热力学第一定律学习教案

1、会计学1热力学第一热力学第一(dy)定律定律第一页，共49页。思考题思考题 工质膨胀工质膨胀(png zhng)是否一定对外作功？是否一定对外作功？做功做功(zugng)对象和做功对象和做功(zugng)部件部件定容过程是否一定不作功？定容过程是否一定不作功？开口系，技术功开口系，技术功定温过程是否一定不传热？定温过程是否一定不传热？相变过程（冰融化，水汽化）相变过程（冰融化，水汽化）twvdp 水轮机水轮机第1页/共49页第二页，共49页。气体被压缩气体被压缩(y su)时一定消耗外时一定消耗外功功热力学功指有用功热力学功指有用功p00WpdVp dV对外作功指有用功对外作功指有用功第2页/

2、共49页第三页，共49页。气体边膨胀气体边膨胀(png zhng)边边放热是可能的放热是可能的tQHW 对工质加热，其温度反而降低对工质加热，其温度反而降低(jingd)，这种情况不可能这种情况不可能QUW 000第3页/共49页第四页，共49页。例题例题1 一闭口系从状态一闭口系从状态1沿沿1-2-3途径到状态途径到状态3，传递给外界的热量，传递给外界的热量为为47.5kJ，而系统对外作功，而系统对外作功30kJ，如图所示：，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传递的热量；（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

3、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。pv1234第4页/共49页第五页，共49页。解：对途径1-2-3，由闭口系能量(nngling)方程得： U123=U3-U1=Q123-W123=（-47.5）-30=-77.5kJ（1）对途径(tjng)1-4-3，由闭口系能量方程得： Q143= U143+W143= U123+W143=（U3-U1）+W143 =（-77.5）+15=-62.5kJpv1234第5页/共49页第六页，共49页。（2）对途径(tjng)3-1，可得到： Q31= U31+W31= （U1-

4、U3）+W31 =77.5+（-6）=71.5kJ（3）对途径(tjng)2-3，有 W23= =0 则 Q23= U23+W23 = （U3-U2） =87.5-175=-87.5kJ U1=U3- U123=87.5-(-77.5)=165kJ21pdV讨论：讨论： 热力学能是状态参数，其变化只决定于初终状态，与变化所经历热力学能是状态参数，其变化只决定于初终状态，与变化所经历(jngl)的途径无关。而热与功不同，它们是过程量，其变化不仅与初终态有关，而的途径无关。而热与功不同，它们是过程量，其变化不仅与初终态有关，而且决定于变化所经历且决定于变化所经历(jngl)的途径。的途径。pv12

5、34第6页/共49页第七页，共49页。（1）若空气流量(liling)100kg/s为，压气机消耗的功率为多大？（2）若燃气的发热值qB=43960 kJ/kg ，燃料的耗量为多少？（3）燃气在喷管出口处的流速Cf3是多少？（4）燃气轮机的功率为多大？（5）燃气轮机装置的总功率为多少？12334例题例题2 某燃气轮机装置，如图所示。已知压气机出口处空气的比焓某燃气轮机装置，如图所示。已知压气机出口处空气的比焓h1=290kJ/kg。经压缩后，空气升温使比焓增为。经压缩后，空气升温使比焓增为h2=580kJ/kg 。在截面。在截面(jimin)2处空气和燃料的混合物以处空气和燃料的混合物以Cf2

6、=20m/s的速度进入燃烧室，在定压的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，使工质吸入热量下燃烧，使工质吸入热量q=670 kJ/kg 。燃烧后燃气进入喷管绝热膨胀到状。燃烧后燃气进入喷管绝热膨胀到状态态3， h3=290kJ/kg ，流速增加到，流速增加到Cf3，此燃气进入动叶片，推动转，此燃气进入动叶片，推动转轮回转作功。若燃气在动叶片中的热力状态不变，最后离开燃气轮机的速轮回转作功。若燃气在动叶片中的热力状态不变，最后离开燃气轮机的速度度Cf4=100m/s 。求：。求：第7页/共49页第八页，共49页。解（1）压气机消耗的功率 取压气机开口系为热力系。假定压缩过程是绝热的，忽略宏观动、位能差的

