动力热力学第一定律精.ppt

动力热力学第一定律第1页，本讲稿共35页2-2热力学能和总能一、热力学能一、热力学能（内能）（内能）(internalenergy)(internalenergy)定义：物体内部的能量。定义：物体内部的能量。微观上，内 微观上，内能包括 能包括分子动能（平动、转动、振动）分子动能（平动、转动、振动）分子间势能 分子间势能化学能 化学能核能 核能本课程不涉及 本课程不涉及第2页，本讲稿共35页二、内能是状态参数二、内能是状态参数一个抽象的闭系（代表各种具体情况）如图，经一个微元过程：一个抽象的闭系（代表各种具体情况）如图，经一个微元过程：第3页，本讲稿共35页对系统，第一定律能律守恒关系为：对系统，第一定律能律守恒关系为：进入系统的能量 进入系统的能量 离开系统的能量 离开系统的能量=系统内部能量的增量 系统内部能量的增量即 即第4页，本讲稿共35页对任何循环：对任何循环：此结论来自第一定律或经验。此结论来自第一定律或经验。则结论：则结论：U U是状态参数。是状态参数。这是因为，在数学上，如果 这是因为，在数学上，如果则，则，z z为点函数。为点函数。对点函数 对点函数z z有，有，与路径无关。与路径无关。这是状态参数具有的性质。即状态参数只与状态有关，这是状态参数具有的性质。即状态参数只与状态有关，而与达到该状态的过程无关。而与达到该状态的过程无关。内能的单位是：内能的单位是：J(J(焦耳 焦耳)；工程中关心的是；工程中关心的是U U。第5页，本讲稿共35页三、总能量三、总能量（totalstoredenergyofsystem totalstoredenergyofsystem）总 总=内 内+动 动+势 势第6页，本讲稿共35页2-3能量的传递和转化能量传递的两种方式：能量传递的两种方式：作功 作功热传递 热传递功和热的不同点和相同点：功和热的不同点和相同点：功和热均为系统和外界通过边界传递的能量，都是过程量；功和热均为系统和外界通过边界传递的能量，都是过程量；功的传递改变宏观运动状态；热的传递改变微观的运动状态。功的传递改变宏观运动状态；热的传递改变微观的运动状态。第7页，本讲稿共35页介绍几种功：介绍几种功：1.1.容积变化功，容积变化功，是容积变化或边界移动产生的功；是容积变化或边界移动产生的功；热能转变为机械能，只能通过容积变化（膨胀）功实现。热能转变为机械能，只能通过容积变化（膨胀）功实现。膨胀是热变功的根本方式。（以后的讲解可以理解）膨胀是热变功的根本方式。（以后的讲解可以理解）第8页，本讲稿共35页x活塞右移，工质进入气缸。实质是外界压力p把工质压入气缸，故推动功为：p，v推动功作用在质量m上。m被推入系统内，所以推动功随质量m一起进入系统。推动功的意义：工质m流入系统带入的功(外界对系统作功)；工质m流出系统带出的功(系统对外界作功)。2.推动功(flowwork;flowenergy)：推动工质移动所作的功；或因工质在开口系统中流动而传递的功。第9页，本讲稿共35页3.流动功(flowwork;flowenergy)：入口1出口2意义：维持开系流动，工质所作的功；出口和进口推动功之差便是流动功。第10页，本讲稿共35页4.4.技术功：技术功：式中：式中：维持流动工质所作的功。维持流动工质所作的功。可见：技术功 可见：技术功=膨胀功 膨胀功-流动功，它是膨胀功的一部分。流动功，它是膨胀功的一部分。技术功的意义：是开系对外界作的功。技术功的意义：是开系对外界作的功。这是因为：工质作功是膨胀功 这是因为：工质作功是膨胀功W W，它一部份用于维持开，它一部份用于维持开系流动 系流动Wf,Wf,剩下的部分才是开系作的功。剩下的部分才是开系作的功。