工程热力学热力学第一定律

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,重庆电力高等专科学校,热工理论基础,第二章 热力学第一定律,第一篇 工程热力学,本章主要内容,热力学第一定律的实质,系统储存能,闭口系能量方程,状态参数焓,开口系能量方程及其应用,2,2-1,热力学第一定律的实质,19,世纪,30-40,年代，迈尔,焦耳（德国医生）发现并确定了能量转换与守恒定律。恩格斯将其列为,19,世纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。,能量转换与守恒定律,指出,：,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，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换过程中，能的总量保持不变,。,3,实质：,热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热力学中的具体应用。,热功转换可归结为两种运动形式之间的转化,：,宏观物体的机械运动 微观分子的热运动,意义：,确定了热能和机械能之间相互转换的数量关系，是工程热力学的理论基础之一，是热工分析与计算的理论依据。,表述：,热可以变为功，功也可以变为热，在相互转变时能的总量是不变的,。,4,第一类永动机,第一类永动机：,不消耗能量而能对外连续作功的机器。,故热力学一定律也可表述为：,“第一类永动机是永远也造不成的”。,5,永动机设想？,Q,锅,炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,W,net,Q,out,电加热器,6,2-2,系统储存能,能量是物质运动的度量，运动有各种不同的形态，相应的就有各种不同的能量。,系统储存的能量称为储存能，它有,内部储存能,与,外部储存能,之分。,7,一、热力学能,1.,概念：,热力学能是储存在系统内部的各种微观能量的总称。（即内能）,热力学能,符号：,U,，,单位：,J,或,kJ,比热力学能,（即,1kg,物质的热力学能）,符号：,u,，单位：,J/kg,或,kJ/kg,8,2.,微观组成：,内动能,：,分子热运动（移动、转动、振动）形成的内动能。它是,温度,的函数。,内位能,：,分子间相互作用形成的内位能。它是,比体积,的函数。,其它能,：维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子能及电磁场作用下的电磁能等。,注意：,工程热力学中只考虑内动能和内位能,。,所以有：,u=,f(T,v,),9,3.,热力学能特性：,热力学能是,状态参数,，是热力状态的单值函数；,其变化量与过程无关，只与初终状态有关；,p,v,1,2,a,b,0,10,二、外部储存能,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,：,z,相对于系统外的参考坐标系的高度,11,系统总储存能,(,E,)=,热力学能,(,U,)+,外储存能,(,E,k,+,E,p,),单位质量工质的比储存能：,三、系统的总储存能,12,1-3,闭口系能量方程式,闭口系：,在热力过程中（如图所示），系统从外界热源取得热量,Q,，对外界作膨胀功,W,，则,=,进入,系统的能量,离开,系统的能量,系统储存能的,变化量,-,能量平衡关系式：,W,Q,1,2,13,对于,不作整体移动的闭口系,，系统宏观动能和位能的变化可忽略不计，则有：,对于,微元过程,，有：,对于,单位质量工质,，有：,各项正负号的规定：,吸热、热力学能增加和对外作功为正，放热、热力学能减少和消耗外功为负。,热变功的根本途径,热力系吸收的能量,增加系统的热力学能,对外膨胀作功,14,例题分析,例,2-1,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=-34J0,可见，此过程为压缩过程，外界对气体作功,34J,。,15,思 考 题,1,、判断下列说法是否正确？为什么？,（,1,）工质吸热后一定会对外膨胀作功；,（,2,）工质吸热后热力学能一定增加；,（,3,）工质被压缩时一定要消耗外功。,16,在热力设备中，工质的吸热和作功过程往往伴随着工质的流动而进行。除了热和功的交换外，还有物质交换，此时热力系属开口系。,如火力发电厂中，给水在锅炉各受热面及加热器中的吸热过程；蒸汽在汽轮机中的膨胀作功过程等。,新课引入,17,一、推动功与流动净功,1.,推动功：,工质在流过热力设备时，必须受外力推动，这种推动工质流动而作的功称为,推动功（或,流动功,）,则外界对,1kg,工质所作的推动功为：,w,推,=,pv,1-4,状态参数焓,如图所示，如果将质量为,mkg,的工质送入气缸内，使活塞上升,h,的高度，则此过程中外界克服系统内阻力而对该工质所作的推动功为：,W,推,=,pAh,=,pV,=,mpv,18,对推动功的理解,与宏观流动有关，流动停止，推,动,功,就,不存在,；,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；,它是用来维持工质流动的，是伴随工质流动而带入或带出系统的能量；,w,推,pv,，与所处状态有关，是,状态量,。