热工基础课件2

1、第一篇 工程热力学本章主要内容F热力学第一定律的实质F系统储存能F闭口系能量方程F状态参数焓F开口系统能量方程及其应用本章基本要求1掌握热力系储存能的概念，掌握状态参数热力学能、焓的定义及物理意义；2深刻理解热力学第一定律的实质，并能熟练运用热力学第一定律的数学表达式（即能量方程）对闭口系能量交换进行分析及计算；3理解稳定流动的特点及开口系与闭口系在能量分析上的区别，并能熟练运用稳定流动的能量方程式对工程问题进行能量转换的分析和计算；4了解膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功之间的联系与区别。2-1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质 19世纪30-40年代，迈尔焦耳（德国医生）发现并确

2、定了能量转换与守恒定律。恩格斯将这列为19世纪三大发现之一。 能量转换与守恒定律定律指出：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。而在转换中，能量的总量恒定不变。 至今为止，没有一个人提出一个事实不符合这条自然规律的，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。热力学是研究能量及其特性的科学，它必然要遵循这条规律。（细胞学说、达尔文进化论）2-1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质 实质：热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学上的应用。 意义：确定了热能和机械能之间的相互转换的数量关系，

3、是工程热力学的理论基础之一，是热工分析与计算的理论依据。 表述：热可以变为功，功也可以变为热，在相互转变时能的总量是不变的。热力学第一定律又称为当量定律。 当量定律：功和热量的当量关系可表示为： QAW 式中 A功热当量表示单位功所相当的热量。相当相当热热 功功工程上，常采用kwh(干瓦时)作为功的单位， 热量的单位为KJ则： A=3600KJ/ (kwh)； 国际单位制中，功和热量的单位相同则A1。第一类永动机思考? 第一类永动机：不消耗能量而能对外连续作功的机器；实践证明是不可能实现的。 故热力学一定律也可表述为：“第一类永动机是永远也造不成的”。 各种永动机问题长期困扰着科技界与社会。

4、第二类永动机从单一热源取热，并将其全部转变机械功的机器（或：热效率等于100%的机器）（有关问题在第四章课中将详细讨论）。 长期以来一直有人在追求、研究各种形式的永动机，无一有所收获。希望同学们树立正确的思想方法，既要有怀疑精神，也不要误入歧途。 下面看几个第一类永动机的几个例子:永动机设想？Q锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器WnetQout电电加加热热器器永动机设想？02-热力学第一定律 SCH9第一类永动机02-热力学第一定律 SCH10第一类永动机永动机设想?02-热力学第一定律 SCH12第二类永动机设想？饮水鸟，利用液体挥发降温实现动作，也是需要存在温差的（饮

5、水鸟的两端存在温差），因而不是第二类永动机。永动机设想？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2-2 系统储存能能量是物质运动的度量，运动有各种不同的形态，相应的就有各种不同的能量。系统储存的能量称为储存能，它有内部储存能与外部储存能之分。系统的内部储存能即为热力学能。系统储存能系统储存能内部储存能(微观)（热力学能即内能）外部储存能(宏观)（宏观机械能）一、热力学能(内能)1、概念：热力学能是储存在系统内部的各种微观能量的总称，它与系统内工质的内部粒子的微观运动和粒子的空间位置有关. 热力学能(内能) 符号：U，法定计量单位

6、：焦耳（J） 比热力学能(比内能)（1kg物质的热力学能） ： 符号：u，单位：J/kg增加热力学能的两种方法:做功和传热一、热力学能(内能)2、微观组成：内动能：分子热运动（移动、转动、振动）形成的内动能。它是温度的函数。内位能：分子间相互作用形成的内位能。它是比体积和温度的函数。其它能：维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子能及电磁场作用下的电磁能等。注意：工程热力学中只存在内动能和内位能。所以有：u=f(T,v)一、热力学能（内能）3、热力学能特性热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数；其变化量与过程特性无关，只与初、终状态有关；对理想气体,热力学能只与工质的温度有关。012112

7、2112badUUUdUU12122121UUUUUba211221UUUU注意：注意：pv12ab0物体的内能与机械能的区别1能量的形式不同。物体的内能和物体的机械能分别跟两种不同的运动形式相对应，内能是由于组成物体的大量分子的热运动及分子间的相对位置而使物体具有的能而机械能是由于整个物体的机械运动及其与它物体间相对位置而使物体具有的能。 2决定能量的因素不同。内能只与物体的温度和体积有关，而与整个物体的运动速度路物体的相对位置无关机械能只与物体的运动速度和跟其他物体的相对位置有关，与物体的温度体积无关。 3一个具有机械能的物体，同时也具有内能；一个具有内能的物体不一定具有机械能。二、外部储

8、存能二、外部储存能需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的宏观动能和重力位能：宏观动能： m 物体质量；c 运动速度重力位能： Z 相对于系统外的参考坐标系的高度221mcEkmgzEp系统总储存能系统总储存能( (E E)=)=热力学能热力学能( (U U)+)+外储存能外储存能( (E Ek k+ +E Ep p) )单位质量工质的比储存能：单位质量工质的比储存能：gZcue221比储存能为状态参数，对于没有宏观运动且相对高度为零的系统，总储存能就等于热力学能， 即：e=u 或 E=U三、系统的总储存能mgZmcUEEUEPK2212-3 闭口系能量方

