工程热力学-多媒体课建 2章13-9-23张

1、热能工程教研室第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律2-1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质能量能量守恒守恒与与转换转换定律是自然界的基本规律之一。定律是自然界的基本规律之一。热力学第一定律热力学第一定律是能量是能量守恒守恒与与转换转换定律在热现象过程中的应用。定律在热现象过程中的应用。在工程热力学的范围内，主要考虑是热能和机械能之间的互相转在工程热力学的范围内，主要考虑是热能和机械能之间的互相转换与守恒，所以换与守恒，所以第一定律可表述为：第一定律可表述为：热是能量的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，它们热是能量的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，它们之间的比值是

2、一定的。之间的比值是一定的。热力学第一定律是人类在实践中的经验总结，不能用数学等理论热力学第一定律是人类在实践中的经验总结，不能用数学等理论来证明。来证明。热能工程教研室2-2 热力学能和总能热力学能和总能一、热力学能一、热力学能物质内部拥有的能量称为物质内部拥有的能量称为热力学能热力学能，其，其组成是：组成是：q内动能（分子平移，旋转，振动）内动能（分子平移，旋转，振动）q内位能（分子间作用力）内位能（分子间作用力）q化学能（维持一定的分子结构）化学能（维持一定的分子结构）q原子能（原子核内部）原子能（原子核内部）如果无化学反应，无核反应，如果无化学反应，无核反应，热力学能热力学能 U 内动

3、能内动能 内位能内位能1kg物质的热力学能称物质的热力学能称比热力学能比热力学能 u，单位是，单位是J / kg 。热力学能热力学能是热力状态的是热力状态的单值单值函数，它与路径函数，它与路径无关无关，是状态参数。，是状态参数。 u = f（T，v）；）； u = f（T，p）；）； u = f（p，v） （2 - 1）热能工程教研室一、热力学能的性质一、热力学能的性质分子动能分子动能分子位能（相互作用）分子位能（相互作用）核能核能化学能化学能热力学能热力学能 U :U : 广延参数广延参数 ，单位，单位J J u :u : 比参数比参数， 单位单位 J/kgJ/kg 热力学能热力学能总以相对

4、量出现，总以相对量出现，热力学能热力学能零点由零点由人为而定人为而定。说明：说明：移动动能移动动能转动动能转动动能振动动能振动动能热能工程教研室二、总能二、总能工质的外部储存能工质的外部储存能工质的总能：热力学能工质的总能：热力学能 + +宏观动能及宏观动能及位能位能 E =E = U U + + E k + + E E p p （2-22-2） E =E = U U + + mcmcf2 2/2 + m g z/2 + m g z （2-32-3） 1kg工质的总能，即工质的总能，即比总能比总能为为 e = u + + c cf2 2/2 + g z/2 + g z （2-42-4）宏观动能

5、宏观动能 E k= mcf f2/2宏观位能宏观位能 E p= m g z机械能机械能宏观动能与内动能的区别宏观动能与内动能的区别图图2-1 系统的宏观动能与内动能系统的宏观动能与内动能总能总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热力学能，内部储存能热力学能，内部储存能热能工程教研室2-3 能量的传递和转化能量的传递和转化一、一、作功和作功和传热传热能量从一个物体传递到另一个物体可有两种方式：作功；能量从一个物体传递到另一个物体可有两种方式：作功；传热。传热。1. 作功来传递能量总是和作功来传递能量总是和物体的宏观位移有关，如下图物体的宏观位移有关，如下图1-131-13所示：

6、所示：物体的宏观位移物体的宏观位移伴随着能量形态的变化伴随着能量形态的变化作功特点作功特点“作功作功”是系统与外界间的一种相互作用，是是系统与外界间的一种相互作用，是越过越过边界的边界的能量交换能量交换。功功是指作功过程中是指作功过程中传递能量传递能量的的总称总称，一旦过程，一旦过程结束就再无所谓结束就再无所谓“功功”了。了。pW12mnd VFd x V热能工程教研室 2. 2. 用传热来传递能量用传热来传递能量不需不需要物体的要物体的宏观位移宏观位移。 传热是系统与外界之间依靠温差进行的一种能量传递现象，传热是系统与外界之间依靠温差进行的一种能量传递现象，所传递的能量称为所传递的能量称为热

