工程热力学第三章热力学第一定律课件

第三章第三章 热力学第一定律热力学第一定律 热力学能和总能热力学能和总能 系统与外界传递的能量系统与外界传递的能量 闭口系统能量方程式闭口系统能量方程式开口系统能量方程式开口系统能量方程式开口系统稳态稳流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稳态稳流能量方程的应用本章基本要求本章基本要求深深刻刻理理解解热热量量、储储存存能能、功功的的概概念念，深深刻刻理理解解内内能能、焓焓的的物物理理意义意义理理解解膨膨胀胀（压压缩缩）功功、轴轴功功、技技术术功功、流流动动功的联系与区别功的联系与区别本章重点本章重点熟练应用热力学第一定律解决具体问题3-1 3-1 热力学热力学能和总能能和总能分子动能（移动、转动、振动）分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）分子位能（相互作用）核能核能化学能化学能一、热力学能（内能）一、热力学能（内能）内能内能是状态量是状态量 U:广延参数广延参数kJu :比参数比参数kJ/kg 内能内能总以变化量出现，总以变化量出现，内能内能零点人为定零点人为定说明：说明：注意：注意：对理想气体对理想气体u=f(T)u=f(T)注意：注意：对理想气体对理想气体u=f(T)因分子间不存在相互作用力因分子间不存在相互作用力.没有内位能没有内位能,故故其热力学能仅包括分子内动能其热力学能仅包括分子内动能二二、外储存能外储存能 系统工质与外力场外力场的相互作用相互作用 所具有的能量如：重力位能以外界外界为参考坐标参考坐标的系统宏观运动宏观运动所具有的能量 如：宏观动能 组组成成注意注意C、z是独立于热力系统内部状态的外参数，因此将系统的宏观动能和重力位能称为外储存能。C、z是力学参数，处于同一热力状态的物体可以有不同的值。三三、系统的总能系统的总能外部储存能外部储存能宏观动能宏观动能Ek=mc2/2宏观位能宏观位能Ep=mgz机械能机械能系统总能系统总能E=U+Ek+Epe=u+ek+ep一般与系统同坐标，常用一般与系统同坐标，常用U,dU,u,du3-2 3-2 系统与外界传递的能量系统与外界传递的能量功随物质传递的能量随物质传递的能量 热量热量外界热源外界热源外界功源外界功源外界质源外界质源系系统统一、热量一、热量 kJ 或 kcal且lkcal=4.1868kJ定义定义：在温差温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。规定规定:特点特点:是传递过程传递过程中能量的一种形式，与热力过程热力过程有关系统吸热吸热热量为正正，系统放热放热热量为负负单位：单位：热量是除功以外另一种形式的能量传递传递二二、功量功量除温差以外除温差以外的其它不平衡势差不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量.1膨胀功W：2 轴功W:在力差力差作用下，通过系统容积变化容积变化与外界传递的能量。规定定:系统对外作功对外作功为正正，外界对系统作功对系统作功为负负。热力系通过叶轮机械的轴端与外界交换的能量称为轴功热力系通过叶轮机械的轴端与外界交换的能量称为轴功定义定义:单位单位：l J=l Nm膨胀功是热变功热变功的源泉刚性闭口系统刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换种类种类:注意注意:三三、随物质传递的能量随物质传递的能量1 流流动工工质本身具有的能量本身具有的能量2 流流动功功(或推或推动功功)为推动流体推动流体通过控制体界面而传递的机械功机械功.推动1kg工质进、出控制体时需功 注意注意:取决于取决于控制体进出口界面工质的热力状态工质的热力状态由泵风机等提供思考思考：与其它功区别推进功的表达式推进功的表达式推进功推进功（流动功、推动功）（流动功、推动功）pApVdl W推推=pAdl=pVw推推=pv注意：注意：不是不是pdv v 没有变化没有变化m1L L1 1A A1 1 热力系统（控制体）热力系统（控制体）推动功推动功推动功推动功注意：外界对系统作推动功时，推动功为负。