工程热力学(2)(2014)

1、1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热力学第一定律的实质就是能量守恒和转换定律在工程热力学中的热力学第一定律的实质就是能量守恒和转换定律在工程热力学中的应用。应用。能量守恒和转换定律：能量可以相互转换，且转换前后的总量保持能量守恒和转换定律：能量可以相互转换，且转换前后的总量保持不变。不变。热力学第一定律：热能与机械能可以相互转换，且转换前后的总量热力学第一定律：热能与机械能可以相互转换，且转换前后的总量保持不变。保持不变。 第一类永动机第一类永动机是不可实现的。是不可实现的。系统经历一个热力循环后，其所接受的净热量转换为对外所作系统经历

2、一个热力循环后，其所接受的净热量转换为对外所作的净功。即：的净功。即：WQwq2这个定律指出这个定律指出“一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不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。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，能量的总量恒定不变而在转换中，能量的总量恒定不变”。这一真理可以说：。这一真理可以说：“颠扑颠扑不破不破”、“放之四海而皆准放之四海而皆准”。因为至今为止，没有一个人提出。因为至今为止，没有一个人提出一个事实不符合这条自然规律，一个事实不符合这条自然规律， 相反，在各个领域：天文、地理

3、、相反，在各个领域：天文、地理、生物、化学、电磁光、宏观、微观各领域都遵循这条规律。当然生物、化学、电磁光、宏观、微观各领域都遵循这条规律。当然我们热力学就是研究能量及其特性的科学，它必然要遵循这条规我们热力学就是研究能量及其特性的科学，它必然要遵循这条规律。律。 3 32-2热力学第一定律的数学表达式热力学第一定律的数学表达式输入系统的能量输入系统的能量-系统输出的能量系统输出的能量=系统储存能量的变化系统储存能量的变化根据能量守恒原则：根据能量守恒原则：外部储存能外部储存能动能动能EK势能势能EP功功热量热量能量能量储存储存的能量的能量传递传递的能量的能量内部储存能内部储存能（热力学能）（

4、热力学能）内动能内动能uk=f(T)内势能内势能up=f(T,v)4（一）储存能量：（一）储存能量： 内部储存能内部储存能-内部状态参数决定内部状态参数决定 外部储存能外部储存能-外部状态参数决定外部状态参数决定1、内部储存能、内部储存能热力学能热力学能分子运动的平均动能和分子间势能称为分子运动的平均动能和分子间势能称为“热力学能热力学能”符号：符号：U u (单位质量热力学能）单位质量热力学能）单位：单位：kJ kJ/kgu=U/mu=f(t,v)53 3、系统的总储存能（总能）、系统的总储存能（总能） E=U+e=ue=u+对于封闭系统，传递的能量有两种：对于封闭系统，传递的能量有两种：功

5、和热量功和热量对于闭口系统、开口系统及稳定流动和非稳定流动进入和对于闭口系统、开口系统及稳定流动和非稳定流动进入和离开系统的能量不尽相同，故能量方程的形式也有不同。离开系统的能量不尽相同，故能量方程的形式也有不同。6一、闭口系统能量方程式一、闭口系统能量方程式QW热源热源 功源功源WUQUWQ 或分析：闭口系统与外界间可能发生的能量交换：分析：闭口系统与外界间可能发生的能量交换：Q和和W 一般不作整体位移，一般不作整体位移，Ek与与Ep的变化均为零，因此与外界交换的变化均为零，因此与外界交换能量（功量能量（功量W、热量、热量Q）的结果只是导致热力学能）的结果只是导致热力学能U 的变化。的变化。

6、系统的总能量系统的总能量E（J）：）：UEEEpk宏观动能宏观动能宏观位能宏观位能7wuq对于单位质量工质对于单位质量工质对于微元过程，有对于微元过程，有WUQd对于热力过程对于热力过程1-2,有有211221)(WUUQ正、负号规定：系统吸热为正，放热为负；正、负号规定：系统吸热为正，放热为负； 系统对外作系统对外作功为正，外界对系统作功为负。功为正，外界对系统作功为负。 上式既适用于准静态过程，也适用于非准静态过程。上式既适用于准静态过程，也适用于非准静态过程。吸热 0q放热 0q内能增加 0u内能减少 0u系统对外作功 0w外界对系统作功 0w8 对可逆过程对可逆过程:vpwd因此上述诸

7、式可写为因此上述诸式可写为VpUQdd2112d)(VpUUQ21vpuqdd211221d)(vpuuq对对1kg工质，有工质，有9vpB12A例例2-1: 2-1: 有一定质量的工质从状态有一定质量的工质从状态1 1沿沿1A21A2到达终态到达终态2 2，又沿，又沿2B12B1回到初态回到初态1 1，并且，并且1 21 221() 50 10 40AAWQUUkJ 0dUWQkJWkJUUkJQBA5 10 50121221试判断沿过程试判断沿过程1A2工质是膨胀工质是膨胀还是压缩，并且求工质沿还是压缩，并且求工质沿1A2B1回到初态时的净吸热量回到初态时的净吸热量和净功。和净功。解：解：

