《工程热力学》 课件 第二章 热力学第一定律

第二章

热力学第一定律HeatisEnergyTemperatureofthewaterrisesifeither:heatisaddedworkisdoneSinceworkisenergy,heatmustbeenergyaswell实质：能量守恒及转换定律在热现象中的应用

18世纪初，工业革命，热效率只有1%

1842年，J.R.Mayer阐述热力学第一定律，但没有引起重视

1840-1849年，Joule用多种实验的一致性证明热力学第一定律，于1850年发表并得到公认§2-1热力学第一定律的实质热力学第一定律的普遍表达式进入系统的能量

-离开系统的能量

=系统中储存能量的增加适用于任何过程任何热力系第一定律的表述：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。闭口系循环的热力学第一定律表达式要想得到功，必须花费热能或其它能量

热力学第一定律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”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）§2-2热力学能和总能热力学能的组成：如果无化学反应，无核反应，热力学能＝内动能＋内位能物质内部拥有的能量称为热力学能，即由系统热力状态确定的系统本身的能量。热力学能的导出（I）任一闭口热力系统的循环热力学能的导出（II）对于循环1a2c1对于循环1b2c1状态参数（dU）pV12abc热力学能U的物理意义dU

=

Q

-

W

W

QdU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）热力学能及闭口系热力学第一定律表达式定义

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

绝热系绝功系

W

=-

dU热力学能的性质分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）核能化学能热力学能

热力学能是状态参数

U:

广延参数

[kJ]

u:

比参数

[kJ/kg]

热力学能总以相对量出现，热力学能零点人为定说明：系统总能外部储存能宏观动能Ek=mc2/2机械能系统总能E=

U

+

Ek

+Epe=

u

+ek+

ep宏观位能Ep=mgz用比参数表示的系统总能§2-3能量的传递和转化一、能量传递的两种方式■作功伴随着能量形态的变化物体的宏观位移特点TheareaunderthecurveistheworkTheworkdependsontheprocesspath作功的说明“作功”是系统与外界间的一种相互作用，是越过系统边界的能量交换。功是指作功过程中在传递着的能量的总称，过程一旦结束就再无所谓功。机械能与机械功、电能与电功等同吗？

系统可以拥有电能，机械能，但决不会拥有电功、机械功之类的功。功只不过是特定条件下在过程中传递着的能量。系统是否作功应以过程在外界所引起的效果来判断，而不应从系统的内部去寻找依据，对系统的内部来说无所谓“功”。功是有序能量传递。系统与外界之间的另一种相互作用，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。传热热量符号规定：

系统从外界吸热为正；向外界放热为负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，但是系统温度的变化与传热并无必然的联系。温度变化说明系统的状态有了变化但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紊乱运动的能量热量符号规定：系统从外界吸热为正；向外界放热为负not传热FlowWorkIttakesworktopushafluidintoasystemIttakesworktopushafluidoutofasystemF=PAWflow=FL=PAL=PV推动功的表达式推进功、推出功Adl

W推进=

Pin

Ain

dl

=

PinVin

w推进=

pinvin注意：不是

pdv

v没有变化pin同理

W推出=

Pout

Vout

w推出=

poutvout流动功的定义流动功定义为开口系统的推出功与推进功之差

是系统为维持工质流动所需的功

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、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，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时所携带和所传递的一种能量§2-4焓（Enthalpy)

定义：h

=

u

+

pv

[kJ/kg]H

=

U

+

pV

[kJ]1、焓是状态量（以相对值给定）2、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+推动功)

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。§2-5热力学第一定律的基本能量方程式热力学第一定律: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增加热力学第一定律的文字表达式: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EE+dE流入：流出：内部贮能的增量：dEEE+dE或

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—热功的基本表达式闭口系能量方程

W

Q

Q

=dU

+

W(输入)（贮增）（输出）

Q

=

U

+

W

q

=

du

+

w

q

=

u

+

w单位工质适用条件：1）任何工质2)任何过程闭口系能量方程中的功功（

w）

是广义功

闭口系与外界交换的功量

q

=du

+

w准静态容积变化功

pdv拉伸功

w拉伸=-

dl表面张力功

w表面张力=-

dA

w

=

pdv

-

dl

-

dA

+…...热力学第一定律解析式之一简单可压缩物质控制质量可逆过程能量方程简单可压缩系的可逆过程仅存在容积功

w=pdv简单可压缩系可逆过程

q=Tds

q

=

du

+

pdv

q

=

u

+

pdvTds=du+pdv

Tds=

u+pdv热力学恒等式讨论：2）对于可逆过程3）对于循环4）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W的“+”，“–”，大小。1）任何工质，任何过程。例自由膨胀如图，抽去隔板，求解：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。归纳热力学解题思路1）取好热力系2）计算初、终态