注意：外界对系统作推动功时，推动功为负。注意：外界对系统作推动功时，推动功为负。注意：外界对系统作推动功时，推动功为负。推动功模拟图（外界对系统作功）推动功模拟图（外界对系统作功）推动功模拟图（外界对系统作功）推动功模拟图（外界对系统作功）推动功推动功推动功推动功2 2 p p2 2 v v2 22 2L L2 2A A2 2 热力系统热力系统热力系统热力系统(控制体控制体控制体控制体)m2注意：系统对外界作推动功时，推动功为正。注意：系统对外界作推动功时，推动功为正。注意：系统对外界作推动功时，推动功为正。注意：系统对外界作推动功时，推动功为正。单位质量工质进、出热力系统单位质量工质进、出热力系统单位质量工质进、出热力系统单位质量工质进、出热力系统(控制体积控制体积控制体积控制体积)对外作出的为对外作出的为对外作出的为对外作出的为净流动功净流动功净流动功净流动功 =对推进功的说明对推进功的说明1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推进功不存在有关，流动停止，推进功不存在2 2、作用过程中，工质仅发生作用过程中，工质仅发生位置位置变化，无状态变化变化，无状态变化3 3、w推推pv与所处状态有关，是与所处状态有关，是状态量状态量 4 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界做出，流动工质所而由外界做出，流动工质所携带的能量携带的能量可理解为可理解为：由于工质的进出，外界与系统之由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种间所传递的一种机械功机械功，表现为流动工质进，表现为流动工质进出系统使所出系统使所携带携带和所和所传递传递的一种的一种能量能量四、焓四、焓 对于m千克工质：v焓的焓的定义式定义式：焓焓=内能内能+流动功流动功 v焓的物理意义：焓的物理意义：1对流动流动工质(开口开口系统)，表示沿流动方向传递的总能量中，取决于取决于热力状态热力状态的那部分能量.思考：思考：特别的对理想气体 h=f(T)对于1千克工质：h=u+p v 2 对不流动不流动工质(闭口闭口系统)，焓只是一个复合复合状态参数状态参数 3-33-3 闭口系统能量方程式闭口系统能量方程式一、闭口系统能量方程表达式一、闭口系统能量方程表达式加入系统的能量总和加入系统的能量总和-热力系统输出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热力系总储存能的增量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。二、理想气体热力学能变化计算二、理想气体热力学能变化计算适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程1)2)适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用定值比热计算）（用定值比热计算）3)适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用平均比热计算）4)把代入进行积分适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用真实比热公式计算）5)由理想气体组成的混合气体的热力学能等于各组成气体热力学能之和，各组成气体热力学能又可表示为单位质量热力学能与其质量的乘积。例例例例3-1 3-1 3-1 3-1 某封闭的刚性容器装有一定量的空气某封闭的刚性容器装有一定量的空气某封闭的刚性容器装有一定量的空气某封闭的刚性容器装有一定量的空气,如图所示。初态时热力学能如图所示。初态时热力学能如图所示。初态时热力学能如图所示。