第二章 热力学第一定律

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 热力学第一定律,内容主要：,1.掌握热力学能，储存能的含义；,2.,掌握热力学第一定律的实质；,3.熟悉热力学第一定律的基本能量方程式,（闭口系统，开口系统）,4.掌握推动功，技术功和焓的含义。,21 热力系统的储存能,储存能：储存在热力系统的能量。,（1）内部储存能热力学能,（2）外部储存能宏观动能，宏观位能。,1.,热力学能：组成物质的微观粒子所具有的能量。,热力学能（,internal energy),主要包括,（1）内动能：物质内部分子，原子等微观粒子不停地作热运动的热运动动能，是温度的函数。,（,2）内位能：由于分子间相互作用力的存在所具有的位能，与气体的比体积有关。,化学能，原子核能，电磁能。,单位：焦耳,J，,符号,U,比热力学能：单位质量物质的热力学能，,u,J/kg,2.热力学能是温度和比体积的函数，是状态参数。,3.热力学能的大小是相对的。,二.宏观动能和宏观位能,1.宏观动能：由于宏观运动速度而具有的动能。,E,K,2.宏观位能：由于其在重力场中的位置而具有的位,能。,E,P,三.总储存能（,stored energy),总储存能：系统的热力学能，宏观动能，宏观位,能之和，用,E,表示，单位,J，KJ。,比储存能,e=u+e,k,+,e,p,22 热力学第一定律的实质,(,The first law of thermodynamics),几种表述,表述1：在热能和其他形式能的互相转换过程中，能,的总量始终不变。,表述2：不花费能量就能产生功的第一类永动机,（,perpetual motion machine of the first kind),是永,远不可能制造出来的。,方程表达式,对于任意热力系统（开口，闭口）,进入系统的能量 离开系统的能量=系统储,存能量的变化,23 闭口系统的热力学第一定律表达式,一.闭口系统的能量方程（,energy equation),选,热力系统：汽缸活塞系统中的工质,假设：工质由平衡态1变化到平衡态2，从外界吸热,Q，,对外作功,W，,忽略工质状态变化过程中,的动能，位能变化,依据：进入系统能量 离开系统能量=系统储存能,变化量,推导：,Q W =,U,Q=W+U=W+U,2,-U,1,闭口系统能量方程式（热一解析式）,几点说明：,（1）,意义：加给工质的热量,a:,一部分用于增加工质的热力学能，,b:,另一部分以作功的方式传递到外界。,（2）对1,kg,工质：,q=w+,u,（3）适用条件：,a:,可逆过程，不可逆过程,b:,理想气体。实际气体,c:,工质初，终态为平衡态,三.几种形式表达式,任意过程,Q=,U+W,q=,u+w,任意微元过程,Q=d U+W,q=d u+w,可逆过程,Q=,U+,1,2,p d V,q=,u+,1,2,p d v,4.可逆微元过程,Q=d U+p d V,q=d u+p d v,5.循环,Q,net,=w,net,同学们：,上课铃声即将敲响，,你们准备好了吗？！,同学们：,现在开始上课。,请翻开你们的书、笔记本，,拿起笔。,并请保持课堂安静。谢谢！,24 开口系统的稳定流动稳定流动能量方程式,注意：,（1）工质的热力状态参数及速度在不同截面不同,（2）开口系统可以借助工质的流动转移能量；,（3）除了能量平衡外，还必须考虑质量平衡；,（4）系统与外界交换的功，除了体积变化功，还,有流动功,一.稳定流动（,steady flow),1.稳定流动：热力系统内部及边界上各点工质的,热力参数和运动参数不随时间而改变,条件：,（1）单位时间流入系统的工质质量等于流出系统的工质质量，保证系统内工质质量流量维持恒定；,（2）单位时间内加入系统的净热及系统对外做的净功不随时间改变，保证系统储存能量维持不变；,（3）工质流过系统内各点的状态参数及速度不随时间改变。,二.流动功（,flow work),1.推动功：推动工质流动外界所做的功。,表示：外界所作的推动功,入口处：,p,1,A,1,d x=p,1,d V,1,=p,1,v,1,d m,1,出口处：,p,2,A,2,d x=p,2,d V,2,=p,2,v,2,d m,2,几点说明：,（1）是,工质在开口系统中流动而传递的能量；,流动功：系统为维持工质流动所需的功。,（,p v)=p,2,v,2,p,1,v,1,（,2）只有在工质流动过程中才出现；,（,3）工质在传递流动功时，没有热力状态的变化，,也没有能量形态的变化,（,4）流动功并不是工质本身的能量。是由泵（风机）,提供用来维持工质流动，伴随工质流入，流出,系统的能量。,三.焓（,enthalpy),定义：焓,H=U+p V J kJ,比焓,h=u+p v J/kg kJ/kg,2.