工程热力学第三章剖析课件

第三章热力学第一定律*能量守恒与转换定律：自然界的一切物质都具有能量，能量既不能自然界的一切物质都具有能量，能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转换成另一种形式，或从被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转换成另一种形式，或从一个系统转移到另一个系统，而其总能量保持不变。一个系统转移到另一个系统，而其总能量保持不变。*热力学第一定律：能量 守恒与转换定律在热力学中的应用，构成了热力学第一定律。可表述为：热能和机械能在转移或转换时，能量的 总量必守恒。第一类永动机（不消耗任何能量而能连续不断做功的循环发动机）是不可能实现的本章重点根据需要解决的问题，适当的选取热力系统（同一现象选取不同的热力系统，系统与外界的能量关系不同，由此建立的能量方程也不同）分析系统内部与外界传递的能量根据能量守恒定律建立能量方程借助工质的热力性质、公式及图表，求解能量方程。123456热力学能与总能系统与外界传递的能量闭口系统能量方程开口系统能量方程开口系统稳态稳流能量方程稳态稳流能量方程的应用第一节：热力学能和总能能量是物质运动的度量，物质处于不同的运动状态，就有不同的能量形式系统储存能 热力学能 取决于系统本身的状态，它与系统内工质的分子结构及微观运动形式有关，统称为热力学能 外储存能取决于系统工质与外力场的相互作用及外界参考坐标的宏观运动所具有 的能量，这两种能量统称为外储存能。二、二、外部储存能（外部储存能（macroscopic forms of energy）外部储存能包括宏观动能和重力位能，它们的大小要借助外部储存能包括宏观动能和重力位能，它们的大小要借助在系统外的参考坐标系测得的参数来表示在系统外的参考坐标系测得的参数来表示。1 1.宏观动能宏观动能 ：单位为：单位为J或或kJ质量为质量为m的物体相对于系统外的参考坐标以速度的物体相对于系统外的参考坐标以速度c运动时，该运动时，该物体具有的宏观运动动能物体具有的宏观运动动能 2重力位能：重力位能：Ep，单位为，单位为J或或kJ在重力场中质量为在重力场中质量为m的物体相对于系统外的参考坐标系高度为的物体相对于系统外的参考坐标系高度为Z时，时，具有的重力位能具有的重力位能cf和和z是是力力学学参参数数，处处于于同同一一热热力力状状态态的的物物体体，选选用用不不同同的的坐坐标标系系可可以以有有不不同同的的值值，cf和和z是是独独立立于于热热力力系系统统内内部部的的参参数数。将将宏宏观观动动能能和和重重力力位位能能称为外储存能称为外储存能三，系统的总能系统的总能系统的总能系统总能系统总能E E为内储存能与外储存能之和为内储存能与外储存能之和比总能比总能 ：对对1kg1kg质量的物体的总能质量的物体的总能对于没有宏观运动，并且高度为零的系统，对于没有宏观运动，并且高度为零的系统，系统总系统总能就等于热力学能，能就等于热力学能，则则第二节系统与外界传递的能量系统与外界传递能量是指系统与外界热力源（热系统与外界传递能量是指系统与外界热力源（热源、功源、质源）或其他有关物质之间的能量传源、功源、质源）或其他有关物质之间的能量传递。递。能量一个从物体传递到另外一个物体有两种方式：1.传热能量2.做功一、热量 在第一章中，我们所讨论的热力学定义没有强调温差的作用，而在实际传递过程中是有温差作用的。因此，热量学的热量定义是：在温差作用下系统与外界传递的能量称为热量。当系统与外界之间达到热平衡时，系统与外界热量传递停止；热量一旦通过界面传入（或传出）系统，就变成系统（或外界）储存能的一部分，即热力学能。有时习惯上称为热能。热量与热力学能是不通的，热量是与过程特性有关的过程量，而热力学能是取决于热力状态的状态量系统与外界传递能量是指系统与外界热力源（热源、功源、质源）或其他有关物质之间的能量传递。能量一个从物体传递到另外一个物体有两种方式：1.传热能量2.做功二、功量 在热力学中，功是系统除温差以外的其他不平衡势差引起的系统与外界之间的能量。功有许多种形式，如电功风、磁功、机械拉伸功和膨胀功、轴功等。工程热力学中主要研究的是膨胀功和轴功。膨胀功（也称容积功）：在压力作用下，由于系统工质容积发生变化而传递的机械功。它是热转化为功的必要途径。无论是开口系统还是闭口系统，热转换为功工质容积都会膨胀，也就是都有膨胀功。闭口系统膨胀功通过系统界面传递，开口系统膨胀功则是技术功的一部分，可通过其他形式（如轴）传递。