9、程式 闭口系：系统与外界没有物质交换，传递能量只有热量和功量两种形式。在热力过程中（如图）系统从外界热源取得热量Q；对外界做膨胀功W；=进入进入系统的系统的能量能量离开离开系统系统的能量的能量系统内部储存系统内部储存能量的变化能量的变化- -能量平衡关系式：W WQ QEEEWQ12对于不做整体移动的闭口系，系统宏观动能和位能均无变化，有：（E=U），故WUQ对微元过程WdUQ单位质量wduq热能转变为机械能的根本途径热力系吸收的能量增加系统的热力学能对外膨胀作功EEEWQ12wuq 一定质量对微元过程2-3 闭口系能量方程式第一定律基本表达式的符号规定WUQ+系统吸热系统吸热系统放热系统放热

10、内能增加内能增加内能减少内能减少系统对外界做功系统对外界做功外界对系统做外界对系统做功功QW12UUUWQwuq 对可逆过程，上述一定律的表达式也可表示为下列各式(只适用于可逆过程)：注意：以上各能量方程式适用于闭系各种过程（可逆或不可逆）及各种工质（理想气体、实际气体或液体）21pdvw21pdVUQ21pdVdUQ21pdvuq21pdvduq一定一定质量质量单位单位质量质量一定一定过程过程微元微元过程过程pdVpdv例题分析 例2-1：气体在某一过程中吸收的热量为50J，同时热力学能增加了84J，问此过程是膨胀过程还是压缩过程?作功量为多少? 解：根据题意，有 Q=50J，U=84J，由

11、闭口系能量方程式，可得: W=Q-U=50-84=-34J0可见，此过程为压缩过程，外界对气体作功34J。 例题分析 例2-2：一闭口系从状态1沿1-2-3途径到状态3,传递给外界的热量为47.5kJ,而系统对外作功为30kJ,如图所示。(1)若沿1-4-3途径变化时,系统对外作功15kJ,求过程中系统与外界的传热量；(2)若系统从状态3沿图示曲线途径到达状态1,外界对系统作功6kJ，求该过程中系统与外界传递的热量；(3)若U2 =175kJ, U3 =87.5kJ,求过程2-3传递的热量及状态1的热力学能。 解：对途径1-2-3，由闭口系能量方程式得 U123=U3-U1=Q123-W123

12、=-47.5-30=-77.5kJ（1）对途径1-4-3，由闭口系能量方程式得 Q143=U143+W143 而U143=U123=-77.5kJ，故 Q143=-77.5+15=-62.5kJ （说明系统向外界放热）pv1234（2）对途径3-1，由闭口系能量方程式得 Q31=U31+W31=-U123+W31 =77.5+(-6)=71.5kJ （说明系统从外界吸热）（3）对途径2-3，有W23=0，则 Q23=U23+W23=U3-U2 =87.5-175=-87.5kJ U1=U3-U123=87.5-(-77.5)=165kJ2-4 状态参数焓 在热力设备中，工质的吸热和作功过程往往

13、伴随着工质的流动而进行。除了热和功交换外，还有物质交换，并且由于物质交换引起其它能量的交换；此时热力系属开口系。 如火力发电厂中，给水在锅炉各受热面用加热器中的吸热过程；蒸汽在汽轮机中的作功过程等。如推动功。一、推动功与流动净功1、推动功：工质在流过热力设备时，必须受外力推动，这种推动工质流动而作的功称为推动功（流动功、推进功）。 W推推 = p A h = pV=mpv 单位质量流动功：单位质量流动功：w推推= pv注意：不是 pdv,，v 没有变化；推动功不是工质本身具有的能量，它是用来维持工质流动的，是伴随工质流动而带入和带出的能量。对推动功的理解1 1、与宏观流动有关，流动停止，推进功

14、不存在；、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在；2 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化；化；3 3、ww推推pvpv与所处状态有关，是状态量与所处状态有关，是状态量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（泵与风机）做出，流动工质所携带而由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量的能量可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间可理解为：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所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量统使所

15、携带和所传递的一种能量2、流动净功 流动净功：对于有同时有工质进出的开口系，系统与外界交换的推动功的差值，称为流动净功。流动净功可视为由于工质的进出，系统与外界传递的能量。流动功与流动净功动画对单位质量：wf=(pv)二、焓 对于mm千克工质： pVUH焓焓=内能内能+流动功流动功 2 2、焓的物理意义：、焓的物理意义：（1 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，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. .思考：思考：对理想气体 有：h= u+RgT= f (T) 对于1 1千克工质：h=u+ p v

