热力学第一定律刘英光ppt课件

1、1 第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律First law of thermodynamics21 热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质一、第一定律的本质一、第一定律的本质 能量守恒与转换定律在热景象中的运用。能量守恒与转换定律在热景象中的运用。二、第一定律的表述二、第一定律的表述 在任何发生能量传送和转换的热力过程中，在任何发生能量传送和转换的热力过程中，传送和转换前后能量的总量维持恒定。传送和转换前后能量的总量维持恒定。 或：或： 热可以变为功，功也可以变为热；一定量热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消逝时必定产生相应量的功；耗费一定量的热消逝时必定产生相应量的功；耗费一定

2、量的功时，必出现与之相应量的热。的功时，必出现与之相应量的热。焦耳实验焦耳实验1、重物下降，输、重物下降，输 入功，绝热容入功，绝热容 器内气体器内气体 T 2、绝热去掉，气、绝热去掉，气 体体 T ，放出，放出 热给水，热给水，T 恢复恢复 原温。原温。2-2 热力学能和总能热力学能热力学能 U: 是指组成热力系的大量微观粒子本身所具有的能量，是指组成热力系的大量微观粒子本身所具有的能量，由两部分组成：由两部分组成：内动能：分子热运动的动能内位能：分子之间由于相互作用所构成的位能热力学能是工质的形状参数，完全取决于工质的初态和终态，与过程的途径无关。总能总能221fKmcE动能动能势能势能m

3、gzEP宏观机械能宏观机械能热力学能热力学能 化学能、原子核能、电磁能化学能、原子核能、电磁能内动能内动能)(Tf内位能内位能),( Tvf分子挪动分子挪动分子转动分子转动分子振动分子振动总能量总能量EkgJgzcueeuekgkJgzcumEEUEfpkfpk/k 2 1 )2(22工质宏观动能与内动能的区别宏观动能与内动能的区别23 能量的传送和转化能量的传送和转化一、作功和传热能量的传送方式：一是作功，二是传热。共同点：能量；过程量共同点：能量；过程量不同点：作功有宏观位移，伴随着能量形状的变化：不同点：作功有宏观位移，伴随着能量形状的变化：热力学能热力学能机械能机械能 传热无宏观位移，

4、无能量形状的变化传热无宏观位移，无能量形状的变化二、推进功和流动功二、推进功和流动功推进功：开口系统与外界之间由于工质流动而传送推进功：开口系统与外界之间由于工质流动而传送的机械功。对于单位质量工质，推进功等于的机械功。对于单位质量工质，推进功等于pv。流动功：出口处付出的推流动功：出口处付出的推进功与入口处得到的推进进功与入口处得到的推进功的差。流动功可以了解功的差。流动功可以了解为开口系统维持流动所要为开口系统维持流动所要付出的代价。付出的代价。 推进功的特点：推进功的特点： 1. 1.流动过程才有推进功；流动过程才有推进功； 2. 2.工质不断从后面得到推进功，对前面作出该功；工质不断从

5、后面得到推进功，对前面作出该功； 3. 3.工质时时具有工质时时具有pvpv能量；能量； 4. 4.工质作出推进功时参数不变与作容积变化功不同工质作出推进功时参数不变与作容积变化功不同. . 一一. .焓的定义焓的定义 在热功计算的公式中，常有在热功计算的公式中，常有PVUH 为了简化公式与计算，定义为了简化公式与计算，定义 1. 1.焓是形状参数：焓是形状参数：pvuh项；或pvuPVU 称之为焓。称之为焓。 二二. .焓的特性与意义焓的特性与意义 pvddudh00 0 所以焓是形状参数。所以焓是形状参数。pvuh2-4 焓 2. 2.焓有特定的意义焓有特定的意义 取其中取其中1 1千克为

