工程热力学第三章

1、工程热力学第三章第1页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三作业习题32，36，37，38第2页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三第三章 热力学第一定律热力学第一定律的实质热力学能与总能系统与外界传递的能量闭口系统能量方程开口系统能量方程开口系统稳态稳流能量方程稳态稳流能量方程的应用第3页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三热力学第一定律热力学第一定律（The First Law of Thermodynamics）：“热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，它们间的比值是一定的。”“热可变为功，功也可变为热，一定量的热消失时，必

2、产生一定量的功，消耗一定量的功时，必出现与之相应的一定量的热。”热功当量功热第4页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三热一律的理论基础与实质热能的本质：热能是组成物质的分子、原子等微粒的杂乱运动的能量，微粒的杂乱运动叫做热运动。既然热能和机械能都是物质的运动，那么热能和机械能的相互转化实质上是物质由一种运动形态转变为另一种运动形态，转化时的总能量守恒则是理所当然的。热力学第一定律的实质： 热力学第一定律是能量守恒与转化定律在热现象上的应用。第5页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三热功当量热功当量表明热能和机械能相互转化时的当量关系，与能量转化时的条件无关，

3、仅仅决定于热和功所用的单位。热量单位JkcalkJkJkcalkcal功的单位Jkgfmkwhhphkwhhph热功当量11/42736002646860632注意单位第6页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三热力学能和总能系统储存能内部储存能外部储存能取决于系统本身的状态，与分子结构与微观运动形式有关(核能、化学能、内热能)与外力场的相互作用（位能），宏观运动能量（宏观动能）热力学能总能第7页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三热力学能的导出考察闭口系热力循环1-a-2-c-1，循环过程中工质从外界吸收热量，对外界输出功，完成循环后又回复到初态，根据热力学

4、第一定律：状态参数的积分特征积分是否与路径无关第8页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三热力学能是状态参数对循环1-a-2-c-1，有：对循环1-b-2-c-1，有：与路径无关是某状态函数的全微分用dU表示第9页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三热力学能的物理意义dU = Q - W dU 代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。 U 代表储存于系统内部的能量 内储存能（内能、热力学能） 内能总以变化量出现，内能零点人为定第10页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三热力学能的微观组成分子动能分子

5、位能 binding forces化学能 chemical energy核能 nuclear energy热力学能移动 translation转动 rotation振动 vibration热力状态的单值函数，与路径无关第11页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三外部储存能（macroscopic forms of energy）1.宏观动能2.重力位能外部存储能机械能第12页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三系统的总能系统的总能内部储存能+外部储存能比总能第13页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三系统与外界传递的能量系统外界传热传功传质

6、1.热量：在温差作用下与外界传递的能量。2.功量：除温差外的其它不平衡势差所引起的系统与外界之间传递的能量。3.随物质流传递的能量开口系统包括储存能和推动功两部分第14页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三随物质流传递的能量1.储存能 工质储存的能量依附于工质，随工质的流动而传递2.流动功（推动功） 为推动流体通过控制体界面而传递的机械功，是维持流体正常流动所必须传递的能量。 Wf = p A dl = pV wf= pv流动功是一种特殊的功，大小取决于控制体进出口界面的热力状态，与热力过程无关。第15页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三对流动功的理解可理

7、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统时所携带和所传递的一种能量1.与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在2.作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3.Wfpv与所处状态有关，是状态量4.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，流动工质所携带的能量第16页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三焓及其物理意义流动工质传递的能量：取决于物质的热力状态定义为焓hhu+pvHU+pV焓是流动工质传递的总能量中取决于热力状态的部分，如果动能和位能可以忽略，则焓代表随流动工质传递的总能量第17页，共52页，2022年，

8、5月20日，4点25分，星期三闭口系统能量方程闭口系统，没有物质交换，能量传递只有热量和功两种形式。系统总能变化传入的热量输出的功动能与位能不发生变化适用于任何工质、任何过程第18页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三热一律在循环过程中的应用闭口系统，热力循环1-2-3-4-1根据热力学第一定律，对每个过程建立能量方程：回到初态第一类永动机不可能实现第19页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三理想气体热力学能变化计算定容过程理想气体或 定值比热Cv 平均比热 真实比热混合气体第20页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三例题门窗紧闭的房间内有

9、一台运行的电冰箱，若敞开冰箱门就有一股凉气扑面，有人就想通过敞开冰箱大门达到降低室温的目的，请用热力学第一定律分析此方法是否可行？以房间为系统，忽略围护结构传热，则系统为绝热闭口系。闭口系能量方程绝热耗电T升高第21页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三例题既然敞开冰箱大门不能降温，为什么在门窗紧闭的房间内安装空调能使房间降温呢？以房间为系统，忽略围护结构传热，系统为闭口系。闭口系能量方程空调排热耗电T下降空调特性第22页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三例题例3-2第23页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三作业习题：3-11，3-12

