工程热力学第二章

第二章

热力学第一定律

firstlawofthermodynamics§

2–1热力学第一定律的实质一.第一定律的实质：能量守恒与转换定律在热现象中的应用。二.第一定律的表述：

热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。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。§2–2热力学能（内能）和总能一.热力学能(internalenergy)UchUnuUthUkE平移动能转动动能振动动能UpE—二.总（储存）能(totalstoredenergyofsystem)总能热力学能，内部储存能宏观动能宏观位能外部储存能三.热力学能是状态参数

测量p，V，T可求出四.热力学能单位

五.工程中关心的是∴根据分子运动学说，热力学能是热力状态的单值函数，与达到这一状态的路径无关。§2–3热力学第一定律基本表达式

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流入：流出：内部贮能的增量：dEEE+dE或EE+dE§2–4闭口系基本能量方程式据

对闭口系，

忽略宏观动能Uk和位能Up，可得：第一定律第一解析式—热功的基本表达式讨论：

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“+”，“–”，大小。说明：1)Q、⊿U、W代数值，工质吸热、热力学能增加和对外作功取”+”，否则取“－”。2)普遍适应：可逆与不可逆；理想与实际气体，只要求初、终是平衡状态。

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?如图，气缸内充以空气，活塞及负载195kg，缸壁充分导热，取走100kg负载，待平衡后，求：（1）活塞上升的高度（2）气体在过程中作的功，已知例题一解：取缸内气体为热力系—闭口系。首先计算状态1及2的参数：分析：突然取走100kg负载，气体失去平衡，振荡后最终建立新的平衡。虽不计摩擦，但由于非准静态，故过程不可逆，但仍可应用第一定律解析式。过程中质量m不变据由于m2=m1

？不可逆外力注意：活塞及其上重物位能增加向上移动了5cm，因此体系对外力作功且T2=T1如图，已知活塞与气缸无摩擦，初始时p1=pb，t1=27℃缓缓加热，使若m=0.1kg，缸径=0.4m，空气求：过程加热量Q例题二A解：据题意可以求出；W弹W斥18从已知条件逐步推向目标从目标反过来缺什么补什么4）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手§2–5开口系能量方程一、推动功(flowwork;flowenergy)和流动功(flowwork;flowenergy)特点：1）传递推动功时没有热力状态和能量形态的变化。2）推动功只有在工质移动位置时才存在。vpp1v11推动功：在开口系统中工质流动而传递的功量。流动功：系统维持流动

所花费的代价。

推动功在p-v图上：二、焓(enthalpy)定义：H=U+pV

h=u+pv单位：J（kJ）

J/kg（kJ/kg）焓是状态参数物理意义：

引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。三、稳定流动能量方程

(steady-flow

energy

equation)

稳定流动特征：注意：区分各截面间参数可不同。1）各截面上参数不随时间变化。2）ΔECV=0，

ΔSCV=0，

ΔmCV=0ּ···

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(shaftwork)z1在τ1→τ2时间流入系统的能量: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

有分析讨论：1）改写（B）为（C）热能转变成功部分输出轴功流动功机械能增量（C）2）技术功(technicalwork)—由（C）技术上可资利用的功wt3)第一定律第二解析式a)通过膨胀，由热能b)第一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。把wt的概念代入（B）式，可得第一定律第二解析式

4）两个解析式的关系功，w=q–Δu总之：四、稳定流动能量方程式的应用1.蒸汽轮机、气轮机(steamturbine、gasturbine)

流进系统：

流出系统：内部储能增量：02、压气机，水泵类

(compressor、pump)流入流出内增03、换热器（锅炉、加热器等）(heatexchanger:boiler、heater)

流入：流出：内增：0若忽略动能差、位能差4、管内流动流入：流出：内增：0讨论：1）开口系问题也可用闭口系方法求解。2）注意闭口系边界面上热、功交换；尤其是边界面

变形时需考虑功的交换。3）例中若有无摩擦及充分导热的活塞，结果如何？