华北电力大学(北京)工程热力学课件(第二章)

1、 工程热力学课件工程热力学课件华北电力大学（北京）华北电力大学（北京）动力工程系动力工程系工程热物理教研室制作2005年5月第二章第二章热力学第一定律热力学第一定律 The first law of thermodynamics2-1 热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质 1909年，年，C. Caratheodory最后完善热一律最后完善热一律本质：本质：能量能量转换转换及及守恒守恒定律在热过程中的应用定律在热过程中的应用 18世纪初，工业革命，热效率只有世纪初，工业革命，热效率只有1% 1842年，年，J.R. Mayer阐述热一律，但没有阐述热一律，但没有 引起重视引起重视 1840

2、-1849年，年，Joule用多种实验的一致性用多种实验的一致性 证明热一律，于证明热一律，于1950年发表并得到公认年发表并得到公认闭口系循环的热一律表达式闭口系循环的热一律表达式要想得到要想得到功功，必须化费，必须化费热能热能或或其他能量其他能量热一律热一律又可表述为又可表述为“第一类永动机是第一类永动机是 不可能制成的不可能制成的”WQ压力容器压力容器压气机压气机从大气中取气从大气中取气取回部分功量取回部分功量驱动压气机驱动压气机wp？机？机氢气发动机氢气发动机水分解装置水分解装置取回部分功量驱动水分解取回部分功量驱动水分解装置装置wH2水水The use of the heat in

3、nature资料：要科学，不要永动机焦耳在探索科学真理的道路上，也走过弯路。他年轻的时候，正是永动机热席卷欧洲的时代，许多人钻进了永动机的迷宫，妄想制造出一种不消耗能量永远做功的机器。焦耳也是个“永动机迷”，曾经狂热地追求过永动机，几乎消磨了他全部的业余时间。他通宵达旦地冥思苦索、设计方案、制作机件，但是没有一个是成功的。失败引起了焦耳的深思，为什么乍一看设计上几乎无懈可击的机器，做出来却总是一堆废物？焦耳没有象有些人那样，明明进入了迷宫，还以为走进了科学的殿堂，碰了壁也不回头。他吸取教训，迷途知返，毅然退出了幻想的迷宫，转向脚踏实地的科学研究，探求隐藏在失败背后的科学真谛。经过勤奋实践，他终

4、于找到了热功当量，为建立能量守恒定律作出了杰出的贡献。这个定律好比一块路标，插在寻找永动机的十字路口，警告迷途人：此路不通！据说焦耳还现身说法，语重心长地告诫那些仍旧迷恋永动机的人说：“不要永动机，要科学！”趣闻轶事：精确的测量值在几十年里不作大修正 从1849到1878年，焦耳反复作了四百多次实验，所得的热功当量值几乎都是423.9千克米/千卡，这和现在公认值427千克米/千卡相比，只小0.7%。焦耳用惊人的耐心和巧夺天工的技术，在当时的实验条件下，测得的热功当量值能够在几十年时间里不作比较大的修正，这在物理学史上也是空前的。 坚持不懈终将获得公认(1 )1843年8月，在考尔克的一次学术报

5、告会上，焦耳作了题为论磁电的热效应和热的机械值的报告。他在报告中提出热量与机械功之间存在着恒定的比例关系，并测得热功当量值为1千卡热量相当于460千克米的机械功。这一结论遭到当时许多物理学家的反对。坚持不懈终将获得公认(2)1845年在剑桥召开的英国科学协会学术会议上，焦耳又一次作了热功当量的研究报告，宣布热是一种能量形式，各种形式的能量可以互相转化。但是焦耳的观点遭到与会者的否定，英国伦敦皇家学会拒绝发表他的论文。1847年4月，焦耳在曼彻斯特作了一次通俗讲演，充分地阐述了能量守恒原理，但是地方报纸不理睬，在进行了长时间的交涉之后，才有一家报纸勉强发表了这次讲演。同年6月，在英国科学协会的牛

6、津会议上，焦耳再一次提出热功当量的研究报告，宣传自己的新思想。会议主席只准许他作简要的介绍。只是由于威廉汤姆孙在焦耳报告结束后作了即席发言，他的新思想才引起与会者的重视。直到1850年，焦耳的科学结论终于获得了科学界的公认。2-2 2-2 热力学能（内能）和总能热力学能（内能）和总能内能内能(internal energy)的导出的导出闭口系循环闭口系循环()0QWQW内能的导出内能的导出对于循环对于循环1a2c11 22 1()()0acQWQW对于循环对于循环1b2c11 22 1()()0bcQWQW1 21 2()()abQWQW()0QW状态参数状态参数pV12abc内能及闭口内能及

