2022年工程热力学-热力学第一定律讲稿.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载热力学第肯定律一、热力学第肯定律的实质自然界的物质处于不断地变化中,转化中的守恒与守恒中的转化时自然界的基本法就之一；人们从很多的实践体会中总结出：自然界一切物质都具有能量,能量既不能制造也不能毁灭,各种不同形式的能量都可以从一个物体转移到另一个物体,也可以从一种能量形式转变到另一种能量形式,但在转移过和转变程中,它们的总量保持不变；这一规律称为能量守恒与转换定律；而热力学第肯定律就是能量守恒与转换定律在热现象中应用,它确定了热力工程中热力系与外界进行能量交换时,各种形状的能量在数量上的守恒关系；在工程热力学中热力学第肯定律可以表述为：热可以变为功,功也可以变为热,肯定的热量消逝时必产生相应的功,消耗肯定量的功时必显现与之对应的肯定量的热；二、热力系统常用到的能量形式（一）、储存能1、内储存能热力学能（U）：组成热力系统的大量微观粒子本身所具有的能量；热力学能是以下各种能量的总和：（1）分子热运动所形成的内动能；（2）分子间相互作用力所形成的内位能；（3）构成分子的化学能和构成原子的的原子能；2、外储存能（ 1）宏观动能（ Ek）：相对于热力系统以外的的参考坐标,由于宏观运动速度而具有的能量；Ek1mcf22（2）重力位能（ Ep）：在重力场中,热力系统由于重力作用而具有的能量；Epmgzmgz或3、热力系统的总储存能（E）： 是内储存能与外储存能之和,即：EUE k2E pU1mcf22eu1cfgz传递过程中的功2（二） 迁移能： 能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式做功和传热,量和热量称为迁移能；热力系统与外界存在势差时,进行的能量交换途径有 三种：功量交换、热量交换、质量交换；1、功量（ 1）体积功：在压力差的作用下,热力系统体积膨胀或收缩时与外界交换的功量；（2）轴功（ Ws）：热力系统通过叶轮机械的轴和外界交换的功量；2、热量：系统与外界在温差的推动下通过微观粒子的无规章运动而传递的能量；3、随质量交换传递的能量（ 1）流淌工质的储存能：流淌工质本身具有热力学能、宏观动能和重力位能,会随工质 的的流进（流出）系统而带入（带出）系统；这部分能量为：EU1mcf2mgz或eu1cf2gz22（ 2）流淌功（推动功） （Wf）：工质在开口系统中流淌而传递的功；流淌功与体积功不同,流淌功只有在工质流淌过程中才会显现,做流淌功时工质的流淌状态不发生变化,当然 也不存在能量形状的转化,工质做流淌功是只起到传递能量的作用；名师归纳总结 W fpV2PV1或w fp2v2p 1v 1第 1 页,共 5 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载三、热力学第肯定律的基本能量方程设想有一热力系如上图所示,其总能量为EUE kEp假定这一热力系在一段极短的时间 d 内从外界吸取了微小的热量 Q , 又从外界流入了每千克总能量为 1e 的质量m 与此同时热力系对外界做出了微小的总功 W tot,并向外界流出了每千克总能量为 e 的质量 m ,经过时间 d 后,热力系的总能量变为 E dE；热力学第肯定律的能量方程,就是系统变化过程中的能量平稳方程式,文字表达式为：加入热力系的能量总和 热力系输出的能量总和 = 热力系总能量的增量即：Qe 1m 1e 2W tote2m2EdEEQdEm2e 1m 1W tot（1）（2）对有限长时间积分得：e 2W totQEm 2e 1m 1式（ 1）和式（ 2）为热力学第肯定律最基本的表达式,适用于任何工质进行的任何无摩擦或有摩擦的过程；四、闭口系统的能量方程在闭口系统中,（1）热力系的宏观能量变化很小,宏观动能和重力位能可以忽视,因此,热力系中能量的变化就等于热力学能的变化量,即：E U；（2）另外对于闭口系统它与外界无质量交换,即：m 1 0 m 2 0（3）所做的功是体积功；所以闭口系统的能量方程可简化为：微元热力过程下：QdUWW;qduw总热力过程下：QU;quw五、开口系统的能量方程在实际工程中,工质要在热力装置中循环不断的流经各相互连接的热力设备,完成不同名师归纳总结 的热力过程实现能量转换对这类有工质流进和流出的热力设备（如燃气轮机、 汽轮机、 叶轮第 2 页,共 5 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载式压气机）常采纳开口系统即掌握体积的分析方法；我们把掌握体内质量和能量随时间而变化的过程称为不稳固流淌过程；把系统内质量和能量不随时间变化,各点参数保持肯定的称为稳固流淌过程；下面从最普遍额不稳固流淌过程着手导出开口系统的能量方程；设掌握体在到d的时间内进行一个微元热力过程；在这段时间内掌握体截面处流入的工质质量为m ,流出的工质质量为m ,掌握体从热远处吸热Q ,对外做轴W ,进出口截面相对参考系的高度分别为1z和z ,掌握体积内储存能的增量为dEcv,就掌握体的能量输入与输出情形如下：进入掌握体的能量=Qh 11 2c22gz 1m 1f1离开掌握体的能量=W sh 21cf2gz 2m 22掌握体储存能的变化dE cvEdEcvE cv依据热力学第肯定律建立能量方程得：Q+h11cf2gz 1m1h 21cf22gz 2m 2W sdEcv122整理得：Q=h 21cf22gz 2m 2h11cf2 1gz 1m1W sdEcv22六、稳固流淌的能量方程当流体流过开口系统时,有能量的输入和输出,此时输入的能量、输出的能量及系统积累的能量分别为：名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载（1）流入的能量：流入流体携带的热力学能、流体从外界获得的热能；流入的能量详细为：微观能即热力学能：U 1 m u 1宏观动能：E k 1 1 mc 1 1 22宏观位能：E p 1 m gz 1 1流体流淌能：PV 1 m Pv 1 1流体从外界获得的热能为：Q（2）流出的能量：流出流体携带的热力学能、宏观动能及位能、流体流入时得到的流淌能、宏观动能及位能、流体流出时得到的流淌能、流体通过转动部件对外界传出的机械能；流出的能量详细为：微观能即热力学能：U2m u 2E2dE宏观动能：E k21m c 222宏观位能：Ep2m gz 2 2流体流淌能：PV2m P v2热力系对输出的机械能为：W就依据热力学第肯定律,应有：E 1其中：E 1U1Ek 1Ep1PV 1 1QE 2U2Ek2Ep2PV2W即：名师归纳总结 m u112 m c 1 1m gz1m Pv 1 1 1QdEm u21m c2m gz2m Pv2W第 4 页,共 5 页222- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载开口稳固流淌系统定义及特点：热力系中各个参数稳固,即无能量和质量的积存；开口稳固流淌系统满意的表达式：m 1m 2mdE0就热力学第肯定律在开口稳固流淌热力系中的详细表达式为：m upv 11 2c 1 2gz 11Qm upv 21c 22gz 2W2化简为：Qm upvc2gz 2 upv1c2gz W22其中：hupv代入即：名师归纳总结 Qm h1c2gz 2h1c22gz 1Wgz 1w第 5 页,共 5 页22单位 kg 的热力系：qh12 cgz h2 c22七、热力学第肯定律的详细应用换热器中的应用：qh 2h 1内燃机中的应用：wh 1h 2喷管中的应用：12 ch 1h 22压缩机的应用：wh 2h 1- - - - - - -