第2章热力学第一定律

1、第二章热力学第一定律本章要求l理解热力学第一定律的实质能量守恒定律l掌握流动功,轴功及技术功的概念l注意热力学能，焓的引入及定义l掌握热力学第一定律能量方程的基本表达式及稳定流动能量方程本章学习流程热力学第一定律的提出热力系能量的组成能量之间的传递和转化焓闭口系能量方程（第一定律数学表达式）开口系能量方程 热力学第一定律的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，确定了热能和机械能之间的相互转换的数量关系. 热力学第一定律：热能和机械能在传递和转换的过程中，能量的总量必定守恒. n热可以转变为功,功可以转变为热,一定热量的消失时,必转变为与之相当的功,消耗一定量的功时,也必出现相

2、当数量的热.n热能可与其他形式的能量相互转化，而且在转换的过程中，能的总量保持不变热力学第一定律反映的问题n热能与其他形式的能量之间可以相互转换，说明热和其他能量形式一样,是运动的一种度量,具体的说就是分子热运动的度量n在转换过程中能量的数量保持不变,要获得一部分功,就必须付出一定的能量相应量第一类永动机：不消耗能量而连续作功的设备热量热量功功热力学第一定律的另一种说法：第一类永动机是不可能制造成功的 热力学能和总能一热力学能（内储存能）是指组成热力系的大量微观粒子本身所具有的能量，主要由两部分组成：内动能：分子热运动的动能，为温度的函数（分子移动，转动，振动）内位能：分子之间由于相互作用所形

3、成的位能，决定于气体的比体积和温度还包括由于化学反应而产生的化学能，原子核内部的原子能及电磁场下的电磁能等热力学能：热力学能：是指储存于热力系内部的能量用U表示，单位是J或 kJ，单位质量工质的热力学能称为比热力学能比热力学能，用u表示，单位是J/kg或kJ/Kg 热力学能是工质的状态参数，完全取决于工质的初态和终态，与过程的途径无关 热力学能为两个独立状态参数的函数： u=f(T,v)或u=f(T,p)或u=f(p,v)热力学能只取决于热力系内部的状态,且具有可加性,是一个具有广延性质的状态参数1221uudu 0dudvvudTTuduTvTvuvTu22二外储存能221mcEk宏观动能：

4、 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mgZEp工质在参考坐标系中作为一个整体，因有宏观速度而具有动能，因有高度差而具有位能三系统总能系统总储存能(E)=热力学能(U)+外储存能(Ek+Ep)单位质量工质的比储存能：u 比储存能为状态参数u 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gzcue221 能量的传递和转化(迁移能)能量从一个物体传递到另一个物体有两种形式：作功和传热作功：和工质宏观位移有关，伴随着能量形态的转化传热：和工质宏观位移无关，传递能量的多少用热量来度量热能转变为机械能的过程：u能量转换的热力学过程热能热力学能机械

5、能u单纯的机械过程热能 机械能动能推动功：推动功：开口系统与外界之间因为工质流动而传 递的机械功 推动功: 对于单位质量工质，推动功等于pv mpvpVlpA只有在工质移动时才起作用流动功：流动功：出口处付出的推动功与入口处得到的推动功的差流动功可以理解为开口系统维持流动所要付出的代价 在不考虑工质的动能与位能变化时,开口系与外界交换的功量为膨胀功与流动功之差 1122vpvp)(1122vpvpw关于热能与机械能之间转换的说明n工质膨胀时才能实现热能向机械能的转化n机械能转化为热能主要通过对工质压缩作功，另外还可以通过摩擦和碰撞来完成n热能和机械能的可逆转换总是与工质的膨胀和压缩联系在一起的

6、几种功的比较n体积变化功定义:系统体积变化所完成的功,是简单可压缩系热变功的源泉,当过程可逆时,其计算式为 ,是对应闭口系所求的功n推动功定义:因工质在开口系中流动而传递的功,计算式为n流动功定义:开口系为了维持工质流动所需的功,它是进出口推动功之差,计算式为 焓的定义焓的定义式：焓的定义式： 对于m m千克工质 pVUH对于1 1千克工质pvuh焓的单位：焓的单位：J,J,比焓的单位：比焓的单位：J/kgJ/kg dvvhdTThdhTv焓的物理意义：焓的物理意义：n对流动工质(开口系统)，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.是引进1Kg工质而获得的总能量，是热力学能与

7、推动功之和n对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合状态参数vTfh,焓为状态参数，可以表示为焓为状态参数，可以表示为1221hhdhh 0dhTvhvTh22 热力学第一定律的能量方程式 对于一个热力系统中的能量变化：输入系统的能量-输出系统的能量=系统总储存能量的变化说明：l闭口系统，进入和离开系统的能量只包括热量和作功两项l开口系统，除了上述两项外，还有随同物质带进，带出系统的能量闭口系能量方程闭口系：闭口系：系统与外界没有物质交换，传递能量只有热量和功两种形式在热力过程中系统从外界热源取得热量Q，对外界做膨胀功W12EEWQ 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：W