（,推动功,压力位能,）,19,2.,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。,20,二、焓,对于,mkg,工质,：,焓,=,热力学能,+,推动功,2.,焓的物理意义：,工质在流动状态下所具有的总能量中,，,取决于热力状态,的那部分能量,。,对于,1kg,工质：,h=u+,pv,1.,焓的,定义式：,单位：,J,或,kJ,单位：,J/kg,或,kJ/kg,焓只与状态参数,u,p,v,有关，故它也是,状态参数。,21,2-5,开口系稳定流动的能量方程及其应用,稳定流动必须满足以下条件：,（,1,）系统内及边界各点工质的状态不随时间变化；,（,2,）系统内各流通截面上工质的质量流量相等，且不随时间而变，满足,质量守恒,；,（,3,）系统内储存的能量保持不变，即单位时间内输入系统的能量应等于从系统输出的能量，满足,能量守恒,。,稳定流动概念：,开口系统内任意各点工质的,热力参数和运动参数,都不随时间而变化的流动过程。,22,一、稳定流动的能量方程式,如图所示，,在单位时间内：,1,kg,工质带入系统的能量,：,（,1,）焓,h,1,（,2,）宏观动能,1/2c,1,2,（,3,）重力位能,gz,1,1,kg,工质带出系统的能量,：,（,1,）焓,h,2,（,2,）宏观动能,1/2c,2,2,（,3,）重力位能,gz,2,同时，在单位时间内，外界加入热量,q,，系统对外输出,轴功,w,S,轴功,w,S,从机器轴端输出的有用功,23,离开系统的总能量：,由于是稳定流动，系统储存能的变化量为,0,。,代入能量平衡关系式，可得开口系统稳定流动的能量方程式：,进入系统的总能量：,上式适用条件：,任何工质、任何稳定流动过程,。,24,1.,定义：,在上式中，后三项实际上都属于机械能，工程上可直接利用的功；故把此三项合并在一起称为技术功（,W,t,）。,故开口系统的稳定流动能量方程还可以写为：,二、技术功,2.,技术功的计算式：,（可逆过程）,25,26,3.,膨胀功、技术功、轴功及推动功间的关系,由稳定流动能量方程可得：,再由闭口系能量方程有：,q,u=w,所以：,比较：,在,闭口系,中，工质的体积变化功直接表现为对外膨胀做功；而在,开口稳流系统,中，工质的体积变化功表现为：维持工质流动所必须支付的流动净功、工质本身动能和位能的增加、对外输出的轴功。,（两个能量方程的本质是相同的）,不计动能和位能变化时,27,三、稳定流动能量方程应用举例,1.,热机,（如汽轮机、燃气轮机等，是将热能转换为机械能的设备。）,故有：,可见：工质在热机中对所作的功等于热机进、出口工质的焓的减少，这时的轴功就是技术功。,（热能,机械能）,特点：,28,2.,换热器,故有：,可见：工质在换热器中流动时，吸收的热量等于其焓的增加。,(,热能的转移）,（换热器是实现两种流体热量交换的设备。）,特点：,29,例题分析,例,2-2,已知汽轮机中蒸汽流量为,40t/h,，汽轮机进口蒸汽焓为,3263kJ/kg,，出口蒸汽焓为,2232kJ/kg,。试求汽轮机的功率（不计汽轮机的散热、进出口动能差和位能差）。如果考虑到汽轮机每小时散热,410,5,kJ,，则汽轮机的功率又为多少？,解,：,(1),不计汽轮机散热时：,根据稳定流动的能量方程式可得，蒸汽每小时在汽轮机中所做的轴功为,W,s,=q,m,(h,1,h,2,)=4010,3,(3263,2232)=4.1410,7,kJ/h,则汽轮机的功率为：,(2),考虑汽轮机散热时：,W,s,=q,m,(h,1,h,2,)+Q=4010,3,(3263,2232),410,5,=4.110,7,kJ/h,此时汽轮机的功率变为：,说明：,由计算结果可知，将汽轮机的散热量忽略不计时，对汽轮机功率的影响并不大。所以，将汽轮机内蒸汽的膨胀作功过程看成是绝热过程来分析是合理的。,30,例,2-3,某,300MW,机组，锅炉的出力为,q,m,=1024,10,3,kg/h,，出口蒸汽焓为,h,2,=3392.3KJ/kg,，锅炉进口给水焓为,h,1,=1197.3KJ/kg,，锅炉的效率,炉,=92%,，标准煤发热量,q,煤,=29270KJ/kg,，求锅炉每小时的燃煤量,B,？,故有：,解：,每,kg,蒸汽在锅炉中吸热为：,q=h,2,-h,1,=3394.3-1197.3=2197KJ/kg,由锅炉效率定义有：,31,本章小结,比较热力学能及焓（物理意义！）,热力学第一定律的实质及表达式,闭口系能量方程（,q=,u+w,),及其应用,开口系稳流能量方程,(q=,h+w,t,),及其应用,32,课堂作业,教材,P63.,习题,2-2,、,2-5,33,