工程热力学基础第二章

第二章

热力学第一定律TheFirstLawofThermodynamics§2-1热力学第一定律的本质

1909年，C.Caratheodory最后完善热一律本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用

18世纪初，工业革命，热效率只有1%

1842年，J.R.Mayer阐述热一律，但没有

引起重视

1840-1849年，Joule用多种实验的一致性证明热一律，于1850年发表并得到公认ConservationofenergyOneofthemostfundamentallawsofnature“Duringaninteraction,energycanchangefromoneformtoanotherbutthetotalamountofenergyremainsconstant”EnergycannotbecreatedordestroyedJ.R.迈尔

JuliusRobertMayer1814-1878德国医学博士首次提出能量转换与守恒定律J.P.

焦耳

James.Prescott.Joule1818-1889英国1850测定热功当量1852焦－汤效应能量单位焦耳定律（热与电）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。焦耳实验水温升高可测得热量，

重物下降可测得功热功当量1cal=4.1868kJ工质经历循环:MechanicalequivalentofheatQ=W闭口系循环的热一律表达式要想得到功，必须化费热能或其它能量热一律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”Perpetual–motionmachineofthefirstkindQ=WQPerpetual–motionmachineofthefirstkind锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器WnetQout电加热器§2-2热一律的推论内能内能的导出闭口系循环InternalenergyQ=W(Q-W)=0内能的导出对于循环1a2c1对于循环1b2c1状态参数pV12abc(Q-W)=0内能及闭口系热一律表达式定义dU=

Q

-

W

内能U

状态函数Q=

dU

+

WQ=

U

+

W闭口系热一律表达式内能U的物理意义dU=

Q

-

WWQ

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）内能的微观组成分子动能分子位能bindingforces化学能chemicalenergy核能nuclearenergy内能microscopicformsofinternalenergy移动translation转动rotation振动vibration内能的说明内能是状态量statepropertyU:

广延参数[kJ]

u

:

比参数

[kJ/kg]内能总以变化量出现，内能零点人为定§2-3闭口系能量方程WQ一般式Q

=dU

+

W

Q

=U

+

Wq

=

du

+

w

q

=

u

+

w单位工质适用条件：

1）任何工质

2)任何过程EnergybalanceforclosedsystemPointfunction---Exactdifferentials---dPathfunction---Inexactdifferentials---准静态和可逆闭口系能量方程简单可压缩系准静态过程w=pdv简单可压缩系可逆过程q=Tdsq

=

du

+

pdv

q

=u

+

pdv热一律解析式之一Tds=du+pdv

Tds=u+pdv热力学恒等式门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为系统

绝热闭口系闭口系能量方程T电冰箱RefrigeratorIcebox门窗紧闭房间用空调降温以房间为系统

闭口系闭口系能量方程T空调QAir-conditioner§2-4开口系的稳定流动能量方程WsQm1m2u1u2gz1gz2稳定流动条件SteadyStateSteadyFlow(SSSF)1、2、3、轴功Shaftwork4、能量进＝能量出开口系的稳定流动能量方程的推导WsQmmu1u2gz1gz2能量守恒：进入系统的能量

=

离开系统的能量Q

+

m(u1

+

c12/2

+

gz1)=m(u2

+

c22/2

+gz2)+

Ws

这个结果与实验不符少了流动功推进功的表达式推进功（流动功、推动功）pApVdl

W推=

p

A

dl

=

pV

w推=

pv注意：不是

pdv

v没有变化Flowwork对推进功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、w推＝pv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可理解为：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使所携带和所传递的一种能量开口系的稳定流动能量方程的推导WsQp1v1mu1u2gz1gz2Q

+

m(u1

+

c12/2

+

gz1)=

m(u2

+

c22/2

+gz2)

-

Ws

mp2v2开口系的稳定流动能量方程的推导流动时，总一起存在定义：焓h1h2开口系的稳定流动能量方程的推导h1h2开口系的稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程焓Enthalpy的说明

定义：h

=

u

+

pv[kJ/kg]

H

=

U

+

pV

[kJ]1、焓是状态量stateproperty2、H为广延参数

H=U+pV=

m(u+pv)=mh

h为比参数3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功)

对静止工质，焓不代表能量4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决

于热力状态的能量。技术功Technicalwork动能工程技术上可以直接利用轴功机械能位能单位质量工质的开口与闭口wsq稳流开口系闭口系(1kg)容积变化功等价技术功稳流开口与闭口的能量方程容积变化功w技术功wt闭口稳流开口等价轴功ws推进功(pv)几种功的关系？几种功的关系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws对功的小结2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功wwswt热力学为什么常忽略动、位能变化例：c1=1

m/sc2=30

m/s

(c22-c12)/

2=0.449

kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0

oC水的h1=84kJ/kg100oC水蒸气的h2=2676kJ/kg准静态下的技术功准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之二技术功在示功图上的表示作业2-152-162-18例1：透平(Turbine)机械火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站燃气机蒸汽轮机Steamturbine§

2-5稳定流动能量方程应用举例火力发电装置Steam

Power锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器航空发动机（燃气循环）aeroengin燃气装置压气机燃气轮机燃烧室空气废气gaspower

透平(Turbine)机械1)

体积不大2）流量大3）保温层q

0ws

=-△h

=

h1-

h2>0输出的轴功是靠焓降转变的例2：压缩机械Compressor火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机水泵制冷空调压缩机火力发电装置Steampower锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器航空发动机（燃气循环）燃气装置压气机燃气轮机燃烧室空气废气制冷空调装置Refrigerationandair-condition压缩机械1)

体积不大2）流量大3）保温层q

0ws

=-△h

=

h1-

h2<0输入的轴功转变为焓升例3：换热设备HeatExchangers火力发电：锅炉、凝汽器核电：热交换器、凝汽器制冷空调蒸发器、冷凝器火力发电装置锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器制冷空调装置换热设备热流体放热量：没有作功部件热流体冷流体h1h2h1’h2’冷流体吸热量：焓变例4：绝热节流ThrottlingValves管道阀门制冷空调膨胀阀、毛细管管道阀门制冷空调装置绝热节流绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等h1h2没有作功部件绝热第二章讨论课Discussion1、本质：能量守恒与转换定律=进入系统的能量离开系统的能量系统内部储存能量的变化-一、概念第二章讨论课(一、概念)

2、热力学第一定律表达式和适用条件任何工质，任何过程任何工质，准静态过程任何工质，任何稳流过程或忽略动、位能变化第二章讨论课(一、概念)

3、准静态下两个热力学微分关系式

适合于闭口系统和稳流开口系统后续很多式子基于此两式第二章讨论课(一、概念)

4、u与h

U,H

广延参数u,

h

比参数

U

系统本身具