7、影响。由稳定流动能量方程 q= h+1/2 cf2+g z+ws,c得ws,c=- h=h1-h2=290-580=-290kJ/kg 压气机消耗的功率PC=qmws,c=100290=29000kW（2）燃料(rnlio)的耗量qm,B=qmq/qB=100 670/43960=1.52kg/s（3）燃料(rnlio)在喷管出口处的流速 取截面2至截面3的空间作为热力系，工质作稳定流动，若忽略重力位能差值，则能量方程为q=(h3-h2)+1/2(cf32-cf22)+ws 因ws=0，故cf3=2q-(h3-h2)+ cf221/2=2670 103-（800-580） 103+2021/2

8、 =949m/s12334第8页/共49页第九页，共49页。（4）燃气轮机的功率因整个燃气轮机装置为稳定流动，所以燃气流量等于空气流量。取截面3至截面4转轴(zhunzhu)的空间作为热力系，由于截面3和截面4上工质的热力状态参数相同，因此h4=h3。忽略位能差，则能量方程为：1/2(cf42-cf32)+Ws,T=0Ws,T= 1/2(cf3 2-cf42)=1/2 （9492-1002） =445.3 103 kJ/kg 燃气轮机的功率PT= qmws,T=100 445.3=44530kW(5)燃气轮机装置的总功率 装置的总功率=燃气轮机产生的功率 压气机消耗的功率即 P=PT-PC=4

9、4530-29000=15530kW12334第9页/共49页第十页，共49页。例题例题3 某一蒸汽轮机，进口蒸汽参数为某一蒸汽轮机，进口蒸汽参数为p1=9.0MPa，t1=500，h1=3386.8kJ/kg，cf1=50m/s，出口蒸汽参数为，出口蒸汽参数为p2=4kPa，h2=2226.9kJ/kg，cf2=140m/s ，进出口，进出口高度差为高度差为12m，每，每kg蒸汽经汽轮机散热损失为蒸汽经汽轮机散热损失为15kJ。试求：。试求：（1）单位质量蒸汽流经汽轮机对外输出的功；）单位质量蒸汽流经汽轮机对外输出的功；（2）不计进出口动能的变化，对输出功的影响；）不计进出口动能的变化，对输

10、出功的影响；（3）不计进出口位能差，对输出功的影响；）不计进出口位能差，对输出功的影响；（4）不计散热损失，对输出功的影响；）不计散热损失，对输出功的影响；（5）若蒸汽流量）若蒸汽流量(liling)为为220t/h，汽轮机功率有多大？，汽轮机功率有多大？解（解（1）选汽轮机开口系为热力系，汽轮机是对外输出功的叶轮式动力）选汽轮机开口系为热力系，汽轮机是对外输出功的叶轮式动力机械，它对外输出的功是轴功。由稳定机械，它对外输出的功是轴功。由稳定(wndng)流动能量方程流动能量方程 q= h+1/2 cf2+g z+ws 得得ws= q- h-1/2 cf2-g z=(-15)-(2226.9-

11、3386.8)- (1402-502) 10-3- 9.8 (-12) 10-3=1.136 103 kJ/kg第10页/共49页第十一页，共49页。（2）第（）第（2）第（第（5）问，实际上是计算）问，实际上是计算(j sun)不计动、位能差不计动、位能差及散热损失时，所得轴功的相对偏差及散热损失时，所得轴功的相对偏差%75. 010136. 11050140212133222sfKEwc%01. 010136. 110)12(8 . 933sPEwzg%3 . 110136. 1153sqwq（4）（3）（5）kWwqPsm4331094. 610136. 1360010220第11页/共

12、49页第十二页，共49页。例题例题4 空气在某压气机中被压缩。压缩前空气的参数空气在某压气机中被压缩。压缩前空气的参数(cnsh)是是p1=0.1MPa，v1=0.845m3/kg；压缩后的参数；压缩后的参数(cnsh)是是p2=0.8MPa，v2=0.175m3/kg；假定在压缩过程中，；假定在压缩过程中，1kg空气的热力学能增加空气的热力学能增加146kJ，同时向外放出热量，同时向外放出热量50kJ，压气机每分钟生产压缩空气，压气机每分钟生产压缩空气10kg。求：求：（1）压缩过程中对每公斤气体所作的功；）压缩过程中对每公斤气体所作的功；（2）每生产）每生产1kg的压缩气体所需的功；的压缩

