一定律的实质 能量守恒与转换定律在热现象中的应用能量守恒与

5、转换定律在热现象中的应用。 7 三、三、 热力学第一定律基本表达式热力学第一定律基本表达式 加入系统的能量总和加入系统的能量总和热力系统输出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热力系总储存能的增量 EE+dE 加入：加入： 输出：输出： 内部储能增量内部储能增量：dE 8 或或 EE+dE 9 23 闭口系基本能量方程式闭口系基本能量方程式 闭口系，闭口系， 忽略宏观动能和位能忽略宏观动能和位能 第一定律第一解析式第一定律第一解析式 功的基本表达式功的基本表达式热热 简单可压缩系简单可压缩系 10 讨论讨论： 1）可逆过程可逆过程 2）循环循环 3）对于定量工质吸热与升温

6、关系，）对于定量工质吸热与升温关系， 还取决于还取决于W 的的“+”“”、数值大小。、数值大小。 11 例例 自由膨胀自由膨胀 如图，如图， 解解 取全部气体为热力系取全部气体为热力系 闭口系闭口系 功功 是是 通通 过过 边边 界界 传传 递递 的的 能能 量量 抽去隔板，抽去隔板， AB 真空真空 p1 T1 p2 T2 开口系开口系 例例A4302661 例例A4303771 12 归纳热力学解题规律归纳热力学解题规律 1）取好热力系）取好热力系; 2）计算初、终态）计算初、终态; 3）两种解题思路两种解题思路 从已知条件逐步推向目标从已知条件逐步推向目标 从目标反过来缺什么补什么从目标

7、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。）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手。 课堂讨论课堂讨论: 导热微分方程导热微分方程 13 24 开口系能量方程开口系能量方程 一、推动功一、推动功 (flow work; flow energy)和和 流动功流动功 (flow work; flow energy) p v p1 v1 1 o . 推动功：系统引进或排除工质传递的功量。推动功：系统引进或排除工质传递的功量。 活塞和大气压力被移动，作功活塞和大气压力被移动，作功作功主体作功主体外部功源外部功源 14 流动功：系统维持流动流动功：系统维持流动 所花费的代价。所花费的代价。

8、 流动功在流动功在p - v图上：图上： .1 2 . 15 二、焓二、焓 (enthalpy) 定义：定义：H = U + pV h = u + pv 单位：单位：J（kJ） J/kg（kJ/kg） 焓是状态参数。焓是状态参数。 物理意义：物理意义： 引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。 16 三、稳定流动能量方程三、稳定流动能量方程 (steady-flow energy equation) 稳定流动特征稳定流动特征： 注意：区分各截面间参数可不同。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。各截面上参数不随时间变化。 2）EC

9、V = 0， SCV = 0， mCV = 0 局部平衡概念局部平衡概念 流入系统的能量流入系统的能量 流出系统的能量流出系统的能量 系统内部储能增量系统内部储能增量 ECV = 稳流特征：稳流特征： ECV = 0 qm1 = qm2 = qm; 及及 h = u + pv 稳定流动能量方程稳定流动能量方程 18 讨论讨论： 1）改写式（）改写式（B） 热能转变热能转变 成功部分成功部分 流动功流动功 机械能增量机械能增量 （C） 轴功轴功 19 .1 2 . . 2）技术功技术功 (technical work) 代入式（代入式（C） 技术上可资利用的功技术上可资利用的功 wt 可逆过程可

10、逆过程 可逆过程技术功可用过程线与可逆过程技术功可用过程线与 p 轴包围的面积表示轴包围的面积表示 20 3) ) 第一定律第二解析式第一定律第二解析式 通过膨胀，由热能通过膨胀，由热能 第一定律两解析式可相互导出，但只有在开系中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。能量方程才用焓。 4）两个解析式的关系）两个解析式的关系 功，功，w = q u 总之：总之： 可逆可逆 21 四、稳定流动能量方程式的应用四、稳定流动能量方程式的应用 1.1.蒸汽轮机、气轮机蒸汽轮机、气轮机 (steam turbine、gas turbine) 流进系统：流进系统： 流出系统：流出系统：

11、 内部储能增量：内部储能增量： 0 0 22 2. 压气机压气机(compressor) ，水泵类，水泵类 (pump) 流入流入 流出流出 内部储能增量内部储能增量 0 0 23 3. 换热器（锅炉、加热器等）换热器（锅炉、加热器等） (heat exchanger: boiler、heater etc.) 24 流入：流入： 流出：流出： 内增：内增： 0 0 若忽略动能差、位能差若忽略动能差、位能差 25 4. 管内流动管内流动 流入：流入： 流出：流出： 内增：内增： 0 0 对于液态水，考虑到不计温度变化，密度几乎不变，则对于液态水，考虑到不计温度变化，密度几乎不变，则 26 5.

12、合（分）流合（分）流 流入：流入： 流出：流出： 内部储存能增量：内部储存能增量： 0 0 27 例例A4312661例例A4322661例例A4332771例例A4333771 归纳归纳： 1）开口系问题也可用闭口系方法求解。）开口系问题也可用闭口系方法求解。 2）注意闭口系边界面上热、功交换；尤其是边界面）注意闭口系边界面上热、功交换；尤其是边界面 变形时需考虑功的交换。变形时需考虑功的交换。 3）例例A4333771中若有无摩擦及充分导热的活塞，结果如何？中若有无摩擦及充分导热的活塞，结果如何？ 解法三即可认为是这种情况，解法三即可认为是这种情况， 故无影响。故无影响。 4）若）若A43

13、33771活塞为绝热材料制造，活塞为绝热材料制造， 活塞下有弹簧，活塞下有弹簧， 若若 如何如何？ 下一章下一章 28 导热微分方程的推导导热微分方程的推导 常见常见 传热传热 形式形式 热传导（导热）热传导（导热） 温度不同的各部分直接接触进行的热量传输。温度不同的各部分直接接触进行的热量传输。 对流换热对流换热 流体通过宏观运动与壁面进行的热量传输流体通过宏观运动与壁面进行的热量传输 热辐射热辐射通过辐射进行的能量传输通过辐射进行的能量传输 一维稳态平壁一维稳态平壁 29 推导常物性各向同性的材料有内热源的导热微分方程。推导常物性各向同性的材料有内热源的导热微分方程。 解：解： 微元体的热平衡式可以表示为下列形式：微元体的热平衡式可以表示为下列形式： （导入微元体的总热流量）（导入微元体的总热流量）+（微元体内热源的生成热）（微元体内热源的生成热） -（导出微元体的总热流量）（导出微元体的总热流