10、，3-16，3-19第24页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三开口系统能量方程m1m2U1P1,v1U2P2,v2c1c21122dEcvWsQz1z2开口系统，系统与外界之间有质量、热量和功的交换。质量守恒定律能量守恒定律第25页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三开口系统能量方程进入控制体的能量：离开控制体的能量：控制体储存能的变化：能量方程：第26页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三开口系统能量方程上式以能量守恒为基础，对不稳定流动和稳态流动、可逆与不可逆过程都适用，也适用于闭口系统。对于闭口系统第27页，共52页，2022年，5

11、月20日，4点25分，星期三开口系统能量方程微分形式工程上常用传热率、功率等形式表示第28页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三开口系统能量方程微分形式若进出开口系统的工质有若干股：第29页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三例题33一储气罐从压缩空气总管充气，总管内压缩空气参数恒定，分别为p11MPa，T1300K，储气罐与总管相连的管段上配有配气阀门。充气前，阀门关闭，储气罐内真空，阀门开启后，压缩空气进入罐内，直到罐内压力与总管压力相等。如果罐壁绝热，压缩空气看作是理想气体，充气过程中罐内气体状态均匀变化，求充气后储气罐内压缩空气的温度。第30页，共5

12、2页，2022年，5月20日，4点25分，星期三例题33没有气流流出储气罐绝热没有轴功忽略动能、位能变化第31页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三例题1.5MPa320气轮机0.6m3如图所示，一个大储气罐里储存温度为320，压力为1.5MPa，比焓为3081.9kJ/kg的水蒸气，通过一个阀门与气轮机和体积为0.6m3起初被抽真空的小容器相连。打开阀门，小容器被充以水蒸气，直至压力为1.5MPa，温度为400时阀门关闭，此时的比热力学能为2951.3kJ/kg，比体积为0.203m3/kg，整个过程绝热，且动、位能变化可忽略，求气轮机输出的功。第32页，共52页，2022

13、年，5月20日，4点25分，星期三例题大储气罐蒸汽状态稳定，管道内的蒸汽量可忽略。绝热，忽略动、位能，没有质量流出。第33页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三 开口系统稳态稳流能量方程稳态稳流工况：工质以恒定的流量连续不断地进出系统，系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化。恒定流量恒定参数流过系统任何断面的质量相等进入的能量与离开的能量相等第34页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三 开口系统稳态稳流能量方程稳态稳流单位质量工质第35页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三技术功（Technical wor

14、k）动能轴功机械能位能工程技术上可以直接利用第36页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三单位质量工质的开口与闭口稳流开口系(1kg)闭口系(1kg)容积变化功等价技术功1122WsQ第37页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三几种功的关系wwt(pv) c2/2wsgz热变功的根源第38页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三可逆过程的技术功可逆过程可逆过程第39页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三技术功在示功图上的表示第40页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三理想气体焓变计算流动工质传递的总能量中，取

15、决于工质热力状态的部分难以计算对于定压过程，稳态稳流能量方程：定压比热：理想气体第41页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三理想气体焓变计算适用于理想气体，对于实际气体，只适用于定压过程定值比热平均比热真实比热第42页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三稳态稳流能量方程的应用动力机压气机热交换器喷管流体的混合绝热节流第43页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三动力机ws12气轮机进出口高度差很小进出口流速变化小工质在气轮机中停留时间很短输出的轴功是靠焓降转变的。第44页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三压气机ws21压气

16、机进出口高度差很小进出口流速变化小工质在气轮机中停留时间很短消耗的轴功等于压缩气体焓的增加。第45页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三热交换器进出口高度差很小进出口流速变化小没有功量交换工质吸收的热量等于焓的增加。热流体冷流体h1h2h1h2热流体冷流体h1h2h1h2第46页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三喷管和扩压管喷管目的：压力降低，速度提高扩压管目的：速度降低，压力升高动能与焓变相互转换动能参与转换，不能忽略进出口高度差很小停留时间很短没有功量交换第47页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三流体的混合混合室m1,h1m2,h2h3高度差小绝热条件没有功量交换速度变化小第48页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三绝热节流忽略位能变化绝热条件没有功量交换忽略动能变化第49页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三例题例题3-7第50页，共52页，2022年，5月20日，4点25分，星期三例题活塞式空气压缩机。压缩前空气参数是p10.1MPa，v10.845m3/kg，压缩后的参数是p2=0.8MPa，v20.175m3/