13、气体所需的功；（3）带动此压气机至少要多大功率的电动机？）带动此压气机至少要多大功率的电动机？解解 分析：要正确求出压缩过程的功和生产压缩气体的功，必须依赖于热分析：要正确求出压缩过程的功和生产压缩气体的功，必须依赖于热力系同的正确选取，及对功的类型力系同的正确选取，及对功的类型(lixng)的正确判断。压气机的工作过程的正确判断。压气机的工作过程包括进气、压缩和排气包括进气、压缩和排气3个过程。在压缩过程中，进、排气阀均关闭，因此个过程。在压缩过程中，进、排气阀均关闭，因此此时的热力系统是闭口系，与外界交换的功是体积变化功此时的热力系统是闭口系，与外界交换的功是体积变化功w。而要生产压。而要

14、生产压缩气体，则进、排气阀要周期性地打开和关闭，气体进出气缸，因此气体缩气体，则进、排气阀要周期性地打开和关闭，气体进出气缸，因此气体与外界交换的功为轴功与外界交换的功为轴功ws。又考虑到气体动、位能的变化不大，可忽略，。又考虑到气体动、位能的变化不大，可忽略，则此功是技术功则此功是技术功wt。第12页/共49页第十三页，共49页。（1）压缩过程所作的功 由闭口系能量方程得： w=q-u=（-50）-146=-196kJ/kg（2）生产压缩空气(ysu kngq)所需的功 由开口系能量方程得： wt=q- h=q- u- （pv） =（-50）- 146 - （0.8 103 0.175- 0

15、.1 103 0.845 ） =-251.5kJ/kg（3）电动机的功率 P=qmwt=10/60 251.5=41.9kW第13页/共49页第十四页，共49页。第14页/共49页第十五页，共49页。第15页/共49页第十六页，共49页。第16页/共49页第十七页，共49页。循环循环(xnhun)121 2aUU121 2aWW1 21 21 2aaaQUW 121212QUW 思考题思考题4附图附图121 2aQQ121 2tt aWW121 2aHH 121212tQHW 1 21 21 2aat aQHW 0U 0H tWWQ蜒第17页/共49页第十八页，共49页。P q 7m671mm

16、m1m7771166m hm qm hm hP第18页/共49页第十九页，共49页。习题习题(xt)2-3 储气罐原有气体储气罐原有气体(qt)m0,u0输气管状态不变，输气管状态不变，h经经 时间充时间充气，关阀气，关阀储气罐中气体储气罐中气体m求：求：储气罐中气体储气罐中气体热力学能热力学能u 忽略动、位能变化，且管路、忽略动、位能变化，且管路、储气罐、阀门均绝热储气罐、阀门均绝热m0,u0h第19页/共49页第二十页，共49页。1）取储气罐为系统）取储气罐为系统(xtng)开口开口(ki ku)系系2）取最终罐中气体为系统取最终罐中气体为系统闭口系闭口系3）取将进入储气罐的气体为系统取将

17、进入储气罐的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4）取储气罐原有气体为系统取储气罐原有气体为系统闭口系闭口系第20页/共49页第二十一页，共49页。忽略忽略(hl)动位能动位能变化变化hcvnet2outout2inind/2/2QEWhcgzmhcgzm绝热绝热无作功部件无作功部件(bjin)无离开气体无离开气体cvin0dEh mcvindUh m第21页/共49页第二十二页，共49页。经经时间时间(shjin)充气，充气，积分概念积分概念hh是常数是常数(chngsh)cvindUh m0 00cvinmumm umdUh m000()mum uh mm000()h mmm uum第22页

18、/共49页第二十三页，共49页。1）取储气罐为系统）取储气罐为系统(xtng)开口开口(ki ku)系系2）取最终罐中气体为系统取最终罐中气体为系统闭口系闭口系3）取将进入储气罐的气体为系统取将进入储气罐的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4）取储气罐原有气体为系统取储气罐原有气体为系统闭口系闭口系第23页/共49页第二十四页，共49页。hm0m-m0QUW 绝热绝热000()Umum umm u0()Wmmpv 0000()()0mum umm ummpv000()0mum umm h000()h mmm uumm-m0第24页/共49页第二十五页，共49页。1）取储气罐为系统）取储气罐为系

19、统(xtng)开口开口(ki ku)系系2）取最终罐中气体为系统取最终罐中气体为系统闭口系闭口系3）取将进入储气罐的气体为系统取将进入储气罐的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4）取储气罐原有气体为系统取储气罐原有气体为系统闭口系闭口系第25页/共49页第二十六页，共49页。m0hm-m0QUW m0与与m-m0有温差有温差(wnch)传热传热Q100() ()Umm umm u01()WmmpvW m-m0对对m0作功作功W110001() ()()Qmm umm ummpvW1001() ()Qmm umm hW?m-m0第26页/共49页第二十七页，共49页。1）取储气罐为系统）取储气罐