7、闭口系热一律表达式系热一律表达式定义定义 dU = Q - W 内能内能U 状态函数状态函数 Q = dU + WQ = U + W闭口系闭口系热一律表达式热一律表达式！两种特例两种特例 绝功系绝功系 Q = dU 绝热系绝热系 W = - dU内能内能U 的物理意义的物理意义dU = Q - W W Q dU 代表某微元过程中系统通过边界代表某微元过程中系统通过边界交换的交换的微热量微热量与与微功量微功量两者之差值，也两者之差值，也即即系统内部能量系统内部能量的变化。的变化。 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 内储存能内储存能（内能内能、热力学能热力学能）内能的性质内能的

8、性质分子动能（移动、转动、振动）分子动能（移动、转动、振动）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内能内能 内能内能是状态量是状态量 U : 广延参数广延参数 kJ u : 比参数比参数 kJ/kg 内能内能总以变化量出现，总以变化量出现，内能内能零点人为定零点人为定说明：说明：系统总能系统总能外部储存能外部储存能宏观动能宏观动能 Ek= mc2/2宏观位能宏观位能 Ep= mgz机械能机械能系统总能系统总能E = U + Ek + Epe = u + ek + ep一般与系统同坐标，常用一般与系统同坐标，常用U, dU, u, du热一律的文字表达式热一律的文字表达式热

9、一律热一律: 能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律进入进入系统的系统的能量能量 - 离开离开系统的系统的能量能量 = 系统系统内部储存能量内部储存能量的的变化变化 W Q一般式一般式 Q = dU + W Q = U + W q = du + w q = u + w单位质量工质单位质量工质适用条件：适用条件：1）任何工质）任何工质 2) 任何过程任何过程2323热力学第一定律基本表达式闭口系能量方程中的功闭口系能量方程中的功功功 （ w） 是广义功是广义功 闭口系与外界交换的功量闭口系与外界交换的功量 q = du + w准静态容积变化功准静态容积变化功 pdv拉伸功拉伸功 w拉伸拉伸= -

10、dl表面张力功表面张力功 w表面张力表面张力= - dA w = pdv - dl - dA +.闭口系能量方程的通式闭口系能量方程的通式 q = du + w若在地球上研究飞行器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准静态和可逆闭口系能量方程简单可压缩系简单可压缩系准静态过程准静态过程 w = pdv q = du + pdv q = u + pdv热一律解析式之一热一律解析式之一 2-4 开口系统能量方程开口系统能量方程推导推导 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc

11、能量守恒原则能量守恒原则进入进入系统的系统的能量能量 - -离开离开系统的系统的能量能量 = =系统系统储存能量储存能量的的变化变化推动功的引入推动功的引入 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv这个结果与实验这个结果与实验不符不符少了少了推动功推动功推进功（推进功（flow work）的表达式的表达式推动功推动功（推进功）（推进功）：系统引进或排除工质传递的功量。注意：注意： 不是不是 pdv v 没有变化没有变化pA

12、 Hpvv1 pvp1 1流动功流动功：系统维持流动所花费的代价系统维持流动所花费的代价。)(1122pvvpvp推动功在p-v图上：对推进功的说明对推进功的说明1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推进功不存在有关，流动停止，推进功不存在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、w推推pv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（动能、位能）变化引起，并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，流动工质所而由外界做出，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，

13、外界与系统之由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种间所传递的一种机械功机械功，表现为流动工质进，表现为流动工质进出系统使所出系统使所携带携带和所和所传递传递的一种的一种能量能量开口系能量方程的推导开口系能量方程的推导 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout212inc212outc Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv minpvout开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式 Q + min(u + pv+c2/2 + gz)in - Wnet - mout(u + pv+c2/

14、2 + gz)out = dEcv工程上常用工程上常用流率流率0limQQ0limmm0limWW2cvout2innetind/ 2/ 2outQEupvcgzmupvcgzmW开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式当有多条进出口：当有多条进出口：netcv2outout2inind/ 2/ 2QEWupvcgzmupvcgzm流动时，总一起存在流动时，总一起存在焓焓(enthalpy)的引入的引入定义：定义：焓焓 h = u + pv netcv2outout2inind/ 2/ 2QEWupvcgzmupvcgzmhh开口系能量方程开口系能量方程焓焓（Enthalpy) ) 的说明的说

15、明 定义：定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 1、焓焓是状态量是状态量2、H为广延参数为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh h为比参数为比参数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+推进功推进功) 对静止工质，对静止工质，焓焓不代表不代表能量能量4 4、物理意义：开口系中随工质物理意义：开口系中随工质流动而携带流动而携带的、取决的、取决 于热力状态的于热力状态的能量能量。2-5 稳定流动能量方程稳定流动能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc稳定流动条件稳定流动条件（st