初态时热力学能 为为为为800kJ800kJ800kJ800kJ，容器上装有一搅拌器，通过搅拌器轴的旋转输入能量，容器上装有一搅拌器，通过搅拌器轴的旋转输入能量，容器上装有一搅拌器，通过搅拌器轴的旋转输入能量，容器上装有一搅拌器，通过搅拌器轴的旋转输入能量100kJ100kJ100kJ100kJ，同时容器壁向外散热同时容器壁向外散热同时容器壁向外散热同时容器壁向外散热500kJ500kJ500kJ500kJ。试问此时容器内空气的热力学能是多少？。试问此时容器内空气的热力学能是多少？。试问此时容器内空气的热力学能是多少？。试问此时容器内空气的热力学能是多少？若为维持容器内空气的热力学能不变，由搅拌器应输入多少轴功？若为维持容器内空气的热力学能不变，由搅拌器应输入多少轴功？若为维持容器内空气的热力学能不变，由搅拌器应输入多少轴功？若为维持容器内空气的热力学能不变，由搅拌器应输入多少轴功？解解 根据闭口系能量方程根据闭口系能量方程由图可知由图可知则则若为维持容器内空气的热力学能不变若为维持容器内空气的热力学能不变搅拌器需要输入轴功搅拌器需要输入轴功3-43-4开口系能量方程开口系能量方程推导推导 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout能量守恒原则能量守恒原则进入进入系统的系统的能量能量 -离开离开系统的系统的能量能量 =系统系统储存能量储存能量的的变化变化推进功的引入推进功的引入 Wnet Q min m2uinuoutgzingzout Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv这个结果与实验这个结果与实验不符不符少了少了推进功推进功开口系能量方程的推导开口系能量方程的推导 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv minpvout开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式 Q+min(u+pv+c2/2+gz)in-Wnet-mout(u+pv+c2/2+gz)out=dEcv工程上常用工程上常用流率流率开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式当有多条进出口：当有多条进出口：流动时，总一起存在流动时，总一起存在根据热力学第一定律建立能量方程根据热力学第一定律建立能量方程上式对不稳定流动和稳态稳流，可逆与不可逆过程都适用，也能适用于闭口系统。稳态稳流系统必须满足下列必要条件稳态稳流系统必须满足下列必要条件稳态稳流系统必须满足下列必要条件稳态稳流系统必须满足下列必要条件:(1)(1)(1)(1)进、出口截面上工质的参数不随时间变化。进、出口截面上工质的参数不随时间变化。进、出口截面上工质的参数不随时间变化。进、出口截面上工质的参数不随时间变化。(2)(2)(2)(2)单位时间内系统与外界的功和热量交换不随时间变化。单位时间内系统与外界的功和热量交换不随时间变化。单位时间内系统与外界的功和热量交换不随时间变化。单位时间内系统与外界的功和热量交换不随时间变化。(3)(3)(3)(3)系统与外界进行的质量交换不随时间变化，且进口质系统与外界进行的质量交换不随时间变化，且进口质系统与外界进行的质量交换不随时间变化，且进口质系统与外界进行的质量交换不随时间变化，且进口质 量流量与出口质量流量相等，即：量流量与出口质量流量相等，即：量流量与出口质量流量相等，即：量流量与出口质量流量相等，即：由上述各条件可知由上述各条件可知由上述各条件可知由上述各条件可知,对于稳定流动，系统的储存能量也应保持不变，对于稳定流动，系统的储存能量也应保持不变，对于稳定流动，系统的储存能量也应保持不变，对于稳定流动，系统的储存能量也应保持不变，即系统的储存能量增量为零。即系统的储存能量增量为零。即系统的储存能量增量为零。即系统的储存能量增量为零。