8、UQ热力学第一定律的解析式热力学第一定律的解析式加给工质的热量一部分用于增加工质的热力学能，储存加给工质的热量一部分用于增加工质的热力学能，储存于工质内部，余下的一部分以作功的形式传递至外界于工质内部，余下的一部分以作功的形式传递至外界热力系吸收的能量增加系统的热力学能对外膨胀作功热能转变为机械能的根本途径对于单位质量工质，有： 各项正负号的规定：吸热和对外作功为正，放热和外界对系统作功为负wduqwuq,适用于可逆和不可逆过程，适用于理想气体适用于可逆和不可逆过程，适用于理想气体和实际气体，甚至是液体，但是，要求和实际气体，甚至是液体，但是，要求工质初，终态为平衡状态工质初，终态为平衡状态W

9、dUQ微分形式微分形式pdVW pdvduqpdVdUTdSpdvduTdsnetnetWQpdVdUQ可逆过程可逆过程WdUQ0dUWQ循环循环TdSQ 例题 一个装有2Kg工质的闭口系经历了如下过程：过程中系统散热25kJ,外界对系统作功100kJ，比热力学能减少了15kJ，并且整个系统被举高1000m，试确定过程中系统动能的变化.解：WzmgcmUQf221zmgUWQcmEfk221)101000)(/8 . 9)(2()/15)(2()100()25(32msmkgkgkJkgkJkJ 开口系能量方程式 实际热力设备中的能量转换过程是很复杂的,工质要在热力装置中循环不断的流经各相互衔

10、接的热力设备.-开口系特点:热力状态参数及流速在不同截面上是不同的.假设:同一截面上各点的温度及压力可以看作均匀的.可取截面上各点流速的平均值为该截面的流速,即认为同一截面上各点有相同的流速.d)(11dVm)(22dVmQiWdmcvdE进入系统的能量离开系统的能量控制容积的储存能增量一般表达式iWdVpdE222QdVpdE1111111pkEEUddE2222pkEEUddECVdECVpkCVEEUddEmeE mvV iffCVWmgzchmgzchdEQ111211222222)2()2(pVUHiininfoutoutfCVWmgzchmgzchdEQ)2()2(22iioutm

11、outinminPdWqdmqdmdQ,.,iinminfoutmoutfcvPqgzchqgzchddE,2,2)2()2(稳定流动能量方程工程上常用的热工设备，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u 定义：开口系统内部及边界上任意点工质的热力状态参数及运动参数都不随时间而变化的流动过程.u 实现稳定流动的必要条件：（1）进、出口截面处工质的状态不随时间而变（2）单位时间系统与外界交换的热量和功量都不随时间而变（3）各流通截面上工质的质量流量相等，且不随时间而改变ifwzgchq221ifwgdzdcdhq221ifWmgdz

12、mdcdHQ221iinminfoutmoutfcvPqgzchqgzchdtdE,2,2)2()2(moutminmcvqqqddE, 0itwzgcw221wuq 1122vpvpwpvwwtifwzgchq221ifwpvzgcuq)(212212121221121vdppvdpdvvpvppdvwt开口系统的稳定流动能量方程还可以写为： twhq21vdphqvdpdhqifwzgchq221 能量方程式的应用p 动力机（汽轮机，燃气轮机）动能差、位能差及热量散失可以忽略，kg工质对机器作的功为tiwhhw21p 压气机动能差、位能差可以忽略， 工质对外界放热,对kg工质所作的功为ti

13、cwqhhww)()(21p 换热器（锅炉，回热器）有热量交换，动能差、位能差及作功可以忽略， kg工质吸热量为12hhqp 管道（喷管，扩压管）位能差及热量散失及作功可以忽略，kg工质动能的增加为p 节流（阀门）工质流过阀门时流动截面突然收缩，压力下降，流动为不可逆，设流动为绝热，则动能差和位能差可以忽略，对外界作功为零，则212122)(21hhccff21hh 能量方程式的应用能量方程式的应用l确定研究对象确定研究对象选好热力系统选好热力系统l写出所研究热力系对应的能量方程写出所研究热力系对应的能量方程l针对具体问题针对具体问题, ,分析系统与外界的相互作用分析系统与外界的相互作用, ,作出某些假设和简化作出某些假设和简化, ,使方程简单明了使方程简单明了l求解简化后的方程求解简化后的方程, ,解出未知量解出未知量l对问题进行分析和讨论对问题进行分析和讨论, ,得到一些结论和启得到一些结论和启示示WEQwuq21pdvuq21vdphq主要公式及适用范围主要公式及适用范围tifwhwzgchq221例题例题已知新蒸汽流入气轮机时的焓h1=3232kJ/kg，流速cf1=50m/s，乏汽流出气轮机时的焓h2=2