16、eady-flow energy equation)1、outinmmm2、QConst3、netsWConstW轴功轴功Shaft work每截面状态不变每截面状态不变4、,/0C VdE稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导outinmmmQConstnetsWConstW,/0C VdEnetcv2outout2inind/ 2/ 2QEWhcgzmhcgzm稳定流动条件稳定流动条件0mmsW稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导22soutin22ccQmhgzhgzWQm qssWm w1kg工质工质22soutin22ccqhgzhgzw2s12qhcgzw 稳定流动能

17、量方程稳定流动能量方程2s12qhcgzw 适用条件：适用条件：任何流动工质任何流动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程单位质量工质的开口与闭口单位质量工质的开口与闭口wsq稳流开口系稳流开口系2s12qhcgzw quw 闭口系闭口系(1kg)容积变化功容积变化功等价等价技术功技术功wt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 容积变化功容积变化功w技术功技术功wtquw 闭口闭口稳流开口稳流开口等价等价轴功轴功ws推进功推进功 (pv)几种功的关系？几种功的关系？几种功的关系几种功的关系2t12swcgzw t()tqhwupvw quw ()twpvwwwt(pv)c2/

18、2wsgz做功的根源做功的根源ws准静态下的技术功准静态下的技术功()tpdvd pvw()twpvw()twd pvw准静态准静态()()twpdvd pvpdvpdvvdpvdptwvdp准静态准静态qdupdvqdh vdp热一律解析式之一热一律解析式之一热一律解析式之二热一律解析式之二twvdp技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示1 12 2vdppdvpvp v1 12 2twwpvp v()twwpv12 1ba12341 140a 230b()twpvw机械能守恒机械能守恒s2t2/wgdzdcvdpw对于流体流过管道，对于流体流过管道，0sw2102vdpdcgdz 压

19、力能压力能 动能动能 位能位能机械能守恒机械能守恒2102dpdcdzgg柏努利方程柏努利方程 2-6 稳定流动能量方程应用举例稳定流动能量方程应用举例s22/wzgchq热力学问题经常可忽略动、位能变化热力学问题经常可忽略动、位能变化例：例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kgz1 = 0 m z2 = 30 mg ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg1bar下下, 20 oC水的水的 h1 = 84 kJ/kg100 oC水蒸气的水蒸气的 h2 = 2676 kJ/kgsqhw 例例1：透平：透平(Turbine

20、)机械机械火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 燃气轮机燃气轮机蒸汽轮机蒸汽轮机透平透平(Turbine)机械机械sqhw 1) 体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0ws = -h = h1 - h20输出的轴功是靠焓降转变的输出的轴功是靠焓降转变的例例2：压缩机械：压缩机械火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机压气机水泵水泵制冷制冷空调空调压缩机压缩机压缩机械压缩机械sqhw 1) 体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0ws = -h = h1 - h230？说明是

21、推动功转换成热力学能即使向真空系统输送，也需要推动功！例题例题：有一台稳定工况下运行的水冷式压缩机，运行参数如附图所示。设空气的比热容cp=1.003kJ/(kgK),水的比热容cw=4.187kJ/(kgK)。若不计压气机向环境的散热损失以及动能差及位能差，试确定驱动该压气机所需的功率。已知空气的焓差h2-h1=cp(T2-T1)取控制体为压气机（但不包括水冷部分）考察能量平衡解：流入：1111111 1mVmPe qp qPqup v 流出：12122222mVme qp qqup v 水水内增： 0131214321()1.5 4.18730 151.29 1.003100 18200.

22、3 kWmmwmpPqhhq cttq cTT 水？若取整个压气机（包括水冷部分）为系统，忽略动能差及位能差则：流入：113113mVmPu qp qq h水流出：1231322424mVmmmu qp qq hq hq h内增 0？1313mmPq hq h132143mmWqhhqhh查水蒸气表得43125.66kJ/kg62.94kJ/kg200.2kWhhP本题说明： 1）同一问题，取不同热力系，能量方程形式不同。2）热量是通过边界传递的能量，若发生传热两物体同在一体系内，则能量方程中不出现此项换热量。 3）黑箱技术不必考虑内部细节，只考虑边界上交换及状况。4）不一定死记能量方程，可从第一定律的基本表达出发。第二章第二章 小结小结1、本质：本质：能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律进进 - 出出 = 内能增量内能增量第二章第二章 小结小结2ou