3-5 3-5 开口系统稳态稳流能量方程开口系统稳态稳流能量方程稳定流动能量方程稳定流动能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout稳定流动条件稳定流动条件1、2、3、轴功轴功Shaftwork每截面状态不变每截面状态不变4、稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导稳定流动条件稳定流动条件0稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导1kg工质工质一一、稳态稳流能量方程表达式稳态稳流能量方程表达式适用条件：适用条件：任何流动工质任何流动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程几种功的关系几种功的关系wwt(pv)c2/2wsgz做功的根源做功的根源ws二、准静态下的技术功二、准静态下的技术功准静态准静态准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之一热一律解析式之二热一律解析式之二技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示三三、理想气体焓的计算理想气体焓的计算用定值比热计算用定值比热计算:用平均比热计算用平均比热计算:经验公式经验公式:代入适用于理想理想气体的一切一切热力过程或者实际气体实际气体的定压过定压过程四、几种功之间的关系四、几种功之间的关系容积功容积功容积功容积功w w、净流动功、净流动功、净流动功、净流动功(pvpv)、技术功、技术功、技术功、技术功 w wt t 之间的关系之间的关系之间的关系之间的关系由能量方程由能量方程由能量方程由能量方程容积功容积功容积功容积功技术功技术功可得可得可得可得3 3 3 3种功之间的关系如下种功之间的关系如下种功之间的关系如下种功之间的关系如下:几种功的关系几种功的关系wwt(pv)c2/2wsgz做功的根源做功的根源ws传入系统的总能量传入系统的总能量离开系统的总能量离开系统的总能量=系统储存能量的变化量系统储存能量的变化量 分析此类系统时分析此类系统时,一般动能和位能的变化量都可忽略不计一般动能和位能的变化量都可忽略不计;若不是若不是 旋转机械旋转机械,轴功为零轴功为零;每股流体带入系统的能量只考虑焓。每股流体带入系统的能量只考虑焓。多股物流进、出系统的通用稳定流动能量方程为多股物流进、出系统的通用稳定流动能量方程为任何热力系统的能量关系都应满足下面的等式任何热力系统的能量关系都应满足下面的等式:五、多股物流进、出系统的稳定流动五、多股物流进、出系统的稳定流动3-6 稳定流动能量方程式的应用稳定流动能量方程式的应用一一、蒸汽轮机、气轮机蒸汽轮机、气轮机 流进系统：流出系统：开口热力系统开口热力系统开口热力系统开口热力系统 (汽轮机示意图汽轮机示意图汽轮机示意图汽轮机示意图)（去凝汽器）（去凝汽器）调速器调速器（来自锅炉）（来自锅炉）静叶静叶 动叶动叶 汽缸汽缸蒸汽蒸汽乏汽乏汽2 2状态状态1 1状态状态轴轴 对于热力发动机对于热力发动机对于热力发动机对于热力发动机汽轮机、燃气轮机等设备汽轮机、燃气轮机等设备汽轮机、燃气轮机等设备汽轮机、燃气轮机等设备,可由稳定流动能量方可由稳定流动能量方可由稳定流动能量方可由稳定流动能量方 程程程程,通过对实际设备的能量分析和简化通过对实际设备的能量分析和简化通过对实际设备的能量分析和简化通过对实际设备的能量分析和简化,得到应用于热力发动机的简得到应用于热力发动机的简得到应用于热力发动机的简得到应用于热力发动机的简 化能量方程。化能量方程。化能量方程。化能量方程。简化能量方程简化能量方程对对1kg1kg工质有工质有若若sEE简化能量方程简化能量方程对对1kg1kg工质有工质有用于汽轮机、燃气轮机的简化能量分析模型用于汽轮机、燃气轮机的简化能量分析模型电厂汽轮机发动机外貌二、压气机二、压气机、水泵类水泵类压气机图轴轴轴轴电动机电动机电动机电动机风机风机离心式压气机结构示意图离心式压气机结构示意图扩压管进气室进气室进气口进气口叶叶 轮轮蜗壳蜗壳出气口出气口出口扩压器出口扩压器主轴主轴出口扩压器出口扩压器2状态状态1状态状态轴轴轴轴电动机电动机电动机电动机泵泵开口热力系统开口热力系统（水泵示意图）（水泵示意图）（水泵示意图）（水泵示意图）电动机电动机电动机电动机锅炉给水锅炉给水锅炉给水锅炉给水来自冷凝器的水来自冷凝器的水来自冷凝器的水来自冷凝器的水水水泵泵1状态状态2状态状态轴轴轴轴方法方法 直接套用能量方程直接套用能量方程 对于泵和风机等消耗机械功的设备对于泵和风机等消耗机械功的设备,可对开口系统可对开口系统 稳定流动能量方程进行分析和简化稳定流动能量方程进行分析和简化,得到应用于泵和风机的能量方程。