系统膨胀过程容积变化系统膨胀过程容积变化 v0，w0 ，则，则 膨胀膨胀 ：压缩过程容积变化：压缩过程容积变化 v0，w0 ，则，则 压缩压缩 ，对定容过程，对定容过程 v=0，则则w=0 但工质膨胀过程也可以没有功的输出，容积变化是作膨胀功的必要条件而不是充分必要条件。作膨胀功除有工质容积变化外，还应当有功的传递与接受。膨胀功是与过程特性有关的过程量，过程结束，系统与外界之间功的传递就停止。轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功称为轴功。轴功可来源于能量的转换，如汽轮机中热能转化为机械能，或是机械能的直接传递，如风车、水轮机等。轴功的符号为 Ws（单位质量工质的轴力）。通常规定系统输出轴功为正功，输入轴功为负功。三随物质流传递的能量开口系统与外界物质流传递的能量包括两部分1、流动工质本身具有的热力学能、宏观动能和重力位能 2、流动功（推动功）流动功是为推动流体通过控制体界面而传递的机械功，它是维持流体正常流动所必须传递的能量移动1kg工质进、出控制体净流动功为Wf=PfdS=PV=Pvdm Wf=PV wf=pv流动工质传递的总能量应包括物质流本身储存能及流动功：对流动功的说明1 1、与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在、与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在2 2、作用过程中，工质仅发生位置、作用过程中，工质仅发生位置3 3、wf fpv不是不是状态量状态量4 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化、并非工质本身的能量（动能、位能）变化 引起引起，而由外界做出，流动工质所携带的能量而由外界做出，流动工质所携带的能量由此可知：由此可知：流动功是一种特殊的功，其数值仅取决于控制体进出口界面工质的热力状态，与热力过程无关。流动功是一种特殊的功，其数值仅取决于控制体进出口界面工质的热力状态，与热力过程无关。变变四、焓及其物理意义定义：h=u+pv kJ/kg H=U+pV kJ u，p，v状态参数，故焓为状态参数状态参数，故焓为状态参数对流动工质，焓代表能量对流动工质，焓代表能量(热力学热力学能能+流动功流动功)对静止工质，焓不代表能量，只是一个复合函数，没有对静止工质，焓不代表能量，只是一个复合函数，没有明确明确 的物理意义的物理意义对理想气体，对理想气体，h=u+pv =u+RT=f(T)第三节 闭口系能量方程一一.闭口系统能量方程表达式闭口系统能量方程表达式闭口系统与外界没有物质交换闭口系统与外界没有物质交换，传递热量只有热量和功量两种形式。传递热量只有热量和功量两种形式。对许多闭口系统对许多闭口系统的热力过程而言，系统总能中的宏观动能和重力位能一般均不变，故总能的变化等于热的热力过程而言，系统总能中的宏观动能和重力位能一般均不变，故总能的变化等于热力学能的变化力学能的变化已知：如图所示气缸，吸热已知：如图所示气缸，吸热Q Q，对外作功，对外作功W W。1 1）选取气缸内气体为系统（闭口）选取气缸内气体为系统（闭口）2 2）外界与系统的能量传递：）外界与系统的能量传递：Q-WQ-W由能量守恒方程：由能量守恒方程：Q-W=UQ-W=U，或，或 Q=U+WQ=U+W（J J）单位质量工质：单位质量工质：q=u+w q=u+w（J/kgJ/kg）对于微元热力过程：对于微元热力过程：Q=dU+Q=dU+W W（J J）q=du+q=du+w w（J/kgJ/kg）物物理理意意义义：加加给给系系统统一一定定的的热热量量，一一部部分分用用于于改改变变系系统统的的热热力力学学能能，一一部部分用于对外作膨胀功。分用于对外作膨胀功。符号：方程式为代数式，系统对外做工热力学能减少，各项为负值。符号：方程式为代数式，系统对外做工热力学能减少，各项为负值。适用条件：适用条件：1 1）任何工质）任何工质 2)2)任何过程任何过程对于可逆过程（只适用于可逆过程）：对于可逆过程（只适用于可逆过程）：w=pdv 或或所以所以 q=du+pdv由于热能转换为机械能必须通过工质膨胀才能实现，因此闭口系统能量方程反应了热工转换的实质，是热力学定律的基本方程。由于热能转换为机械能必须通过工质膨胀才能实现，因此闭口系统能量方程反应了热工转换的实质，是热力学定律的基本方程。