7、量热量。 在自然界，总是高温物体把能量传递给低温物体，传递能量在自然界，总是高温物体把能量传递给低温物体，传递能量用热量来度量。用热量来度量。热量符号规定：热量符号规定：系统从外界系统从外界吸热吸热为为正正；向外界；向外界放热放热为为负。负。3. 热能和热量不是同一个概念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，但系统温度的变化与传热温差虽然是传热过程的推动势差，但系统温度的变化与传热并无必然的联系。不能由此判断出系统是否曾经吸热或放热。并无必然的联系。不能由此判断出系统是否曾经吸热或放热。 热能是微观粒子无序杂乱运动的能量。热能是微观粒子无序杂乱运动的能量。传热传热热能工程教研

8、室二、推动功和流动功二、推动功和流动功 工质在开口系统中流动而传递的功叫工质在开口系统中流动而传递的功叫推动功。推动功。见下图见下图2-2（a），），当工质流入汽缸推动活塞移动距离当工质流入汽缸推动活塞移动距离l，所作的功为，所作的功为p A* l = p V，比体积比体积v =V/m， p A *l = p V = m p v。1kg工质的工质的推动功推动功 = p v 。如图如图2-2中矩形面积所示。中矩形面积所示。 图图2-2 推动功推动功热能工程教研室1、推动功(flow work; flow energy)推动功：推动功：工质在开口系统中流动而传递的功叫工质在开口系统中流动而传递的功

9、叫推动功推动功。pA Hpvpvp1v11o二、推动功和流动功二、推动功和流动功热能工程教研室对推动功的说明对推动功的说明1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，有关，流动停止，推动功推动功不存在不存在2 2、作用过程中，工质仅发生作用过程中，工质仅发生位置位置变化，无状态变化变化，无状态变化3 3、1kg1kg工质工质 w w推推p vp v 与所处状态有关，是与所处状态有关，是状态量状态量4 4、并非工质本身的能量并非工质本身的能量（动能、位能）（动能、位能）变化引起变化引起， 而由外界做出的，是流动工质所而由外界做出的，是流动工质所携带的能量携带的能量可理解为可理解为：由于工质的进出

10、，外界与系统之间所传递由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种的一种机械功机械功，表现为流动工质进出系统所，表现为流动工质进出系统所携带携带和所和所传传递递的一种的一种能量。能量。热能工程教研室流动功：流动功：系统为维持工质流动所需的功。系统为维持工质流动所需的功。流动功流动功定义：定义：开口系统的开口系统的推出功推出功与与推进功推进功之差。之差。是系统维持流动所花费的代价。是系统维持流动所花费的代价。 )(1122pvvpvp推动功在推动功在p-vp-v图上的表示：图上的表示： 流动功流动功(flow work; flow energy)(flow work; flow energy)热能

11、工程教研室d dU U 代表某微元过程中系统通过边界交换的代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量微热量与与微功量微功量两者之差值，即两者之差值，即系统内部能量系统内部能量的变化。的变化。U U 代表储存于系统代表储存于系统内部的能量内部的能量 （内能、热力学能内能、热力学能） W Q焓焓的定义：的定义： H = H = U U + p V J + p V J （2-52-5）1kg1kg工质工质的的焓焓称为称为比比焓焓： h = h = u u + p v J/kg + p v J/kg （2-62-6）1 1、焓焓是状态参数，与达到这一状态的路径无关。是状态参数，与达到这一状态的路径无关。

12、热力学能热力学能U U 的的物理意义：物理意义： d d U U = = Q Q - - W W2- 4 焓（焓（Enthalpy)热能工程教研室2-4 焓（焓（Enthalpy) 2 2、焓焓H H为广延参数为广延参数 H H = = U U + p V =+ p V = m m ( (u u + p v)= m h+ p v)= m h u + pv u + pv的合并出现不是偶然的。的合并出现不是偶然的。 u u 是是1kg1kg工质工质的热力学能，的热力学能， pvpv是是1kg1kg工质工质的推动功的推动功 。 3 3、对流动工质，对流动工质，焓焓代表能量代表能量( (内能内能+ +