8、故为膨胀过程。故为膨胀过程。又又kJWWWBA355401221kJWQ35所以所以10二、稳定流动能量方程二、稳定流动能量方程1.一元稳定流动一元稳定流动一元流动：一元流动：与流动方向垂直的同一截面上各点工质的状态参与流动方向垂直的同一截面上各点工质的状态参数和流速都是相同的，工质的状态参数和流速仅沿流动方向数和流速都是相同的，工质的状态参数和流速仅沿流动方向做一元变化。做一元变化。稳定流动：稳定流动：开口系统内任一点的状态参数和流速均不随时间开口系统内任一点的状态参数和流速均不随时间而变化。而变化。0dd21mmqqm非稳定流动非稳定流动稳定流动稳定流动过程特点：过程特点：，qm1=qm2

9、=qm=常量，常量，0ddE11in:m=1kgc1Out:m=1kg c2如上图：进入系统带入能量：如上图：进入系统带入能量：211111 112eucgzPv 轴功（机械能轴功（机械能）wi推动功推动功流出系统带出能量：流出系统带出能量：222222 212eucgzPv12根据能量平衡方程式：有根据能量平衡方程式：有221111 12222 211() () 022sucgzPvqucgzPvw2222 211 121211() ()()()2sq u pu pc cgz zw pvuh整理上式：整理上式：令令pVUpummhH)(则有则有22222121s1()()()2qhhccg

10、zzw此式称为稳定状态稳定流动能量方程式。此式称为稳定状态稳定流动能量方程式。132.焓焓hup( , ),( , ),( , )hf p T hf phfT它是一个状态参数，它是一个状态参数，其物理意义可由定义式来说明。（其物理意义可由定义式来说明。（P23)焓并不能看作是工质储存的能量，而是随工质流动跨越边界而焓并不能看作是工质储存的能量，而是随工质流动跨越边界而转移的能量。热力学能是工质内部储存能量的唯一形式。转移的能量。热力学能是工质内部储存能量的唯一形式。焓焓=内能内能+流动功流动功 （1）对流动工质）对流动工质(开口系统开口系统)，表示沿流动方向传递，表示沿流动方向传递 的总能量中

11、，取决于热力状态的那部分能量的总能量中，取决于热力状态的那部分能量. （2）对不流动工质对不流动工质(闭口系统闭口系统)，焓只是一个复合状态参数，焓只是一个复合状态参数思考：特别的对理想气体思考：特别的对理想气体 h= f (T) 14比较下面两式比较下面两式：2222 211 121211() ()()()2iqupupccgzzwnn=+-+-+-+ q = du + w它们并不矛盾。它们并不矛盾。具体分析具体分析Wi 的组成就可证实。的组成就可证实。 （1）221 12 212121() ()() ()2iwquppccgz znn=-D +-+-+- 15可见可见, ,流动工质对外输出

12、的机械能即流动工质对外输出的机械能即轴功轴功由四部分组成由四部分组成: : (1) q-u (2) 进出口推动功之差进出口推动功之差 (3) 进出口动能之差进出口动能之差 (4) 进出口位能之差进出口位能之差机械能机械能热能热能以上在过程中从热能转化而成的机械能仍是相当于以上在过程中从热能转化而成的机械能仍是相当于q-u的膨胀功的膨胀功w。163.几种功的比较：几种功的比较：推动功推动功推动流体流入或流出系统所消耗的功量。推动流体流入或流出系统所消耗的功量。1111111)(dmvpAdVApxFi111mvp即入口处，外界推动工质流入系统所消耗的推动功即入口处，外界推动工质流入系统所消耗的推

13、动功出口截面处，系统为推动微元工质流出系统消耗的推动功为出口截面处，系统为推动微元工质流出系统消耗的推动功为 222mvp17轴功轴功机械功机械功由稳定流动能量方程式，可得轴功与其他形式能量间的关系为：由稳定流动能量方程式，可得轴功与其他形式能量间的关系为：221 12 212121() ()()()2iwquppccgzznn=-D+-+-+-上式说明：稳定流动过程中开口系统所作的上式说明：稳定流动过程中开口系统所作的轴功轴功是工质的容是工质的容积变化功，在扣除了净推动功以及增加的流动动能、重力位积变化功，在扣除了净推动功以及增加的流动动能、重力位能之后，通过边界输出的功。能之后，通过边界输