20、为系统(xtng)开口开口(ki ku)系系2）取最终罐中气体为系统取最终罐中气体为系统闭口系闭口系3）取将进入储气罐的气体为系统取将进入储气罐的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4）取储气罐原有气体为系统取储气罐原有气体为系统闭口系闭口系第27页/共49页第二十八页，共49页。m0hm-m0QUW m0与与m-m0有温差有温差(wnch)传热传热Q1000Um um um0得得m-m0作功作功W110001Qm um uW1001() ()Qmm umm hW?11QQ 11WW 第28页/共49页第二十九页，共49页。m0hm-m010001Qm um uW1001() ()Qmm umm

21、 hW11QQ 11WW 1111()QWQW 00000() ()()mm umm hm um u 000()mum umm h000()h mmm uum第29页/共49页第三十页，共49页。1）取储气罐为系统）取储气罐为系统(xtng)开口开口(ki ku)系系2）取最终罐中气体为系统取最终罐中气体为系统闭口系闭口系3）取将进入储气罐的气体为系统取将进入储气罐的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4）取储气罐原有气体为系统取储气罐原有气体为系统闭口系闭口系第30页/共49页第三十一页，共49页。进进 出出 热力学能变化热力学能变化(binhu)h热力学能变化热力学能变化(binhu)：0(

22、)mm h000()h mmm uum取储气罐为系统取储气罐为系统( (开口系开口系) )进：进：出：出：000mum um0,u0第31页/共49页第三十二页，共49页。1）取系统不同）取系统不同(b tn)， 考虑的角度不同考虑的角度不同(b tn)开口开口(ki ku)系反映为质量携带焓系反映为质量携带焓2）若若m00，m0,u0h闭口系闭口系反映作反映作功功000()h mmm uumuh第32页/共49页第三十三页，共49页。已知：理想气体已知：理想气体(l xin q t)求：储气罐中气体求：储气罐中气体(qt)终温终温m0=0h两种算法两种算法/1.4pvcc uht =15vu

23、c Tphc Tvpc tc to(/)21pvtcc tCvpc Tc To(/)130.2pvTcc TCK?第33页/共49页第三十四页，共49页。关键看关键看u与与h的零点是否的零点是否(sh fu)相同相同m0=0huht =15hupvK理想气体理想气体(l xin q t)uRT 0u (273.15 0)0hR0u 0h pVmRTpvRT第34页/共49页第三十五页，共49页。说明说明(shumng)T与哪些因素有关？与哪些因素有关？m0,u0,p0,T0h,p,T000()h mmm uumm,u,p,T已知：理想气体已知：理想气体(l xin q t)/pvcckvuc

24、Tphc TpVmRT000()mum umm h第35页/共49页第三十六页，共49页。m0,u0,p0,T0h,p,T000()mum umm hm,u,p,T00vv0p00()p Vpp VVpc Tc Tc TRTRTR TT0000()p Tp TppkTT T00000kTp TTT pT pkTp第36页/共49页第三十七页，共49页。m0,u0,p0,T0h,p,Tm,u,p,T00000kTp TTT pT pkTp1） T与与p无关无关(wgun)理想气体理想气体(l xin q t) h=f(T)2） T与与T有关有关0000( )kp TTTppkpTThT第37页/

25、共49页第三十八页，共49页。m0,u0,p0,T0h,p,TT0m,u,p,T00000kTp TTT pT pkTp3） T与与T0有关有关(yugun)000( )kp TTkp TppTT0T000p VmRTm0m-m0带入能量带入能量(nngling)第38页/共49页第三十九页，共49页。m0,u0,p0,T0h,p,TT0m,u,p,T00000kTp TTT pT pkTp4） T与与p0/ p有关有关(yugun)0000()kTTTpTkTTpp0/ p Tp0/ p反映充气反映充气(chn q)数量数量 第39页/共49页第四十页，共49页。已知：已知：p1=35bar, t1 =16h0V要求：输出要求：输出(shch)4kW,持续持续30s (kW=kJ/s)允许允许(ynx)：p1 p2=3.5barvuc Tphc T718 /.vcJ kg K287/.RJ kg K求：求：需要的容积需要的容积V第40页/共49页第四十一