《工程热力学》课件-6 闭口能量方程

闭口系统的能量方程课程回顾热力学第一定律1能量转换与守恒定律自然界中一切物质都具有能量，能量既不可能被创造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变为另一种形式，在转换中能量的总量恒定不变。

进入系统的总能量—

离开系统的总能量系统储存能量的变化量热力系统的储存能2热力学能－u热力系统中与物质内部分子结构以及分子运动形式有关的微观能量的总和，统称为热力学能，单位J组成：内动能（分子的移动动能、转动动能和分子内部原子的振动动能）内位能（分子间相互作用力产生的能量）什么是内能？2热力学能－u热力系统的储存能3外部储存能热力系统的储存能需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的宏观动能和重力位能:宏观动能：m—物体质量;c—运动速度重力位能：m—物体质量;g—重力加速度；z—相对于系统外的参考坐标系的高度4总储存能热力系统的储存能热力系统外部储存能属于机械能，内部储存能属于热能。虽然能量形式不同，都是热力系统所具有的能量。系统总储存能(E)=热力学能(U)+外部储存能(Ek+Ep)单位质量工质的比储存能:3储存能外部储存能内部储存能宏观动能重力位能热力学能内动能内位能热力系统的储存能010203掌握闭口系统能量方程的含义理解稳定流动、流动功的意义掌握稳定流动能量方程课程要求闭口系统能量方程1方程式的推导QWU进入系统的能量：系统从外界吸取的热量Q（q）离开系统的能量：系统对外作的膨胀功W（w）

适用条件:1)任何工质;2)任何过程。注意:热——吸热为正，放热为负﹔功——热力系对外做功为正，外界对热力系做功为负。课堂练习闭口系统经如图所示过程1-2与过程1-a-2，比较下列各量的大小:

<<=功量内能变化量热量闭口系统能量方程1方程式的推导

QW+系统吸热内能增加系统对外界做功-系统放热内能减少外界对系统做功QWU注意:以上各能量方程式适用于闭口系各种过程（可逆或不可逆)及各种工质（理想气体、实际气体或液体)它们说明:在热力过程中，热力系从外界吸收的热量，一部分用于增加系统的热力学能储存于热力系内部，另一部分用于对外膨胀作功。工质膨胀作功是热能转变为机械能的根本途径。课堂思考判断下列说法是否正确?为什么?(1）工质吸热一定膨胀;(2）工质吸热时热力学能一定增加;(3）工质进行膨胀时必须对其进行加热。×××闭口系统能量方程2某凝汽式电厂能量平衡式闭口系统能量方程1方程式的推导QWU注意式中各项均为代数值，适用于闭口系统各种能量交换过程。对于任意过程(可逆过程或不可逆过程)、任意工质都适用闭口系统能量方程2方程式的常用形式单位质量工质可逆过程闭口系统能量方程3方程式的应用1）定量计算例题2-1

解题要点：①

u－热力学能U是状态参数，仅取决于初、终状态，而与路径无关②功、热量的正负课堂练习【例2-1】某闭口系统从初状态出发分别经历两条不同的路径到达终状态点b，如图2-2所示。(1)从a经c至b时，热力系统吸热80kJ,对外做功30kJ,求其热力学能的变化量(2）从a经d至b时,对外做功10kJ,问热力系统是吸热还是放热,交换的热量是多少?

（2）热力学能是状态参数：（1）解：

热量为正，该过程吸热。课堂练习【例2-1】某闭口系统从初状态出发分别经历两条不同的路径到达终状态点b，如图2-2所示。(3）若从b沿着曲线e返回至a时,外界对热力系统做功20kJ，问热力系统是吸热还是放热，交换的热量是多少?(4）设定状态点a的热力学能Ua=0，Ud=20kJ，那么d-b路径的热力学能的变化量为多少?

（3）热力学能是状态参数：（4）热力学能是状态参数，具有可加性

热量为负，该过程放热。

闭口系统能量方程3方程式的应用2）定性分析例：绝热的房屋，内有一转动的电风扇，问室内温度的变化QW

解题要点：①绝热Q＝0，耗功W<0②U=－W>0→T提高课堂练习解:根据题意，有Q=-500kJ，W=-100kJ代入上式得:U2=（-500）-（-100）+800=400（kJ）

【例2-2】某封闭的刚性容器，盛有一定量的空气，如图2-3所示,初态时热力学能为800kJ，由于容器壁导热向外散热500kJ，容器上装有一个搅拌器,通过搅拌器轴的旋转输入能量100kJ，试问:(1）此时容器中空气的热力学能是多少?（2）若为了维持容器内空气的热力学能不变,搅拌器应该输入多少轴功?解:（1）选取刚性容器内的空气为热力系统，列热力学第一定律表达式如下：

课堂练习即搅拌器需输入500kJ的轴功，数值上正好抵消散失的热量。

【例2-2】某封闭的刚性容器，盛有一定量的空气，如图2-3所示,初态时热力学能为800kJ，由于容器壁导热向外散热500kJ，容器上装有一个搅拌器,通过搅拌器轴的旋转输入能量100kJ，试问:(1）此时容器中空气的热力学能是多少?（2）若为了维持容器内空气的热力学能不变,搅拌器应该输入多少轴功?解:（2）维持热力学能不变，即U2=U1=800kJ：