6、研讨对象，它时时具有的能量包括：千克为研讨对象，它时时具有的能量包括：、内能 u能量、pv、动能22c。位能gz携带的总能量为gzcpvu22gzch22 那么焓的特定意义为：那么焓的特定意义为： 焓是流开工质所时时携带能量中的一部分。焓是流开工质所时时携带能量中的一部分。 25 热力学第一定律根本表达式热力学第一定律根本表达式 参与系统的能量总和热力系统输出的能量总和= 热力系总储存能的增量EE+dEi imeQWjjm ed流入：流入：i iQme流出：流出：jjWm e内部贮能的增量：内部贮能的增量：dE21totjjiiQEe me mW 闭口系， 00ijmm忽略宏观动能忽略宏观动能

7、Uk和位能和位能Up，EU ddQUWQUWquwquw 第一定律第一解析式第一定律第一解析式功的根本表达式功的根本表达式热热意义：加给工质的热量意义：加给工质的热量= a: 一部分用于添加工质的热力学能，一部分用于添加工质的热力学能， b: 另一部分以作功的方式传送到外界。另一部分以作功的方式传送到外界。讨论：讨论： 1对于可逆过程ddQUp V2对于循环对于循环netnetdQUWQW3对于定量工质吸热与升温关系，还取决于对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W 的的 “+、“、数值大小。、数值大小。ddQUWQUWquwquw 适用条件：适用条件：a: 可逆过程，不可逆过程可逆过程，不可逆

8、过程 b: 理想气体，实践气体理想气体，实践气体 c: 工质初、终态为平衡形状工质初、终态为平衡形状例例 自在膨胀自在膨胀如图，如图，U解：取气体为热力系解：取气体为热力系 闭口系？开口系？闭口系？开口系？QUW120UUU即强调：功是经过边境传送的能量。强调：功是经过边境传送的能量。抽去隔板，求抽去隔板，求0W?0Q 2-6 稳定流动能量方程稳定流动能量方程(steady-flow energy equation) 稳定流动 1. 稳定流动： 开口系统内部及边境上各点工质的热力参数和运动参数不随时间变化的流动过程。 2. 条件：1单位时间流入系统的工质质量等于流出系统的工质质量，保证系统内工

9、质质量流量维持恒定； 2单位时间内参与系统的净热及系统对外做的净功不随时间改动，保证系 统储存能量维持不变； 3任何截面上工质的一切参数都不随时间而变化。流入系统的能量流入系统的能量: :2f1111 112Qmcqqup vgz流出系统的能量流出系统的能量: :22222f2212smPqup vcgz系统内部储能增量系统内部储能增量: ECV=思索到稳流特征：思索到稳流特征： ECV=0 qm1=qm2=qm; 及及h=u+pv 22f2f12121S( )22QmmccqHHqq g zzPA2221f2f121s1( )2qhhccg zzwB讨论：1改写式改写式B为式为式C22221

10、 1f 2f12112squwp vp vccg zz 热能转变热能转变胜利部分胜利部分输出轴功输出轴功流动功流动功机械能增量机械能增量22f 2f12121S2221f 2f121s( )221( )2QmmccqHHqq g zzPAqhhccg zzwBC2f12tswwcg zt2 21 1( )quwp vpvD dddtwp vpvv p 2技术功(technical work)22221 1f 2f12112squwp vp vccg zz 由式由式C1122vpvpwwtdtwwpv技术上可资利用的功技术上可资利用的功 wt可逆过程可逆过程3)第一定律第二解析式第一定律第二解析

11、式ttdqhwqhw 21dddqhv pqhv p dddddddqhv pupvv pup vuw膨1)经过膨胀，由热能经过膨胀，由热能 2)第一定律两解析式可相互导出，但只需在开系中第一定律两解析式可相互导出，但只需在开系中 能量方程才用焓。能量方程才用焓。2221f 2f1211( )2sqhhccg zzwB4两个解析式的关系两个解析式的关系功，功，w = q u总之：总之：2tsf12wwcg z可逆可逆1.动力机械 各种热力发动机，如燃气轮机，蒸汽轮机；2-7 能量方程式的运用 主要表现 1略散热，近似绝热过程, q=0 ; 2动能，位能的变化较小， 可忽略cf2 =0, z =