13、推动功推动功) )。 对静止工质，对静止工质，焓焓不代表能量不代表能量。4 4、焓焓的的物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决于热力物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决于热力 状态的能量。状态的能量。 dddppVHcTVTpT热能工程教研室 热力学第一定律的能量方程式就是系统变化过程的能量热力学第一定律的能量方程式就是系统变化过程的能量平衡平衡方程式。根据方程式。根据能量守恒与转换定律，热力学第一定律的文字表达式能量守恒与转换定律，热力学第一定律的文字表达式:进入进入系统的系统的能量能量总和总和离开离开系统的系统的能量能量总和总和 = =系统总储存能的系统总储存能的增量增量 （2-

14、92-9）EE+dEiim e Q Wjjm ed流入流入：i iQme流出流出：jjWm e内部贮能的内部贮能的增量增量：d dE E2-5 热力学第一定律的基本能量方程式热力学第一定律的基本能量方程式它适用于它适用于任何过程任何过程和和任何工质任何工质的的热力系统。热力系统。热能工程教研室2-5 2-5 热力学第一定律的基本能量方程式热力学第一定律的基本能量方程式进入进入系统的能量系统的能量 - 离开离开系统的能量系统的能量 = = 系统中贮存能量的系统中贮存能量的增加量增加量 （2-92-9） 它适用于它适用于任何过程任何过程和和任何工质任何工质的的热力系统。热力系统。1.1.闭口系闭口

15、系的能量方程：的能量方程： Q Q - W = W = U = UU = U2 2U U1 1 Q = Q = U + W U + W （2-102-10） ( ( 输入输入) ) （贮增）（输出）（贮增）（输出） 对于一个微元过程，对于一个微元过程，第一定律的解析式的微分形式：第一定律的解析式的微分形式： Q = dUQ = dU + + W W （2-112-11）对于对于1kg1kg工质工质，有，有 q = q = u + w u + w （2-122-12） q = du + q = du + w w （2-132-13）规定：系统规定：系统吸热吸热Q Q为为正正，系统，系统对外作功对

16、外作功为为正正，反之反之则为则为负负。 系统的系统的热力学能增大热力学能增大时，时， U U为正为正，反之反之则为则为负负。 W Q热能工程教研室 可逆过程的能量方程可逆过程的能量方程WQ对对可逆过程可逆过程， 有有 W = pW = p* *dVdV ，所以，所以 Q Q = = dUdU + + pdVpdV ， Q Q = = U U + + 2 21 1 pdVpdV （2-142-14） q q = = dudu + + p dvp dv ， q q = = u u + + 21 pdvpdv （2-152-15）简单可压缩系的简单可压缩系的可逆过程可逆过程仅存在容积功。仅存在容积功

17、。闭口系循环的热力学第一定律表达式闭口系循环的热力学第一定律表达式 （2-162-16）要想得到要想得到功功，必须花费，必须花费热能热能或或其它能量其它能量。netnetdQUWQW热能工程教研室热力学能及闭口热力学能及闭口系热力学第一定律表达式系热力学第一定律表达式 d dU U = = Q Q - - W W 热力学能热力学能U U 状态函数状态函数 Q = dU + WQ = U + W闭口系闭口系热热力学第力学第一一定定律表达式律表达式两种特例：两种特例： Q = dU 绝热系统绝热系统绝功系统绝功系统 W = - dU热能工程教研室例题例题 自由膨胀自由膨胀如图，如图，U解：取气体为

18、热力系解：取气体为热力系 闭口系闭口系？开口系开口系？QUW120UUU即强调：强调：功是通过边界传递的能量。功是通过边界传递的能量。抽去隔板，求抽去隔板，求0W?0Q 热能工程教研室归纳热力学解题思路1）取好热力系;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。热能工程教研室热能工程教研室 实际热力设备的能量转换过程复杂，为简化问题实际热力设备的能量转换过程复杂，为简化问题, ,做做4 4个假定：个假定：q假定控制容积形状、大小、空间位

19、置均不随时间改变。假定控制容积形状、大小、空间位置均不随时间改变。因而统计系统的总能时，不考虑系统整体的外观能量，但要计算因而统计系统的总能时，不考虑系统整体的外观能量，但要计算 流体的流动动能，重力位能以及热力学能。流体的流动动能，重力位能以及热力学能。q假定系统除与外界有物质流交换，在没有质量流穿越的边界假定系统除与外界有物质流交换，在没有质量流穿越的边界上，还可以有传热和作功的相互作用。上，还可以有传热和作功的相互作用。q假定进口、出口截面上存在局部平衡条件。假定进口、出口截面上存在局部平衡条件。q假定流动为一元流动假定流动为一元流动仅在沿流动的方向上才有参数的变化。仅在沿流动的方向上才

