工程热力学多媒体课建章张

工程热力学多媒体课建章张第一页，共四十一页，2022年，8月28日2-2热力学能和总能一、热力学能物质内部拥有的能量称为热力学能，其组成是：内动能（分子平移，旋转，振动）内位能（分子间作用力）化学能（维持一定的分子结构）原子能（原子核内部）如果无化学反应，无核反应，热力学能U＝内动能＋内位能1kg物质的热力学能称比热力学能u，单位是J/kg。热力学能是热力状态的单值函数，它与路径无关，是状态参数。

u=f（T，v）；u=f（T，p）；u=f（p，v）（2-1）第二页，共四十一页，2022年，8月28日一、热力学能的性质分子动能分子位能（相互作用）核能化学能热力学能

U:

广延参数，单位[J]

u:

比参数，单位[J/kg]

热力学能总以相对量出现，热力学能零点由人为而定。说明：移动动能转动动能振动动能第三页，共四十一页，2022年，8月28日二、总能工质的外部储存能工质的总能：热力学能+宏观动能及位能

E=

U

+

Ek

+Ep

（2-2）

E=

U

+

mcf2/2+mgz

（2-3）1kg工质的总能，即比总能为e=u+

cf2/2+gz

（2-4）宏观动能Ek=mcf2/2宏观位能Ep=mgz机械能宏观动能与内动能的区别图2-1系统的宏观动能与内动能总能外部储存能宏观动能宏观位能热力学能，内部储存能第四页，共四十一页，2022年，8月28日2-3能量的传递和转化一、作功和传热能量从一个物体传递到另一个物体可有两种方式：作功；传热。1.作功来传递能量总是和物体的宏观位移有关，如下图1-13所示：物体的宏观位移伴随着能量形态的变化作功特点“作功”是系统与外界间的一种相互作用，是越过边界的能量交换。功是指作功过程中传递能量的总称，一旦过程结束就再无所谓“功”了。p△W12mndVFdxV第五页，共四十一页，2022年，8月28日

2.用传热来传递能量不需要物体的宏观位移。传热是系统与外界之间依靠温差进行的一种能量传递现象，所传递的能量称为热量。在自然界，总是高温物体把能量传递给低温物体，传递能量用热量来度量。热量符号规定：系统从外界吸热为正；向外界放热为负。3.热能和热量不是同一个概念温差虽然是传热过程的推动势差，但系统温度的变化与传热并无必然的联系。不能由此判断出系统是否曾经吸热或放热。热能是微观粒子无序杂乱运动的能量。传热第六页，共四十一页，2022年，8月28日二、推动功和流动功

工质在开口系统中流动而传递的功叫推动功。见下图2-2（a），当工质流入汽缸推动活塞移动距离△l，所作的功为pA*△l=pV，比体积v=V/m，

pA*△l=pV=mpv。1kg工质的推动功

=pv。如图2-2中矩形面积所示。

图2-2推动功第七页，共四十一页，2022年，8月28日1、推动功(flowwork;flowenergy)推动功：工质在开口系统中流动而传递的功叫推动功。pvp1v11o二、推动功和流动功第八页，共四十一页，2022年，8月28日对推动功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，推动功不存在2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、1kg工质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，而由外界做出的，是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所携带和所传递的一种能量。第九页，共四十一页，2022年，8月28日流动功：系统为维持工质流动所需的功。流动功定义：开口系统的推出功与推进功之差。是系统维持流动所花费的代价。

推动功在p-v图上的表示：

流动功(flowwork;flowenergy)第十页，共四十一页，2022年，8月28日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，即系统内部能量的变化。U

代表储存于系统内部的能量

（内能、热力学能）WQ焓的定义：H=U+pV[J]（2-5）1kg工质的焓称为比焓：

h=u+pv[J/kg]（2-6）1、焓是状态参数，与达到这一状态的路径无关。热力学能U的物理意义：

dU

=

Q

-

W2-4焓（Enthalpy)第十一页，共四十一页，2022年，8月28日2-4焓（Enthalpy)

2、焓H为广延参数

H=U+pV=

m(u+pv)=mhu+pv的合并出现不是偶然的。u是1kg工质的热力学能，

pv是1kg工质的推动功。3、对流动工质，焓代表能量(内能+推动功)。

对静止工质，焓不代表能量。4、焓的物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决于热力状态的能量。

第十二页，共四十一页，2022年，8月28日

热力学第一定律的能量方程式就是系统变化过程的能量平衡方程式。根据能量守恒与转换定律，热力学第一定律的文字表达式:进入系统的能量总和－离开系统的能量总和=系统总储存能的增量（2-9）EE+dE流入：流出：内部贮能的增量：dE2-5热力学第一定律的基本能量方程式它适用于任何过程和任何工质的热力系统。第十三页，共四十一页，2022年，8月28日§2-5热力学第一定律的基本能量方程式进入系统的能量-离开系统的能量=系统中贮存能量的增加量（2-9）它适用于任何过程和任何工质的热力系统。1.闭口系的能量方程：

Q-W=U=U2–U1Q=U+W（2-10）

(输入)（贮增）（输出）对于一个微元过程，第一定律的解析式的微分形式：Q=dU+W（2-11）对于1kg工质，有

q=u+w（2-12）q=du+w（2-13）规定：系统吸热Q为正，系统对外作功为正，反之则为负。系统的热力学能增大时，U为正，反之则为负。WQ第十四页，共四十一页，2022年，8月28日

