工程热力学与传热学-3第二章

第二章热力学第一定律一、定律的实质：

能量守恒及转换定律在热力学上的应用，确定热力过程中各种能量在量上的关系。

热能作为一种能量形式，可以和其它能量形式之间进行转换或发生能量传递，在这个传递或转换过程中能量的总量守恒。第一类永动机是不可能制成的。

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2-1热力学第一定律及其实质二、定律的内容：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。

第二章热力学第一定律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=4.1868J

第二章热力学第一定律

第二章热力学第一定律三、热力循环的热力学第一定律：

热力循环：封闭的热力过程。是指系统从某一状态出发经历一系列状态变化后，又回到原来状态的过程。

第二章热力学第一定律一、系统的总储存能：2-2闭口系统能量方程式外部储存能宏观动能

Ek=mc2/2宏观位能

Ep=mgz机械能内部储存能内动能=f(T)内位能=f(v,T)分子移动分子转动分子振动核能化学能热力学能

U

无化学反应，不予考虑无核反应，不予考虑

第二章热力学第一定律1、热力学能U：

热力学能是状态量；U

的单位:[kJ]；u的单位

:

[kJ/kg]；

热力学能总以变化量出现，热力学能的零点人为定。内能是温度和比容的函数，，对于理想气体，分子间无作用力，微观位能可忽略，内能与比容无关，则内能是温度的单值函数。

第二章热力学第一定律

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二、闭口系统能量方程式：

2.系统的储存能E

储存能：系统的热力学能、宏观动能与宏观位能之和。

比储存能：单位质量工质的储存能，用e表示。

第二章热力学第一定律

如图取活塞与气缸封闭的气体作为闭口系统进行研究。因，系统贮存能量变化为内能变化ΔU，输入系统能量为Q，输出能量为膨胀功W：

第二章热力学第一定律1、闭口系统能量方程式的其他形式：

对于单位工质：

对于微元过程：

对于可逆过程：几点说明：适用条件：1）任何工质2)任何过程

第二章热力学第一定律

对于热力循环：2、符号规定：吸热q>0，对外作功，w>0，内能增加,△u>0。例2-1：如图所示，闭口系内的一定量气体由状态1经1a2变化至状态2，吸热70kJ，同时对外做功25kJ，试问：（1）工质若由1经1b2变化到2时，吸热为90kJ，则对外做功是多少？（2）若外界对气体做功30kJ，迫使它从状态2经2c1返回到状态1，则此返回过程是吸热过程还是放热过程？其值为多少？

第二章热力学第一定律一、推动功：2-3开口系统能量方程式

第二章热力学第一定律

该δmkg工质流动L距离对活塞作功:

对于单位质量的工质:

这种推动工质流动所作的功叫推动功或流动功。L对推动功的几点说明：推动功的计算公式为：，而不是，v没有变化；与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在；作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化；wf＝pv与所处状态有关，是状态量；

第二章热力学第一定律

第二章热力学第一定律开口系统的推动功：进口的推动功：出口的推动功：净推动功：

第二章热力学第一定律二、开口系统遵循的定律：1、质量守恒定律：开口系统内增加的质量等于流入和流出系统的质量之差。

2、能量守恒定律：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质量守恒定律、能量守恒定律（连续性方程）

第二章热力学第一定律三、开口系统能量方程式δWsδQδm1δm2δm1u1δm2u2δm1gz1δm2gz2进入系统的能量：流出系统的能量：δm1u1δm1gz1δm1p1v1δm2p2v2δm1p1v1δm2u2

δm2gz2δm2p2v2工质进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能量的变化

第二章热力学第一定律

第二章热力学第一定律一、稳态稳流状态：1、定义：流动状况不随时间而改变的流动。即任一流通截面上工质的状态都不随时间而改变。2、稳定流动的实现条件：（1）系统和外界交换的能量（功量和热量）与质量不随时间而变；2-4稳定状态稳定流动能量方程式（2）任意流通截面上工质的状态参数不随时间而变。

第二章热力学第一定律二、稳态稳流能量方程式

将以上结论代回开口系统能量方程：

而：，

开口系统稳态稳流能量方程式的化简：

对于微元过程：

对于mkg工质：

第二章热力学第一定律三、焓

第二章热力学第一定律

令，则：式中称为比焓。

对焓的几点说明：

（1）比焓是状态量，表示每千克工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分，单位为kJ/kg；同理焓：，单位为kJ；

第二章热力学第一定律（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。（2）一般焓只计算其变化量△h，焓值的零点人为定；（4）对于微元过程，开口系统稳态稳流能量方程可转化为：开口系统的稳定流动能量方程式适用条件：任何流动工质；任何稳定流动过程。

第二章热力学第一定律一、轴功(ws)

2-5轴功

轴功

(ws)

：工质流经热力设备（开口系统）时，热力设备与外界交换的机械功，这个机械工通常是通过转动的轴输入、输出，所以工程上习惯成为轴功。

由闭口系统能量方程：

第二章热力学第一定律

工质在稳定流动过程中所作的膨胀功，一部分消耗于维持工质进出开口系统时的净推动功，一部分用于增加工质的宏观动能和位能，其余部分才作为热力设备输出的轴功。对于可逆过程（准静态过程）：因此：