20、有参数的变化。 2-6 开口系统能量方程式开口系统能量方程式热能工程教研室一、开口系的能量方程一、开口系的能量方程 依据：依据：能量守恒原则能量守恒原则 进入进入系统系统能量能量- -离开离开系统系统能量能量= = 系统系统储存能量储存能量的的增加增加 （2-92-9） min mout W i Qu inu outg z ing z out212i nc212o u tc热能工程教研室一、开口系能量方程一、开口系能量方程热能工程教研室2-182-182-192-192-202-202-182-18 2-20)2-20)热能工程教研室二、稳定流动能量方程二、稳定流动能量方程 在流动过程中，开口

21、系统（包括进、出口截面上）各点工质的热力学状在流动过程中，开口系统（包括进、出口截面上）各点工质的热力学状态及流动情况（流速、流向）态及流动情况（流速、流向）不随时间变化不随时间变化时，称为时，称为稳定流动过程稳定流动过程。 1 1、系统系统各截面状态参数各截面状态参数不随时间变化不随时间变化2 2、系统系统与外界的能量交换与外界的能量交换不随时间变化不随时间变化3 3、系统系统自身能量贮存自身能量贮存与与质量贮存质量贮存不随时间变化不随时间变化稳定流动的必要条件为稳定流动的必要条件为,/0C VdE min Wi Q moutuinuoutgzingzout212inc212o u tcq

22、m，in = q m，out在在 只有单股流体进出时：只有单股流体进出时：q m1 = q m2 = q m 热能工程教研室稳定流动能量方程稳定流动能量方程将以上条件代入式（将以上条件代入式（2-20），并用），并用qm m 除式（除式（2-20），有），有2s12qhcgzw i（2-212-21）式中，式中，q和和w i分别是分别是1kg工质进入系统后，系统从外界吸入的热工质进入系统后，系统从外界吸入的热量和在机器内部作的功。量和在机器内部作的功。 当当m in = m out = m ，稳定稳定流动能量方程可写为流动能量方程可写为 Q = Q = H + m H + m c cf f 2

23、 2 + mg + mg z +Wz +Wi i （2-232-23）式式(2-21)-(2-21)-(2-24)(2-24)是据能量守恒定理在是据能量守恒定理在稳定稳定条件条件导出导出, ,其适用条其适用条件：件： 任何任何稳定流动稳定流动过程的任何流动工质。过程的任何流动工质。fq m1 = q m2 = q m热能工程教研室稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导2s12qhcgzw 22soutin22ccQmhgzhgzWQm qssWm w1kg工质工质22soutin22ccqhgzhgzw稳定流动时的稳定流动时的能量方程能量方程iiiii热能工程教研室三、稳定流动能量方程式

24、的分析三、稳定流动能量方程式的分析2s12qhcg zw if将将 h = u + （pv）代入上式，有：）代入上式，有：（2-21）swzgcPvuq221)()(工质宏观运动的机械能工质宏观运动的机械能工质在过程中的工质在过程中的容积变化功容积变化功fi上式说明，工质在状态变化过程中从热能转变而来的机械能上式说明，工质在状态变化过程中从热能转变而来的机械能 =容积变化的容积变化的膨胀功膨胀功（2-25）热能工程教研室稳定流动能量方程分析稳定流动能量方程分析技术功技术功 wt2s12qhcg zw if（2-21）技术功技术功2s12qhcgzw if wt =（2-26）由式（由式（2-2

25、5）并考虑）并考虑q u = w，则，则w wt t = = w - -（p u）= w - -（p p2 2 u u 2 2 p p1 1 u u 1 1 ）（2-27）热能工程教研室技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示1 12 2twwpvp v()twwpv对可逆过程：对可逆过程：wt =1 12 2vdppdvpvp v2211（2-28）512651234151405 62306图图2-5 技术功的表示技术功的表示在微元过程中在微元过程中 W i = - v dp （2-292-29）65dp热能工程教研室稳流开口与闭口的能量方程稳流开口与闭口的能量方程tqhw 容积变化功容