二热力学第一定律在循环过程中的应用工质在闭口系统中沿1-2-3-4-1过程完成一个循环，如工质为1kg,对每一过程，按热力学第一定律，建立能量方程：q12=u2-u1+w12 q23=u3-u2+w23q34=u4-u3+w34q41=u1-u14+w41 u=0 因而q12+q23+q34+q41=w12 +w23+w34+w41即 工质经循环回复到原始状态后，它在整个循环中从外界得到净热量应等于对外所作的净功对于定容过程，对于定容过程，W=0 三三.理想气体理想气体热力学能变化热力学能变化（u）的计算的计算所以所以对于理想气体对于理想气体适用于理想气体任适用于理想气体任何过程何过程所以所以 适用于理想气体任何过程适用于理想气体任何过程 cv 为为定值定值比热比热容容1.2.cv 为真实比热为真实比热容容3.cv 为平均比热为平均比热容容4.4.理想气体组成的混合气体的热力学能理想气体组成的混合气体的热力学能混合气体单位质量热力学能为：混合气体单位质量热力学能为：混合气体的热力学能不仅取决于温度，还取决于各种组成气体的质量成分。只有当各组气体组成成分一定时，才是温度的单值函数，才能用此公式计算3-4开口系统能量方程开口系统能量方程1.开口系统：系统与外界有热量、质量和轴功的交换。2.质量守恒原理：进入控制体的质量离开控制体的质量=控制体中质量的增量 能量守恒原理:进入控制体的能量控制体输出的能量=控制体中储存能的增量3.不稳定流动和稳定流动不稳定流动指系统内的质量和能量随 时间变化的过程稳定流动指系统内的质量和能量不随 时间变化的过程开口系能量方程普遍式开口系能量方程普遍式进入控制体的能量=Q+m1(h1+c12/2+gz1)离开控制体的能量=Ws+m2(h2+c22/2+gz2)控制体储存能变化dEcv=(E+dE)cv-Ecv开口系能量方程普遍式开口系能量方程普遍式根据热力学第一定律建立能量方程Q+m1(h1+c12/2+gz1)-Ws-m2(h2+c22/2+gz2)=dEcv整理得Q=m2(h2+c22/2+gz2)-m1(h1+c12/2+gz1)+Ws+dEcv适用条件：不稳定流动和稳态稳流、可逆与不可逆、开口与闭口系统三，理想气体焓变计算对于定压过程 于是稳流稳态方程 又可写为 故理想气体焓的计算工式 或第五节：开口系统稳态稳流能量方程稳态稳流工况：工质以恒定的流量连续不断地进出系统，系统内部各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一致，不随时间改变。Wnet Q min moutuinuoutgzingzout一，稳态稳流能量方程表达式2、同一时间内进入控制体的能量和离开控制体的能量相等，因而控制体内能量保持一定1、同一时间内进、出控制体同一时间内进、出控制体界面及流过系统内任何断面的界面及流过系统内任何断面的质量均相等质量均相等对于单位质量工质可写成：q=(h2-h1)+1/2(c22-c12)+g(z2-z1)+=h+1/2c2+g z+对于微元热力过程：q=dh+1/2dc2+gdz+d上式适用于稳态稳流各种热力过程二，技术功稳态稳流能量方程中的动能变化，位能变化和轴功都属于机械能，是热力过程可被直接利用来做功的能量，统称为技术功即技术功等于流动功代数和可逆过程的技术功可逆过程的技术功稳态稳流稳态稳流可逆过程可逆过程如图：微元过程的技术功，如图：微元过程的技术功，等于微元面积表示等于微元面积表示一般的工程设备中，往往不考虑进，出口工质动能和位能的变化，此时技术功等于轴功，即令令 =面积面积12341则技术功，膨胀功及流动功的关系为则技术功，膨胀功及流动功的关系为 =面积面积12561+面积面积41604-面积面积23052三理想气体焓变计算对于定压过程 于是稳态稳流能量方程 定压比热容 理想气体焓 或 混合气体的焓由理想气体组成的混合气体的焓等于个组成气体焓的总和，即 H=H1+H2+-+Hn 混合气体单位质量的焓，不仅取决于温度，而且还于各组成气体的质量成分有关。当混合气体的组成成分一定时，混合气体的质量的焓才是温度的单值函数。对实际气体的焓值，查专用表或根据热力学关系和通用性图来表示。第六节 稳态稳流能量方程的应用 一 动力机 二 压气机 三 热交换器 四 喷管 五 流体的混合 六 绝热节流实例1.1.蒸汽轮机、气轮机蒸汽轮机、气轮机(steam turbine、gas turbine)流进系统：流进系统：流出系统：流出系统：内部储能增量：内部储能增量：0 0忽略动能差和位能差，方程为：忽略动能差和位能差，方程为：.压气机压气机，水泵类，水泵类(compressor，pump)流入流入流出流出内部贮能增量：内部贮能增量：0 0方程为：方程为：注意注意wt的正负号的正负号3.换热器（锅炉、加热器等）换热器（锅炉、加热器等）(heat exchanger:boiler、heater etc.)