几点说明：,（,1）物理意义：焓表示随工质流动而转移的总能量。,（,2）焓是一个状态参数。,（,3）焓的基准点可以人为确定。,思考：,什么条件下，热力学能和焓可以同时为“零”,四.开口系统稳定流动能量方程式,推导：,选开口系统；,假设：在时间,t,内,流入：质量,m,1,c,f1,流出：质量,m,2,c,f2,系统与外界：吸热,Q，,对外做轴功,W,s,完成过程：工质质量,m,总储存能,E,CV,考察能量平衡：,进入系统的能量 离开系统的能量,=系统储存能的变化量,分析：,t,时间内流入系统的能量；,t,时间内流出系统的能量；,系统储存能的增量：,整理：,开口系统稳定流动的能量方程式,适用条件,（1）稳定流动,（2）可逆过程，不可逆过程,2.稳定流动能量方程式的分析,工质机械能的变化,为,维持工质流动所需流动功,工质对机器所作轴功,工质吸收热量,工质热力学能的变化,比较：闭口系统能量方程式：,说明：,（1）无论开口系统，闭口系统，其热变为功的实质是一样的，都是通过工质体积的膨胀将热能转变为机械能，只不过对外表现形式不同。,（,2）不可利用：流动功,可以直接利用：工质动能，位能，工质对机器,所作轴功,五.技术功,定义：在热力学中，将工程上可以直接利用的,动能增量，位能增量，轴功总和称为-。,2.,W，W,S,，W,T,，,(,pv,),的关系,3.可逆过程中技术功表示：,坐标图中的表示：,六.开口系统稳定流动能量方程式的几种形式,1.任意过程,Q=,H+W,t,q=,h+w,t,2.任意微元过程,Q=d H+W,t,q=d h+w,t,3.可逆过程,Q=,H -,1,2,V d p,q=,h -,1,2,v d p,4.可逆微元过程,Q=d H -V d p,q=d h -v d p,分析判断：,热力过程中，工质向外界放热，其温度必然降低。,根据热力学第一定律，任何循环的净热量等于该循环的净功量。,工质从同一初态出发，分别经历可逆过程和不可逆过程达到相同的终态，则两过程中工质与外界交换的热量相同。,功不是状态参数，则热力学能与推动功之和也不是状态参数。,焓是状态参数，对于闭口系统，其没有物理意义。,流动功的改变量，仅取决于系统进出口处的状态，而与工质经历的过程无关。,7.工质所作的膨胀功与技术功，在某种条件下，两者的数值会相等。,封闭热力系内发生可逆定容过程，系统一定不对外做容积变化功。,气体膨胀时一定对外作功。,工质吸热后一定会膨胀。,自然界中发生的一切过程，都必须遵循能量守恒定律，反之则不然。,25 稳定流动能量方程式的应用,热交换器（,heat exchange),各种加热器，冷却器，散热器，蒸发器，冷凝器等。,主要表现,（1）与外界只有热量交换，无功量交换，,w,s,=0;,（2）,动能，位能的变化较小，可忽略,c,f,2,=0,z=0,能量方程式：,说明：,q,等于换热器进出口工质比焓的变化。,动力机械,各种热力发动机，如燃气轮机，蒸汽轮机；,主要表现,（1）略散热，近似绝热过程,q=0;,（2）,动能，位能的变化较小，可忽略,c,f,2,=0,z=0,能量方程式：,说明（,1）对外输出的轴功等于工质的焓降；,（2）此时轴功就是技术功。,压气机,泵，风机。,主要表现：,（1）略散热，,q,为负，近似绝热过程,;,（2）动能，位能的变化较小，可忽略,c,f,2,=0,z=0,能量方程式：,说明：工质流经泵或风机时，消耗的轴功等,于工质焓的增加。,绝热节流,阀门，孔板流量计等。,主要表现：,（1）流动是绝热的；,（,2）不对外作功；,（3）前后两个截面的动能，位能的变化较小，可忽,略,c,f,2,=0,z=0。,能量方程式：,说明,（1）节流前后焓值相等；,（2）节流过程是典型的不可逆过程。,喷管,收缩型喷管，缩放型喷管（拉瓦尔喷管）,主要表现：,（1）流经喷管时，速度大，时间短，散热很小,流动近似是绝热的；,（,2）属于管内流动，无轴功输入或输出；,（3）位能的变化较小，可忽略,z=0。,能量方程式：,说明：工质流经喷管时，动能的增加等于,焓值的减少。,同学们：,上课铃声即将敲响，,你们准备好了吗？！,同学们：,现在开始上课。,请翻开你们的书、笔记本，,拿起笔。,并请保持课堂安静。谢谢！,例,1：对定量的某种气体加热100,kJ，,使之由状态1沿路径1,a 2,变化到状态2，同时对外作功60,kJ。,若外界对气体作功40,kJ，,使之从状态2沿路径2,b1,返回状态1，如图，问返回过程中工质与外界交换的热量是多少？是吸热还是放热？,p,v,1,a,2,b,例,2：已知新蒸汽进入汽轮机时的焓,h,1,=3230kJ/kg，,流速,c,f1,=50m/s，,离开汽轮机的排汽焓,h,2,=2300kJ/kg，,流速,c,f2,=120m/s，,散热损失和进,出口位置高度差可忽略不计，蒸汽流量为,600,t/h，,求该汽轮机发出的功率是多少？,