可逆过程的能量方程对可逆过程，有W=p*dV，所以Q=

dU+

pdV，

Q=U+

21pdV

（2-14）q

=

du

+

pdv，

q=u+

21pdv（2-15）简单可压缩系的可逆过程仅存在容积功。闭口系循环的热力学第一定律表达式

（2-16）要想得到功，必须花费热能或其它能量。第十五页，共四十一页，2022年，8月28日热力学能及闭口系热力学第一定律表达式

dU=

Q

-

W

热力学能U

—

状态函数Q

=

dU

+

WQ

=

U

+

W闭口系热力学第一定律表达式两种特例：Q

=

dU

绝热系统绝功系统W

=-

dU第十六页，共四十一页，2022年，8月28日例题自由膨胀如图，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?第十七页，共四十一页，2022年，8月28日归纳热力学解题思路1）取好热力系;2）计算初、终态;3）两种解题思路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。第十八页，共四十一页，2022年，8月28日第十九页，共四十一页，2022年，8月28日

实际热力设备的能量转换过程复杂，为简化问题,做4个假定：假定控制容积形状、大小、空间位置均不随时间改变。——因而统计系统的总能时，不考虑系统整体的外观能量，但要计算流体的流动动能，重力位能以及热力学能。假定系统除与外界有物质流交换，在没有质量流穿越的边界上，还可以有传热和作功的相互作用。假定进口、出口截面上存在局部平衡条件。假定流动为一元流动——仅在沿流动的方向上才有参数的变化。§2-6开口系统能量方程式第二十页，共四十一页，2022年，8月28日一、开口系的能量方程

依据：能量守恒原则进入系统能量-离开系统能量=系统储存能量的增加

（2-9）minmoutWiQuinuoutgzingzout第二十一页，共四十一页，2022年，8月28日一、开口系能量方程第二十二页，共四十一页，2022年，8月28日2-182-192-202-182-20)第二十三页，共四十一页，2022年，8月28日二、稳定流动能量方程

在流动过程中，开口系统（包括进、出口截面上）各点工质的热力学状态及流动情况（流速、流向）不随时间变化时，称为稳定流动过程。

1、系统各截面状态参数不随时间变化2、系统与外界的能量交换不随时间变化3、系统自身能量贮存与质量贮存不随时间变化稳定流动的必要条件为minWiQmoutuinuoutgzingzout∑qm，in=∑qm，out在只有单股流体进出时：q

m1=q

m2=q

m第二十四页，共四十一页，2022年，8月28日稳定流动能量方程将以上条件代入式（2-20），并用qm

除式（2-20），有i（2-21）式中，q和wi分别是1kg工质进入系统后，系统从外界吸入的热量和在机器内部作的功。当min=mout=m，稳定流动能量方程可写为

Q=△H+m△cf2+mg△z+Wi

（2-23）式(2-21)-(2-24)是据能量守恒定理在稳定条件导出,其适用条件：任何稳定流动过程的任何流动工质。fqm1=qm2=qm第二十五页，共四十一页，2022年，8月28日稳定流动能量方程的推导1kg工质稳定流动时的能量方程iiiii第二十六页，共四十一页，2022年，8月28日三、稳定流动能量方程式的分析if将△h=△u+△（pv）代入上式，有：（2-21）工质宏观运动的机械能工质在过程中的容积变化功fi上式说明，工质在状态变化过程中从热能转变而来的机械能

=容积变化的膨胀功（2-25）第二十七页，共四十一页，2022年，8月28日稳定流动能量方程分析技术功wtif（2-21）技术功ifwt=（2-26）由式（2-25）并考虑q－△u=w，则wt=w-△（pu）=w-（p2u2–p1u1）（2-27）第二十八页，共四十一页，2022年，8月28日技术功在示功图上的表示对可逆过程：wt=2211（2-28）51265123415140562306图2-5技术功的表示在微元过程中Wi=-vdp（2-29）65dp第二十九页，共四十一页，2022年，8月28日稳流开口与闭口的能量方程容积变化功w技术功wt引入技术功wt(2-16)式为:

稳流开口系等价工质对机器作的功wi推动功(pv)几种功的关系？闭口系（2-21）1kg工质的：(2–12)wwt△(pv)c2/2wig△z做功根源第三十页，共四十一页，2022年，8月28日能量转换关系分析稳流开口系闭口系两种过程中消失了的热能数量上都等于（q－u）任何情况下，热力过程造成的热变功效果只是（q－u），即过程功工质的过程功是热变功的根源i第三十一页，共四十一页，2022年，8月28日几种功的关系wwt△(pv)c2/2wig△z做功的根源wii技术功工质对机器作的功第三十二页，共四十一页，2022年，8月28日过程功和有用功的概念过程功：按照系统在热力过程中的状态变化而应该作出的功。系统的过程功中通常可分为有用功和无用功的两个部分。对大气所作的任何功是无用的，克服摩擦所作的功都转变为热量，因而也是无用的。设备从转轴上传出的轴功，提升重物所作的机械功，以及工质本身的宏观动能和重力位能的增加（可以利用相关机械设备进一步使之转变为轴功等机械功）都属于系统所作的有用功。有用功：技术上有用的，可以输给功源的功。功源：一种可以向热力系作功或从热力系统接受功的外界物体或装置。第三十三页，共四十一页，2022年，8月28日【例2-2】已知新蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3232kJ/kg，流速cf1=50m/s，乏汽流出汽轮机时的焓h2=2302kJ/kg，流速cf2=120m/s。忽略热损失和位能差。若蒸汽流量qm为10t/h，试求：(1)汽轮机的功率；

(2)忽略散热损失（q=0）和蒸汽进、出口动能变化引起的计算误差。

解：（1）因蒸汽在汽轮机中的流动为稳定流动，可根据稳态稳流能量方程式进行求解。第三十四页，共四十一页，2022年，8月28日【例2-2】而蒸汽在汽轮机中绝热膨胀，并且，其进出口的高度差可近似看作等于零，因此可得：if解