12、 0 能量方程式：21hhws阐明1对外输出的轴功等于工质的焓降； 2此时轴功就是技术功。1h2hswswzgchq2212.压气机 主要表现：1略散热，q为负，近似绝热过程;2动能，位能的变化较小，可忽略cf2 =0, z =0 能量方程式：12hhwwsc 阐明： 工质流经泵或风机时，耗费的轴功等 于工质焓的添加。 水泵，风机等紧缩机械。swzgchq221热交换器之换热器3.热交换器能量方程式：12hhq阐明：q等于换热器进出口工质比焓的变化。 即：参与的热量用于添加工质的焓。各种加热器，冷却器，散热器，蒸发器，冷凝器等。主要表现1与外界只需热量交换，无功量交换，ws=0;2动能，位能的

13、变化较小，可忽略cf2 =0, z =0气体或液体1h2hqswzgchq2214.绝热节流 主要表现：1流动是绝热的；2不对外作功；3前后两个截面的动能，位能的变化较小，可忽 略cf2 =0, z =0。 能量方程式： 12hh 阐明1节流前后焓值相等； 2节流过程是典型的不可逆过程。 阀门，孔板流量计等。1h2h1122swzgchq2215.喷管 主要表现：1流经喷管时，速度大，时间短，散热很小 流动近似是绝热的；2属于管内流动，无轴功输入或输出；3位能的变化较小，可忽略 z =0。 能量方程式：212122)(21hhccff 阐明 ：工质流经喷管时，动能的添加等于 焓值的减少。 收缩

14、型喷管，缩放型喷管拉伐尔喷管 swzgchq221 0.1 MPa，20 的空气在压气机中绝热紧缩升压升温后导入的空气在压气机中绝热紧缩升压升温后导入换热器排走部分热量，再进入喷管膨胀到换热器排走部分热量，再进入喷管膨胀到0.1 MPa、20。喷管。喷管出口截面积出口截面积A = 0.032 4 m2，气体流速，气体流速cf2 = 300 m/s。知压气机。知压气机耗功率耗功率710 kW，问换热器中空气散失的热量。，问换热器中空气散失的热量。gVmpqqR T解：解：对对 CV 列能量方程列能量方程流入：流入：21f1112mqhcgzP流出：流出：22f 2212mQqhcgzq内增：内增

15、： 0f 22gp c AR T620.1 10 Pa300 m/s 0.032 4 m11.56 kg/s287 J/(kg K)293 K222f 221f1111022mQmqhcgzqqhcgzP12pp223f 211.56 kg/s (300 m)10710 kJ/s22mQq cqP 或据稳定流动能量方程或据稳定流动能量方程22ff 222mmQmqcq cqHgqzPP 222f 221f1111022mQmqhcgzqqhcgzP据题义，据题义，12TT12hh忽略位能差忽略位能差189.8 kWf10c 黑箱技术黑箱技术 有一台稳定工况下运转的水冷式紧缩机，运转参数如附图所

16、示。设空气的比热容cp=1.003 kJ/(kgK),水的比热容cw= 4.187 kJ/(kgK)。假设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。知空气的焓差h2-h1= cp(T2-T1)取控制体为压气机但不包括取控制体为压气机但不包括水冷部分调查能量平衡水冷部分调查能量平衡解：解：流入：流入：111 1mPqup v 流出：1w222Qmqqup v内增：内增： 0131w21w4321()1.5 kg/s4.187 kJ/(kg K)30 15C1.29 kg/s 1.0034.187 kJ/(kg K)100 18C200.3 kWQmmmpPqqhhq cttq cTT 取整个压气机包括水冷部分为系统，忽略动能差及位取整个压气机包括水冷部分为系统，忽略动能差及位能差那么：能差那么：流入：流入：113113mVmPu qp qq h流出：流出：1231322