3）两种解题思路从目标反过来缺什么补什么从已知条件逐步推向目标4）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手【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？【例2-1】解

（1）热力系经历1a2过程后，吸热Q=70kJ，对外做功W=25kJ，

因热力学能是状态参数，其变化量只与工质的初、终态有关。所以

已知热力系经历1b2过程后，吸热Q=90kJ，则【例2-1】（2）热力系由2变化到1，其热力学能的变化量

外界对气体做功

热量为负值，表示该过程为放热过程。

§2-6开口系统能量方程式推导原则能量守恒原则进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能量的变化问题的简化：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，但要计及流体的流动动能，重力位能以及热力学能。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。——虽然假定系统边界不能移动，但是系统可以通过转轮转轴与外界交换轴功。——系统进出口界面上没有热量和功的交换。假定进、出口截面上存在局部平衡。——可以用流体在进入或离开系统的状态参数作为流体在进、出口界面的参数。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。开口系能量方程推导

Wi

Q

min

moutuinuoutgzingzout能量守恒原则进入系统的能量

-离开系统的能量

=系统储存能量的变化推动功的引入

Q

+

min(u

+

c2/2

+gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wi

=

dEcv这个结果与实验不符少了推动功

Wi

Q

min

moutuinuoutgzingzout开口系能量方程

Q

+

min(u

+

c2/2+gz)in-

mout(u

+

c2/2+gz)out

-

Wi

=

dEcv

Wi

Qpvin

moutuinuoutgzingzout

minpvout开口系能量方程微分式

Q

+

min(u

+

pv+c2/2+gz)in-

Wi

-

mout(u

+

pv+c2/2+gz)out

=

dEcv工程上常用流率(单位时间内某一量的值的大小）开口系能量方程微分式(Cont.)当有多条进出口：流动时，总一起存在焓的引入定义：焓

h

=u

+

pvhh开口系能量方程稳定流动能量方程SteadyStateSteadyFlow(SSSF)稳定流动的定义若工质流动过程中，开口系统中（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，则称系统处于稳定流动过程。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条件1、2、3、轴功Shaftwork每截面状态不变4、

min

Wi

Q

moutuinuoutgzingzout稳定流动能量方程的推导稳定流动条件0稳定流动能量方程的推导(Cont.)1kg工质稳定流动时的能量方程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稳定流动能量方程分析宏观运动的机械能过程中消失的热能控制容积中的能量转换关系稳定流动能量方程分析技术功wt能量转换关系分析（I）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

膨胀功工质的膨胀功是热变功的根源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推动功

(pv)几种功的关系？几种功的关系wwt△(pv)c2/2wsg△z做功的根源ws简单可压缩系可逆过程的技术功可逆过程简单可压缩系可逆过程热力学第一定律解析式之一热力学第一定律解析式之二技术功在示功图上的表示§2-7能量方程式的应用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轮机蒸汽轮机透平(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：换热设备火力发电锅炉、凝汽器核电发动机热交换器、凝汽器制冷空调蒸发器、冷凝器换热设备热流体放热量：没有作功部件冷流体吸热量：焓变例4：喷管和扩压管火力发电蒸汽轮机静叶核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机静叶喷管和扩压管喷管目的：速度提高，压力降低扩压管目的：动能与焓变相互转换压力升高，速度降低动能参与转换，不能忽略例5：绝热节流管道阀门制冷空调膨胀阀、毛细管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【例2-2】已知新蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3230kJ/kg，流速c1=50m/s，乏汽流出汽轮机时的焓h2=2300kJ/kg，流速c2=120m/s。蒸汽流量为600t/h，试求：

(1)汽轮机的功率；

(2)忽略蒸汽进、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。【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：因，所以每小时在汽轮机中所做的功为：【例2-2】

（2）忽略蒸汽进、出口时的动能差时，蒸汽进、出口的动能有：蒸汽机的功率为：说明：由以上的计算结果可以看出，汽轮机进出口的工质速度虽然相差较大，但其宏观动能变化量相对于汽轮机的轴功而言，是一个小到可以忽略不计的量，略去流动工质的