工程传热学-第二章 热力学第一定律

第二章热力学第一定律

2.1热力学第一定律

(ThefirstLawofThermodynamics)2.1.1定律的实质：是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。2.1.2定律的内容：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。2.1.3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。2.2闭口系统能量方程式

TheenergyequationforControlMass2.2.1系统的总储存能1．符号:

E：kJ，J；e：kJ/kg，J/kg

2．组成：①外部储存能：宏观动能；宏观位能力学状态参数②内部储存能：与系统内部分子微观热运动、分子空间位形有关的能量，称为内能（也称为热力学能）热力学状态参数2.2.2内能（热力学能）1．符号：U：kJJ；u：kJ/kgJ/kg2．组成：微观动能：包括转动、移动、振动的动能与温度有关；微观位能：由于分子间相互作用力产生的与比容有关；核能、化学能：工程热力学一般不考虑。3．性质——状态参数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2.2.3总储存能的计算2.2.4闭口系统能量方程式能量平衡方程式：输入系统的能量—由系统输出的能量=系统贮存能量的变化

如图取活塞与气缸封闭的气体作为闭口系统进行研究。,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：对热力过程：

对微元过程：

适用范围：，初、终态平衡状态，闭口系统，任意工质，任意过程。对可逆过程：对热力循环：

2.3开口系统能量方程式

TheenergyequationforControlVolumes开口系统遵循的定律：能量守恒，质量守恒。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：（连续性方程）能量守恒定律：输入系统的能量—由系统输出的能量=系统贮存能量的变化①轴功δWs：开口系统和外界通过进出口截面以外的边界(一般为机器轴)所传递的功。②推动能：微元工质流经进口截面1-1处，外界推动工质进入系统需要消耗能量，其大小为：同理在出口截面2-2，系统将消耗能量把工质推出系统，其大小为：

③重力位能mgz；动能

④吸收热量δQ⑤工质流出流入的质量交换带出带入的内能dU⑥系统贮存能量的变化dE能量平衡方程式：输入系统的能量—由系统输出的能量=系统贮存能量的变化2.4稳定状态稳定流动能量方程式

Theenergyequationforsteadyanduniformflow2.4.1稳态稳流能量方程式

稳态稳流过程：开口系统各处及进出口截面处工质的热力学状态和流速、流量均不随时间变化的流动。也称稳定流动过程。根据稳态稳流过程的定义，将其用于连续性方程有：将以上结论代回开口系统能量方程（2-6a）：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。2.4.2焓enthalpy可逆膨胀功：对可逆过程轴功：（由稳态稳流能量方程）技术功：两式比较：2.5轴功

ShaftWork当进、出口动、位能相差不大，可忽略时：方程简化为：

对微元过程：

能量方程汇总热力循环：闭口系统：开口系统：稳态稳流：2.6稳定流动能量方程的应用

(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(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(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(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1

某燃气轮机装置示意图如图所示。若在稳定工况下工作，压气机进、出口气体的焓分别为h1=290kJ/kg，h2=580kJ/kg；燃烧室出口气体

h3=1300kJ/kg：燃气轮机出口废气焓h4=750kJ/kg。假定空气流量m=5kg/s，并忽忽略气体流经压气机和燃气轮机的散热损失。求燃气轮机装置的功率N。

解（1）：将整个燃气轮机装置取作系统进行计算根据稳定流动能量方程式，若动能、位能的变化忽略，则可写成（2）对所取的压气机热力系统有若进出口动、位能的变化忽略，则轴功为同样，对所取的燃气轮机热力系统有忽略动能、位能的变化，其q=0，则燃气轮机轴功为燃气轮机装置的功为两个系统轴功的代数和，即燃气轮机装置功率为可见，两种解法所取系统虽不同，但结果却一致。

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流为3A，电源电压为220V(假设电动机的功率因数已提高到1)，制冷机每小时排出的热量为5024kJ，试求由环境传入冷藏箱的热量。解：根据热力学第一定律有：Q2=Q1-W=5024-3×220×10－3×3600＝2648kJ/h习题2-9一热交换器利用内燃机废气加热水。若热交换器中气和水的流动可看作稳定流动，且流动动能及重力位能的变化可忽略不计。已知水受热后每秒钟焓增加了25kJ，试分析热交换器的能量转换关系，并求废气焓值的变化。解：对于热交换器有：即水接受的热量等于其焓值的增加，也等于废气焓值的变化。习题2-11有一台空气涡轮机，它所应用的压缩空气的焓为310kJ/kg，而排出空气的焓为220kJ/kg。若空气的流动为稳定流动过程，且进、出口处的流动动能及重力位能的变化不大，试求涡轮机的轴功。解：对于涡轮机Ws=h1-h2=310-220=90kJ/kg习题2-12有一水槽，槽内使用一个泵轮以维持水作