得到应用于泵和风机的能量方程。稳定流动能量方程为稳定流动能量方程为可得简化能量方程可得简化能量方程单位质量工质有单位质量工质有对于泵和风机等设备对于泵和风机等设备,若若方法方法 泵与风机的简化能量分析模型泵与风机的简化能量分析模型sEE简化能量方程简化能量方程单位质量工质有单位质量工质有三、换热器（锅炉、加热器等）冷流体入口冷流体入口1冷流体出口冷流体出口2热流体入口热流体入口热流体出口热流体出口开开口口热热力力系系统统（工业锅炉示意图）（工业锅炉示意图）（工业锅炉示意图）（工业锅炉示意图）去汽轮机去汽轮机来自水泵来自水泵过热器过热器炉墙炉墙蒸发管蒸发管2状态状态1状态状态燃油燃气锅炉内部结构图燃油燃气锅炉内部结构图来自汽轮机的水蒸气来自汽轮机的水蒸气去水泵的凝结水去水泵的凝结水冷却水冷却水冷却水冷却水开口热力系统开口热力系统开口热力系统开口热力系统（冷凝器示意图）（冷凝器示意图）（冷凝器示意图）（冷凝器示意图）（冷凝器示意图）（冷凝器示意图）1状态状态2状态状态（套管式换热器示意图）（套管式换热器示意图）（套管式换热器示意图）（套管式换热器示意图）冷流体入口冷流体入口1冷流体出口冷流体出口2热流体入口热流体入口热流体出口热流体出口开口热力系统开口热力系统（列管式换热器示意图）（列管式换热器示意图）（列管式换热器示意图）（列管式换热器示意图）开口热力系统开口热力系统热流体热流体冷流体入口1冷流体出口冷流体出口1热流体热流体换热器的能量分析模型换热器的能量分析模型方法方法对于对于热交换器热交换器 (锅炉、空气预热器、蒸发器、冷凝器等锅炉、空气预热器、蒸发器、冷凝器等 )的能量的能量 分析模型如下图。当选定一股流体为研究对象时分析模型如下图。当选定一股流体为研究对象时,另一股流体就是另一股流体就是 相对于选定流体的冷源或热源。若忽略工质进、出口动能和位能的相对于选定流体的冷源或热源。若忽略工质进、出口动能和位能的 变化时变化时,其热力学分析模型应为其热力学分析模型应为Q E E E由热力学第一定律一般式由热力学第一定律一般式,可得其简化能量方程可得其简化能量方程单位质量工质有单位质量工质有换热器的能量分析模型换热器的能量分析模型稳定流动能量方程为稳定流动能量方程为方法方法当选定一股物流为研究对象时当选定一股物流为研究对象时,另一股物流就是此物流的冷源或另一股物流就是此物流的冷源或 热源。此时可套用稳定流动能量方程热源。此时可套用稳定流动能量方程,得到应用于此设备的简化得到应用于此设备的简化 能量方程。能量方程。可得简化能量方程可得简化能量方程单位质量工质的简化能量方程单位质量工质的简化能量方程对于此类设备有对于此类设备有若忽略动能和位能的变化若忽略动能和位能的变化,即即四、喷管流体出口流体出口流体入口流体入口2 2状态状态1 1状态状态得简化能量方程得简化能量方程由由对于喷管有对于喷管有喷管的能量分析模型喷管的能量分析模型喷管的能量分析模型喷管的能量分析模型Ek221Ek1EEE对对1kg1kg工质有工质有建立上面系统的能量方程建立上面系统的能量方程流体1+流体2流体11状态状态流体2状态状态2状态状态五、流体的混合方法方法直接套用能量方程直接套用能量方程建立三通混合元件的能量方程建立三通混合元件的能量方程建立三通混合元件的能量方程建立三通混合元件的能量方程利用能量方程利用能量方程得简化能量方程得简化能量方程由质量守恒原理可知由质量守恒原理可知(1)(1)(2)(2)将将(2)(2)代入代入(1)(1)式有式有忽略散热损失忽略散热损失,忽略动能和位能的变化忽略动能和位能的变化,且轴功为零。且轴功为零。H23EE简化能量方程简化能量方程方法方法根据热力学第一定律建立系统的分析模型直接写出能量方程根据热力学第一定律建立系统的分析模型直接写出能量方程