16、（2 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，焓只是一个复合状态参数，态参数，1 1、焓的定义式：、焓的定义式：单位：J或kJ单位：J/kg或kJ/kg焓只与状态参数u,p,v有关，它也是状态参数2-5 开口系稳定流动的能量方程开口系稳定流动的能量方程及其应用及其应用稳定流动概念：开口系统内任意各点工质的热力状态参数和运动参数都不随时间而变化的流动过程。如：电厂中的热力设备（汽轮机、加热器等），除启动、停止或者加减负荷外，大部分时间是在外界影响不变的条件下稳定运行的，可以认为处于稳态稳定流动状态。稳定流动必须满足以下条件：（1）系统内及边界各点工质的状态不

17、随时间变化；（2）系统内各流通截面上工质的质量流量相等，且不随时间而变，满足质量守恒；即qm1=qm2=qm。（3）系统内储存的能量保持不变，即单位时间内输入系统的能量应等于从系统输出的能量，即E=0。 一、稳定流动的能量方程一、稳定流动的能量方程在单位时间内有 mkg工质带入系统的能量：（1）焓H1=U1+P1V1（2）宏观动能（3）重力位能mgz1（4）外界加入热量Q mkg工质带出的能量有： （1）焓H2=U2+P2V2（2）宏观动能（3）重力位能mgz2（4）系统对外输出轴功WS 2121mcWsQP1 v1 H1c1c2z1z2P2 v2 H22221mc)2(1211gzchmQ离

18、开系统的总能量： )2(2222gzchmWs由于是稳定流动，系统储存能的变化量E=0。代入能量平衡方程式，可得开口系统稳定流动能量方程： sWzzgcchhmQ)()(21)(12212212单位质量工质： swzgchq221进入系统的总能量：此方程适用于任何工质、任何稳定流动过程；由此可知：系统从外界吸收的热量，一部分用于增加工质的焓；一部分用增加工质的动能和位能；其于用于对外输出轴功。1、技术功：在上式中，后三项实际上都属于机械能，工程上可直接利用的功；故把此三项合并在一起称技术功（Wt）。单位质量工质技术功： stwzgcw221故开口系统的稳定流动能量方程还可以写为：twhq压力变

19、化是技术功的标志。压力变化是技术功的标志。二、技术功vdpwt2、技术功的计算式：坐标上的投影面积过程线在pvdpwt21w wt tswzgchq2213、膨胀功、技术功、轴功间的关系由稳定流动能量方程可得：tswpvwZgcpvuq221)(再由闭口系能量方程有：q-u=w所以：tswpvwZgcpvw221)(u在闭口系中，工质的体积变化功直接表现为对外膨胀做功，而在开口稳流系统中，工质的体积变化功为：维持工质流动所必须支付的流动净功、工质本身动能和位能的增加、对外输出的轴功。u当不计动能和位能变化时，技术功就等于轴功。u由此可见：技术功是由热能转换所得的体积变化功扣除流动净功后得到的。

20、sstwwzgcw221不计动能和不计动能和位能变化时位能变化时膨胀功与技术功动画膨胀功与技术功动画常见的稳流装置三、稳定流动能量方程应用举例1、热力发动机热力发动机（汽轮机、燃气轮机等）是将热能转换为机械能的设备，在正常运行时，其内部工质的流动可视为稳定流动。动画特点：0212122cc012ZZg0qs12212212)()(21)(wzzgcchhq21shhwwt故有：可见：工质在热机对所作的功等于热机进出口工质的可见：工质在热机对所作的功等于热机进出口工质的焓的减少，这时的轴功就是技术功。焓的减少，这时的轴功就是技术功。三、稳定流动能量方程应用举例2、换热器s12212212)()(

21、21)(wzzgcchhq特点：特点：0sw0212122cc012ZZg故有：12hhq可见：工质在换热设备中流动时，吸收的热量等于其焓可见：工质在换热设备中流动时，吸收的热量等于其焓的增加。的增加。换热器是实现两种流体热量交换的设备，电厂中的换热设备有：锅炉及各受热面（过热器、再热器、省煤器、空气预热器等）、回热加热器、凝汽器、冷油器等。动画电厂高加三、稳定流动能量方程应用举例3、泵与风机 泵与风机是输送工质的设备，并消耗轴功以提高工质的压力，如电厂中的给水泵、循环水泵、送（引）风机等。动画 特点： s12212212)()(21)(wzzgcchhq0212122cc012ZZg0q12

22、shhwwt可见：泵现风机对工质所作的功等于工质进口工质的焓可见：泵现风机对工质所作的功等于工质进口工质的焓的增加，这时的轴功就是技术功。的增加，这时的轴功就是技术功。w wh h2 2h h1 14 4、喷管、喷管( (动画动画) )5 5、绝热节流、绝热节流( (动画动画) ) 0sw0q0q0sw12zz 12cc 所以有：所以有：)(21212221cchh12hh 特点：特点：特点：特点：所以有：所以有：s12212212)()(21)(wzzgcchhq12zz 工质动能的增加等于其焓的减少工质绝热前后焓值相等，但不是等焓过程三、稳定流动能量方程应用举例例题分析 例2-3： 已知汽轮机进口水蒸汽焓为h13230KJ/Kg，流速c150m/s；出口水蒸汽焓为h22300KJ/Kg，流速c2120m/s。蒸气的质量流量qm6