26、积变化功 w技术功技术功 wtquw 引入技术功引入技术功wt (2-16)式为式为: 稳流开口系稳流开口系等等价价工质对机器作的工质对机器作的功功 w i推动功推动功 (p v)几种功的关系？几种功的关系？闭口系闭口系（2 - 21）1kg1kg工质的：工质的：(2 12)wwt(p v)c2/2 2w igz做功根源做功根源热能工程教研室能量转换关系分析能量转换关系分析稳流开口系稳流开口系闭口系闭口系wuq两种过程中消失了的热能数量上都等于（两种过程中消失了的热能数量上都等于（qu）任何情况下，热力过程造成的热变功效果只是任何情况下，热力过程造成的热变功效果只是（q u），即），即 过程功

27、过程功工质的过程功是热变功的根源工质的过程功是热变功的根源swzgcPvuq221)()(i热能工程教研室几种功的关系几种功的关系t()tqhwupvw quw ()twpvwwwt(pv)c2/2wigz做功的根源做功的根源wi2t12swcgzwi技术功工质对机器作的功工质对机器作的功热能工程教研室过程功和有用功的概念过程功和有用功的概念过程功：按照系统在热力过程中的状态变化而应该作出的功。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。q系统的过程功中通常可分为有用功和无用功的两个部分。系统的过程功中通常可分为有用功和无用功的两个部分。q对大气所作的任何功是无用的，克服摩擦所作的功

28、都转变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。为热量，因而也是无用的。q设备从转轴上传出的轴功，提升重物所作的机械功，以及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。的有用功。有用功：技术上有用的，可以输给功源的功。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功源：一种可以向热力系作功或从热力系

29、统接受功的外界物体或装置。装置。热能工程教研室【例2-2】 已知新蒸汽进入汽轮机时的焓已知新蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3232kJ/kg，流速，流速cf1=50m/s，乏汽流出汽轮机时的焓，乏汽流出汽轮机时的焓h2=2302kJ/kg，流速，流速cf2=120m/s。忽略热损失和位能差。若蒸汽流量。忽略热损失和位能差。若蒸汽流量q q m m 为为10 t/h，试求：，试求：(1)(1)汽轮机的功率；汽轮机的功率； (2)忽略散热损失（忽略散热损失（q = 0q = 0）和蒸汽进、出口动能变化引起的计）和蒸汽进、出口动能变化引起的计算误差。算误差。 解：（解：（1 1）因蒸汽在汽轮机中的流动为

30、稳定流动，）因蒸汽在汽轮机中的流动为稳定流动，可根据稳态稳流能量方程式进行求解。可根据稳态稳流能量方程式进行求解。热能工程教研室【例2-2】 2212212231()()21(32302300)(12050 ) 102924.05(/)swhhcckJ kg而蒸汽在汽轮机中绝热膨胀，并且，其进出口的高度差可而蒸汽在汽轮机中绝热膨胀，并且，其进出口的高度差可近似看作等于零，因此可得：近似看作等于零，因此可得：0 ,0qg z 2s12qhcg zw if解解 由式（由式（2-16）i热能工程教研室工质每小时在汽轮机中所做的功：工质每小时在汽轮机中所做的功：W i =q m w i =10103

31、kg / h924.05kJ / kg =9.24106 kJ/ kg )/(95. 510)50120(21)(213222122kgkJcc【例2-2】 忽略蒸汽的位能差，蒸汽进、出口的动能的增加忽略蒸汽的位能差，蒸汽进、出口的动能的增加 有：有：蒸汽机的功率为：蒸汽机的功率为： P=W i / 3600 =2567 kW可见可见工质流动速度在每秒工质流动速度在每秒100米量级时的动能影响不是很大。米量级时的动能影响不是很大。热能工程教研室%64. 0/05.924/95. 5kgkJkgkJ说明： 由以上的计算结果可以看出，汽轮机进出口的由以上的计算结果可以看出，汽轮机进出口的工质速度虽然相差较大，但其宏观动能变化量相对工质速度虽然相差较大，但其宏观动能变化量相对于汽轮机所作的功而言，是一个小到可以忽略不计于汽轮机所作的功而言，是一个小到可以忽略不计的量，略去流动工质的宏观动能变化，对汽轮机功的量，略去流动工质的宏观动能变化，对