动力热力学 第一定律

1、动力热力学 第一定律第1页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一2-2 热力学能和总能一、热力学能 （内能）(internal energy)定义：物体内部的能量。微观上，内能包括分子动能（平动、转动、振动）分子间势能化学能核能本课程不涉及第2页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一二、内能是状态参数一个抽象的闭系（代表各种具体情况）如图，经一个微元过程：第3页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一对系统，第一定律能律守恒关系为：进入系统的能量离开系统的能量=系统内部能量的增量即第4页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一对任何循

2、环：此结论来自第一定律或经验。则结论：U是状态参数。这是因为，在数学上，如果则，z为点函数。对点函数 z 有，与路径无关。这是状态参数具有的性质。即状态参数只与状态有关，而与达到该状态的过程无关。内能的单位是：J(焦耳)；工程中关心的是U。第5页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一三、总能量（total stored energy of system）总=内+动+势第6页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一2-3 能量的传递和转化能量传递的两种方式：作功热传递功和热的不同点和相同点：功和热均为系统和外界通过边界传递的能量，都是过程量；功的传递改变宏观运动状态

3、；热的传递改变微观的运动状态。第7页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一介绍几种功：1.容积变化功，是容积变化或边界移动产生的功；热能转变为机械能，只能通过容积变化（膨胀）功实现。膨胀是热变功的根本方式。（以后的讲解可以理解）第8页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一x活塞右移，工质进入气缸。实质是外界压力p把工质压入气缸，故推动功为：p，v推动功作用在质量m上。m被推入系统内，所以推动功随质量m一起进入系统。推动功的意义：工质m流入系统带入的功(外界对系统作功)； 工质m流出系统带出的功(系统对外界作功)。2.推动功(flow work; flow ene

4、rgy)：推动工质移动所作的功；或因工质在开口系统中流动而传递的功。第9页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一3. 流动功(flow work; flow energy)：入口1出口2意义：维持开系流动，工质所作的功；出口和进口推动功之差便是流动功。第10页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一4. 技术功：式中：维持流动工质所作的功。可见：技术功 = 膨胀功 - 流动功，它是膨胀功的一部分。技术功的意义：是开系对外界作的功。 这是因为：工质作功是膨胀功W，它一部份用于维持开系流动Wf,剩下的部分才是开系作的功。故：开系作的功，不是膨胀功，而是技术功。定义：工

5、质由入口1流动到出口2所作的膨胀功；第11页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一pV12bacd膨胀功：面积12ba1；技术功：面积12cd1。进一步分析：示功图：第12页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一2-4 焓(enthalpy)定义：H=U+pV叫焓 h=u+pv叫比焓单位：J(焦耳)焓是状态参数。因为：内能U和pV推动功都随m流动带走。流动工质携带的总能：工质宏观运动决定焓的物理意义是：随工质移动而转移的能量； 或：流动工质携带的由热力状态决定的能量。单位：J/kg(焦耳/千克)第13页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一进入系

6、统的能量总和 离开系统的能量总和= 系统总储存能的增量EE+dE2-5 热力学第一定律的基本能量方程式第14页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一进入：离开：内部贮能的增量：dE带入基本能量方程式并整理得：基本能量方程式热变功的基本关系：工质吸热Q，一部分增加内能dU，另一部分对外作W。忽略宏观动能Uk和位能Up，第一定律定第一表达式第15页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一有关焓的关系式：注意：正负的规定工质吸热，Q0；工质放热Q0；外界对工质作功W0。参考下面式子自己推导。H=U+pV第一定律定第二表达式第16页，共35页，2022年，5月20日，15

7、点5分，星期一功的基本表达式第一定律第一解析式 热讨论： 1）对于可逆过程2）对于循环3）对于一定量的工质，吸热与升温关系，还取决于W的 “+”，“”和大小。第17页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一例自由膨胀如图，解：取气体为热力系 闭口系？开口系？强调：功是通过边界传递的能量。抽去隔板，求?例题第二章A4302661.ppt 例题第二章A4303771.ppt 第18页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一一、一般表达式进入系统的能量 离开系统的能量= 控制容积的储存能增量2-6 开口系统能量方程第19页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星

8、期一d时间内: 进入系统物质离开系统物质第20页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一1. 进入系统的能量：热量：Q2. 离开系统的能量：控制体积的容积变化微元功微元轴功微元内部功微元摩擦功第21页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一3. 系统储存能的增量：CV表示控制体内部。带入一般表达式，整理得：单位时间内(上式是d时间内的能量关系)令：=Q/d加热率(热流量)；=dm/d质量流率(量)；Pi=Wi/d内部功率。则：第22页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一二、稳定流动能量方程式(steady-flow energy equation)

9、稳定流动特征：1）各截面上参数不随时间变化。2）ECV=0， SCV=0， mCV=0 稳定流动：系统内任何点上的一切参数都不随时间变化。满足条件：1. 进出口状态不变(热力状态)； 2. 进出口流量相等且不变(流动状态)； 3. 功和热量不随时间变化(能量状态)；注意：各截面之间的相应参数可能不同。第23页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一准稳定流动：如内燃机的气体流动，虽时时在变，但有周期性，其平均流可看作稳定。对（准）稳定流动，开口系统能量方程式中是流入1kg工质的吸热量；是流入1kg工质的内部功。第24页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一则得稳定

10、流动能量方程：写成微量的形式：质量为m的工质：写成微量的形式：第25页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一A式可化为： 热能转变为功的部分机械能增量流动功内部功三、技术功：技术上可资利用的功，用表示：定义：与本页第一式比较得： （容积变化功或膨胀功 W）第26页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一工质膨胀功 = 流动功 + 动能增量 + 势能增量 + 内部功即是说：维持开系流动的流动功，工质动、势能的增量，及工 质的内部功都是从工质膨胀功转化而来的。 或说：热能转变为机械能，只能通过膨胀功是实现。四、热能转变为机械能，只能通过容积变化（膨胀）功来实现。上页第

11、一式变为： 第27页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一归纳热力学解题思路1）取好热力系2）计算初、终态3）两种解题思路从已知条件逐步推向目标从目标反过来缺什么补什么4）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手第28页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一稳定流动：一、动力机(蒸汽轮机、燃气轮机 steam turbine, gas turbine)是因为它们远小于内部功=焓降(工质携带能量的减少)内部储能增量：02-7 能量方程式的应用第29页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一2、压气机，水泵类(compressor、pump)图设备图压气机.doc 与动力机过程相反：内部储能增量：0第30页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一3、换热器（锅炉、加热器等） (heatexchanger;boiler、heater)第31页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一流入：流出：内增：0若忽略动能差、位能差能量平衡关系式吸热焓增放热焓降第32页，共35页，2022年，5月20日，15点5分，星期一四、管道流入：流出：内增：0忽略位能差：管子短或保温好 q0：第33页，共35页，2022年，5