热力学第一定律刘英光

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第二章

热力学定律

Firstlawofthermodynamics热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第1页!2–1

热力学定律的实质一、定律的实质

能量守恒与转换定律在热现象中的应用。二、定律的表述

在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传递和转换前后能量的总量维持恒定。或：热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第2页!焦耳实验1、重物下降，输入功，绝热容器内气体T

2、绝热去掉，气体T

，放出热给水，T

恢复原温。热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第3页!总能动能势能宏观机械能热力学能

化学能、原子核能、电磁能……内动能内位能分子移动分子转动分子振动总能量热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第4页!2—3能量的传递和转化一、作功和传热能量的传递方式：一是作功，二是传热。共同点：能量；过程量不同点：作功有宏观位移，伴随着能量形态的变化：热力学能——机械能

传热无宏观位移，无能量形态的变化热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第5页!

一.焓的定义

在热功计算的公式中，常有

为了简化公式与计算，定义1.焓是状态参数：

称之为焓。

二.焓的特性与意义

所以焓是状态参数。2-4焓热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第6页!2–5热力学定律基本表达式

加入系统的能量总和－热力系统输出的能量总和=热力系总储存能的增量EE+dE流入：流出：内部贮能的增量：dE热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第7页!讨论：

1）对于可逆过程2）对于循环3）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W的“+”、“–”、数值大小。适用条件：a:可逆过程，不可逆过程

b:理想气体，实际气体

c:工质初、终态为平衡状态热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第8页!2-6稳定流动能量方程(steady-flowenergyequation)稳定流动

1.稳定流动：开口系统内部及边界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，保证系统内工质质量流量维持恒定；（2）单位时间内加入系统的净热及系统对外做的净功不随时间改变，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。热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第9页!讨论：1）改写式（B）为式（C）热能转变成功部分输出轴功流动功机械能增量（C）热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第10页!3)定律第二解析式1)通过膨胀，由热能2)定律两解析式可相互导出，但只有在开系中能量方程才用焓。4）两个解析式的关系功，w=q–Δu总之：可逆热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第11页!热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第12页!2.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：

说明：工质流经泵或风机时，消耗的轴功等于工质焓的增加。

水泵，风机等压缩机械。热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第13页!3.热交换器能量方程式：说明：q等于换热器进出口工质比焓的变化。即：加入的热量用于增加工质的焓。各种加热器，冷却器，散热器，蒸发器，冷凝器等。主要表现（1）与外界只有热量交换，无功量交换，ws=0;（2）动能，位能的变化较小，可忽略cf2=0,z=0气体或液体热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第14页!5.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：

说明：工质流经喷管时，动能的增加等于焓值的减少。

收缩型喷管，缩放型喷管（拉伐尔喷管）

热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第15页!解：对CV

列能量方程流入：流出：内增：

0热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第16页!

有一台稳定工况下运行的水冷式压缩机，运行参数如附图所示。设空气的比热容cp=1.003kJ/(kg·K),水的比热容cw=4.187kJ/(kg·K)。若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。[已知空气的焓差h2-h1=cp(T2-T1)]热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第17页!取整个压气机（包括水冷部分）为系统，忽略动能差及位能差则：流入：流出：内增0查水蒸气表得热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第18页!2-2热力学能和总能热力学能U:是指组成热力系的大量微观粒子本身所具有的能量，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形成的位能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。热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第19页!宏观动能与内动能的区别热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第20页!二、推动功和流动功推动功：开口系统与外界之间因为工质流动而传递的机械功。对于单位质量工质，推动功等于pv。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。

推动功的特点：

1.流动过程才有推动功；

2.工质不断从后面得到推动功，对前面作出该功；

3.工质时时具有pv能量；

4.工质作出推动功时参数不变（与作容积变化功不同）.热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第21页!2.焓有特定的意义

取其中1千克为研究对象，它时时具有的能量包括：

则焓的特定意义为：

焓是流动工质所时时携带能量中的一部分。热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第22页!

闭口系，

忽略宏观动能Uk和位能Up，定律解析式—功的基本表达式热意义：加给工质的热量=

a:一部分用于增加工质的热力学能，

b:另一部分以作功的方式传递到外界。热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第23页!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?热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第24页!流入系统的能量:流出系统的能量:系统内部储能增量:ΔECV–=考虑到稳流特征：ΔECV=0qm1=qm2=qm;及h=u+pv

热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第25页!2）技术功(technicalwork)—由式（C）技术上可资利用的功wt可逆过程热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第26页!1.动力机械

各种热力发动机，如燃气轮机，蒸汽轮机；2-7能量方程式的应用热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第27页!

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=0

能量方程式：说明（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。热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第28页!热交换器之换热器热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第29页!4.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：

说明（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。1122热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第30页!0.1MPa，20℃的空气在压气机中绝热压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0.1MPa、20℃。喷管出口截面积A=0.0324m2，气体流速cf2=300m/s。已知压气机耗功率710kW，问换热器中空气散失的热量。热力学定律刘英光共34页，您现在浏览的是第31页!或据稳定流动能量方程据题义，忽略位能差