课堂练习例题:气体在某一过程中吸收的热量为50J，同时热力学能增加了84J，问此过程是膨胀过程还是压缩过程?作功量为多少?解:根据题意，有Q=50J，△U=84J由闭口系能量方程式，可得:W=Q-△U=50-84=-34J<0可见，此过程为压缩过程，外界对气体作功34J。

2-1闭口系能量方程式开口系统稳定流动能量方程1稳定流动

各种热力设备在正常运行时，工质的流动基本上都是稳定的。开口系统稳定流动能量方程1稳定流动定义：稳定流动是指系统（内部及边界）各点工质的所有状态参数及运动参数都不随时间而变化的流动。条件：①热力系统内各点的参数不随时间发生变化；

②热力系统与外界进行的质量交换不随时间而变，且进出口截面上的质量流量相等；③单位时间内热力系统与外界交换的功和热量不随时间变化；一元稳定流动：工质的状态参数和流动参数只沿着流动方向才发生变化以水管举例开口系统稳定流动能量方程2流动功（推动功）定义：工质在流过开口热力设备时，必须受外力推动，这种推动工质流动而作的功称为流动功（推动功、推进功）。

mkg工质进入热力系统，外界所做的流动功:开口系统稳定流动能量方程2理解流动功（推动功）①与宏观流动有关，流动停止，推动功就不存在;②并非工质本身具有的能量，而是由外界(泵与风机）做出，流动工质所携带和传递的能量，并不改变工质的热力状态;③它是用来维持工质流动的，是伴随工质进出系统时而带入或带出系统的能量;④W推=pv与所处状态有关，是状态量。（推动功→压力位能)开口系统稳定流动能量方程2流动净功流动净功:对于同时有工质进出的开口系，系统与外界交换的推动功的差值，称为流动净功。流动净功可视为由于工质的进出，系统与外界传递的能量。当工质不流动时,流动净功为零。

注意：流动功只取决于工质进、出口的状态，不是过程量开口系统稳定流动能量方程3稳定流动能量方程

开口系统稳定流动能量方程3稳定流动能量方程如图所示，在单位时间内:

开口系统稳定流动能量方程3稳定流动能量方程进入系统的总能量：出系统的总能量：开口系统稳定流动能量方程3稳定流动能量方程？？？

稳定流动中各点参数不随时间变化→状态不变→储存能不变→输入能量＝输出能量

输入能量－输出的能量＝储存能变化＝0

能量平衡关系式

由m1=m2，整理有：对于1kg工质有：开口系统稳定流动能量方程3焓-h焓的定义：分析工质流动过程中的能量转换时，热力学能u与压力和比体积的乘积pv两项经常同时出现，于是定义一个复合的状态参数焓:h＝u＋pv焓的物理意义：工质携带的决定于热力状态的能量焓的重要性：分析蒸汽动力循环时，其吸热量或做功量往往等于焓的变化量进入系统的总能量：加热过程中的焓变以烧开水为例，当我们在炉灶上加热水时，水的内能在不断增加，温度升高。同时，随着水温升高，水的体积也会有一点膨胀（虽然在液态时不太明显），并且水的压强也会有相应变化。这个过程中，水的焓就在增加。焓的增加量就等于内能的增加量加上流动功的变化量。当水烧开变成水蒸气后，体积会急剧膨胀。这个时候，水蒸气的焓相比液态水就增加了很多。因为水蒸气的内能增大了（温度更高，分子间势能也改变了），而且它在膨胀过程中做了大量的流动功（推开周围的空气等）。开口系统稳定流动能量方程3焓-hh＝u＋pv开口系统稳定流动能量方程4稳定流动能量方程的分析1）热功转换的一致性热变功通过体积膨胀，做膨胀功（体积功）膨胀功＝推动功差额＋宏观动能和宏观位能增量＋轴功。开口系统稳定流动能量方程4稳定流动能量方程的分析2）技术功

技术功＝体积功克服进出口的流动阻力后所得的净功可逆条件开口系统稳定流动能量方程4稳定流动能量方程的分析12pv0v1v2p2p1p1v1p2v22）技术功谢谢聆听课堂练习例题:设有一定量气体在汽缸内被压缩，容积由1.4m3压缩到0.9m3，过程中气体压力保持常数p=105Pa。又设在压缩过程中气体的内能减少12000J，求此过程中有多少热量被气体吸入或放出?解:汽缸内气体质量不变，是闭口系统，根据闭口系统能量方程式有

此过程放出62000J课堂练习【例2-1】如图2-3所示，闭口系内的一定量气体由状态1经1-a-2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1-b-2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2-c-1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?解（1）热力系经历1-a-2过程后，吸热Q=70kJ，对外做功W=25kJ，由式(2-9）得:△U1a2=Q1a2-W1a2=70-25=45(kJ)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△U1a2=△U1b2=45kJ已知热力系经历1-b-2过程后，吸热Q=90kT，故由式(2-9)得W1b2=Q1b2-△U1b2=90-45=45(kJ)课堂练习【例2-1】如图2-3所示，闭口系内的一定量气体由状态1经1-a-2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1-b-2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2-c-1返回到状态1，则此返