14、出的功。技术功技术功wt 工程上可以直接利用的机械能工程上可以直接利用的机械能22s21211()()2twccg zzw18喷气式发动机利用喷气式发动机利用22211()2cc获得推力；获得推力；汽轮机利用汽轮机利用Ws带动螺旋桨；带动螺旋桨；水泵利用水泵利用g(z2-z1)来提高水的位能。来提高水的位能。将轴功的表达式代入上式，有将轴功的表达式代入上式，有21112221tddpvvpvpvpw可见，可逆过程的技术功的大小可见，可逆过程的技术功的大小可用过程线左边的面积来表示。可用过程线左边的面积来表示。19忽略宏观动能和位能，有忽略宏观动能和位能，有tsww 三、开口系统的能量方程三、开

15、口系统的能量方程物理模型物理模型20经历时间经历时间 后，系统内的质量变化：后，系统内的质量变化：d21dmmmdddd21mmm由此可得由此可得该式称为该式称为连续性方程式连续性方程式，它说明单位时间内开口系统中工质，它说明单位时间内开口系统中工质质量增加的数量等于流入和流出系统的质量流量之差。质量增加的数量等于流入和流出系统的质量流量之差。 12ddmmmqq21能量交换的情况：能量交换的情况：加入系统的热量：加入系统的热量：系统对外所作的轴功系统对外所作的轴功于是，开口系统对外界输出的净推动功为于是，开口系统对外界输出的净推动功为QsW111222mvpmvp过程中流入、流出系统的工质所

16、带入系统的净能过程中流入、流出系统的工质所带入系统的净能量为量为1122e mem22 由上述各项能量，可以得到开口系统的能量转换由上述各项能量，可以得到开口系统的能量转换关系为关系为)()(d2211111222smememvpmvpWQEUEEEpk因因ueeepk而而2fk21mcE 2fk21ce 以及以及mgzE pgzep将其代入上述开口系统能量转换关系式，即有将其代入上述开口系统能量转换关系式，即有)21(d2222f222vpgzcumEQs1112f111)21(Wvpgzcum上式即为开口系统的能量方程式。上式即为开口系统的能量方程式。232-3稳定流动能量方程的应用稳定流

17、动能量方程的应用一、热力发动机（涡轮机或压气机）一、热力发动机（涡轮机或压气机）s122f12f222)()(21)(wzzgcchhq 特点：特点： q=0，cf2cf1，z2 z1所以有所以有 ws=h1-h224二、喷管和扩压管二、喷管和扩压管特点：特点： q=0，ws=0，z2 z1所以有：所以有：)(21212221ffcchh三、加热器或冷却器三、加热器或冷却器 特点：特点： ws=0，cf2cf1，z2 z1所以有所以有 q=h2-h125四、绝热节流四、绝热节流 特点特点 q=0，ws=0，cf2=cf1，z2 z1所以有所以有 h2=h1五、风机和泵五、风机和泵 特点特点 q

18、0，cf2 cf1，z2 z1所以有所以有 -ws=h2-h126例题2-2设有一定量气体在气缸内由体积0.9m3可逆膨胀到1.4m3,过程中气体压力保持定值,且P=0.2MPa,若在此过程中气体的热力学能增加12000J,试(1)求此过程中气体吸收或放出多少热量?(2)若活塞质量为20Kg,开始时静止,求终态时活塞的速度?已知环境的压力P0=0.1MPa. 解解:(1)取取气缸内气体为系统气缸内气体为系统,这是闭口系这是闭口系,其能量方程为其能量方程为QUW 2611200012000 0.2 10 (1.4 0.9) 112000QpdVJ 因此因此过程中气体吸收热量过程中气体吸收热量11

19、2000J.27 而(2)气体对外界做功气体对外界做功,一部分用于活塞抵抗背面的大一部分用于活塞抵抗背面的大 气气,另一部分转变成活塞动能的增量另一部分转变成活塞动能的增量,故故 Ek=2221121()2mccW W211100000WpdVJ6200.1 10(1.4 0.9)50000WpVJ故故2212 500002(100000 50000)/0 70.7 /20cm cm s 28例例2-3 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，离开汽轮机的排汽焓，离开汽轮机的排汽焓 h2=2302kJ/kg，流速，流速cf2=120m/s,散热损失和进出口位置高度差可忽略不计。散热损失和进出口位置高度差可忽略不计。试求每千克蒸汽流经汽轮机时对外界所作的功。试求每千克蒸汽流经汽轮机时对外界所作的功。若蒸汽流量为若蒸汽流量为10t/h，求该汽轮机发出的功率是多少？，求该汽轮机发出的功率是多少？解解:对于对于汽轮机汽轮机22223122111() 3232 2302(120 50) 10930 5.95 924 /22sffw h hcckJ kg 工质每小时做功工质每小时做功610 1000 924 9.24 10/s