第二章热力学第一定律

二、技术功（wt）

闭口系(1kg)的能量方程：容积变化功稳流开口系(1kg)的能量方程：技术功：工程技术上可以直接利用，用wt表示。动能轴功位能机械能对于mkg工质：

第二章热力学第一定律对于微元过程：而由焓的定义式：对于可逆过程（准静态过程）：因此，可逆过程（准静态过程）的技术功：

第二章热力学第一定律可逆：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：

第二章热力学第一定律热力学问题经常可忽略动、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

第二章热力学第一定律三、能量方程汇总：热力循环：闭口系统：开口系统：稳态稳流：

第二章热力学第一定律2-6稳定流动能量方程式应用举例1、换热器（加热器或冷却器）

heatexchanger

系统接受的热量等于工质的焓的增量，反之放热量等于系统的焓降。

第二章热力学第一定律2、涡轮机或压气机

Turbines,compressorsandpumps

在涡轮机中依靠工质的焓降而输出轴功，反之压气机中消耗轴功使工质的焓增加。

第二章热力学第一定律3、喷管和扩压管

NozzlesandDiffusers

喷管中依靠工质的焓降而使工质的流动动能增大。

第二章热力学第一定律4、节流

ThrottlingDevices(adiabaticprocess)

绝热节流前后流体的焓值不变，但此过程并非等焓过程。例2－4如图2-10所示，有一储气罐，初始时其内部为真空，现连接于输气管道进行充气。假设输气管内空气的状态始终保持稳定，其焓为h。经过∆τ时间的充气后，储气罐内空气的质量达到m0，试求此时储气罐内空气的热力学能U0。解法一：取储气罐内空气为一个开口系统，按连续性方程式：储气罐内空气质量m和流量qm之间的关系为设送气时间为，积分上式得因为开口系统能量方程式储气罐内内能的增加来自于输气管的空气的焓。2.4.2焓（enthalpy）①定义H=U+PV或h=u+pv单位J,KJ或J/kgkJ/kg②物理意义：

1)对于流动工质：焓代表流动工质所携带的与热力学状态有关的能量;2)对非流动工质，只代表状态参数。解法2利用焓的物理意义习题2-15气缸中空气组成的热力系统如图2-11所示。气缸内空气的容积为800cm3，温度为20℃，压力和活塞外侧大气压力相同，为0.1MPa。现向空气加热使其压力升高，并推动活塞上升而压缩弹簧。已知活塞面积为80cm2，弹簧系数为k＝400N/cm，实验得出的空气热力学能随温度变化的关系式为{△u1,2}kJ/kg=0.716

{△T1,2}K。若活塞重量可忽略不计，试求使气缸内空气压力达到0.3MPa所需的热量。闭口系统能量方程：？（1）求△U1,2t2=?力平衡（2）W1-2=?习题2-16一真空容器，因密封不严外界空气逐渐渗漏入容器内，最终使容器内的温度、压力和外界环境相同，并分别为27℃及101325Pa。设容器的容积为0.1m3，且容器中温度始终保持不变，试求过程中容器和环境交换的热量。解以容器内这一固定空间为系统能量方程作业：2－10，2－14，2－17习题2-1一辆汽车在1.1h内消耗汽油37.5L，已知通过车轮输出的功率为64kW，汽油的发热量为44000kJ/kg，汽油的密度为0.75g/cm3，试求汽车通过排气、水箱散热及机件的散热所放出的热量。习题2-2一台工业用蒸汽动力装置，每小时能生产11600kg蒸汽，而蒸汽在汽轮机中膨胀作功输出的功率为3800kW。如果该装置每小时耗煤1450kg，煤的

发热量为30000kJ/kg，而在锅炉中水蒸气吸收的热量为2550kJ/kg。试求：(1)锅炉排出废烟气带走的能量；(2)汽轮机排出乏汽带走的能量。解：（1）每小时该装置煤的发热量

Q1＝1450×30000＝435×105kJ/h每小时锅炉中水蒸汽吸热

Q2＝11600×2550＝295.8×105kJ/h所以废气带走的热量

Q1-Q2=435×105-295.8×105

=1.392×107kJ/h（2）每小时汽轮机输出功:

w0=3800×3600＝136.8×105kJ/h

所以乏汽带走的能量:

WW=Q2-W0

=295.8×105-136.8×105

=1.59×107kJ/h习题2-3夏日室内使用电扇纳凉，电扇的功率为0.5kW，太阳照射传入的热量为0.5kW。当房间密闭时，若不计人体散出的热量，试求室内空气每小时热力学能的变化。解：以密闭房间内的物质为系统

△U＝Q1+Q2

＝（0.5+0.5）×3600

＝3600kJ/h习题2-4某车间中各种机床的总功率为100kW，照明用100W电灯50盏。若车间向外散热可忽略不计，试求车间内物体及空气每小时热力学能的变化。解：忽略空气的流动，以密闭车间内的物质为系统

△U＝Q1+Q2

＝（50×0.1+100）×3600

＝3.78×105kJ/h习题2-5人体在静止情况下，每小时向环境散发的热量为418.68kJ。某会场可容纳500人，会场的空间为4000m3。已知空气的密度1.2kg/m3，空气的比热容为1.0kJ/(kg·K)。若会场空气温度允许的最大温升为15℃，试求会场所用空调设备停机时间最多可允许多少分钟？解：500人每小时向环境散发的热量为Q=500×418.68＝2.093×105kJ/h

会场空气所允许获得的最大热量为Qmax=ρVcpΔt=1.2×4000×1.0×15＝72000kJ则空调设备停机所允许的最长时间为Qmax/Q=72000/(2.093×105)=0.344h=20.6min习题2-6有一个热力循环，在吸热过程中工质从高温热源吸热1800J，在放热过程中工质向低温热源放热1080J，又在压缩工质时外界消耗700J，试求工质膨胀时对外所作的功。解：根据热力学第一定律有Q1+Q2=Wsc+WsTWsT=Q1+Q2-Wsc=1800+(-1080)-(-700)=1420J习题2-8为保持冷藏箱内的低温不变，必须把环境传入的热量取出。若驱动制冷机所需的电