故：开系作的功，不是膨胀功，而是技术功。故：开系作的功，不是膨胀功，而是技术功。定义：定义：工质由入口 工质由入口1 1流动到出口 流动到出口2 2所作的膨胀功；所作的膨胀功；第11页，本讲稿共35页p pV V1 12 2b ba ac cd d膨胀功：面积 膨胀功：面积12ba1 12ba1；技术功：面积 技术功：面积12cd1 12cd1。进一步分析：进一步分析：示功图：示功图：第12页，本讲稿共35页2-4焓(enthalpy)定义：定义：H=U+pV H=U+pV叫焓 叫焓h=u+pv h=u+pv叫比焓 叫比焓单位：单位：J(J(焦耳 焦耳)焓是状态参数。焓是状态参数。因为：内能 因为：内能U U和 和pV pV推动功都随 推动功都随m m流动带走。流动带走。流动工质携带的总能：流动工质携带的总能：工质宏观运动决定 工质宏观运动决定焓的物理意义是：随工质移动而转移的能量；焓的物理意义是：随工质移动而转移的能量；或：流动工质携带的由热力状态决定的能量。或：流动工质携带的由热力状态决定的能量。单位：单位：J/kg(J/kg(焦耳 焦耳/千克 千克)第13页，本讲稿共35页进入系统的能量总和 进入系统的能量总和 离开系统的能量总和 离开系统的能量总和=系统总储存能的增量 系统总储存能的增量E EE+dE E+dE2-5热力学第一定律的基本能量方程式第14页，本讲稿共35页进入：进入：离开：离开：内部贮能的增量：内部贮能的增量：dE dE带入基本能量方程式并整理得：带入基本能量方程式并整理得：基本能量方程式 基本能量方程式热变功的基本关系：热变功的基本关系：工质吸热 工质吸热Q Q，一部分增加内能，一部分增加内能dU dU，另一部分对外作，另一部分对外作W W。忽略宏观动能 忽略宏观动能 U Uk k和位能 和位能 U Up p，第一定律定第一表达式 第一定律定第一表达式第15页，本讲稿共35页有关焓的关系式：有关焓的关系式：注意：正负的规定 注意：正负的规定工质吸热，工质吸热，Q Q 0 0；工质放热；工质放热Q Q0 0 0；外界对工质作功；外界对工质作功W W0 0。参考下面式子自己推导。参考下面式子自己推导。H=U+pV H=U+pV第一定律定第二表达式 第一定律定第二表达式第16页，本讲稿共35页功的基本表达式 第一定律第一解析式热讨论：讨论：1）对于可逆过程2）对于循环3）对于一定量的工质，吸热与升温关系，还取决于W的“+”，“”和大小。第17页，本讲稿共35页例自由膨胀如图，解：取气体为热力系闭口系？开口系？强调：功是通过边界传递的能量。抽去隔板，求?例题第二章A4302661.ppt 例题第二章A4303771.ppt 第18页，本讲稿共35页一、一般表达式 一、一般表达式进入系统的能量 进入系统的能量 离开系统的能量 离开系统的能量=控制容积的储存能增量 控制容积的储存能增量2-6开口系统能量方程第19页，本讲稿共35页d d 时间 时间 内 内:进 进 入 入 系统物质 系统物质离开系统物质 离开系统物质第20页，本讲稿共35页1.1.进入系统的能量：进入系统的能量：热量：热量：Q Q2.2.离开系统的能量：离开系统的能量：控制体积的容积变化微元功 控制体积的容积变化微元功微元轴功 微元轴功微元内部功 微元内部功微元摩擦功 微元摩擦功第21页，本讲稿共35页3.3.系统储存能的增量：系统储存能的增量：CV CV表示控制体内部。表示控制体内部。带入一般表达式，整理得：带入一般表达式，整理得：单位时间内 单位时间内(上式是 上式是d d 时间 时间内的能量关系 内的能量关系)令：令：=Q Q/d/d 加热率 加热率(热流量 热流量)；=dm/d=dm/d 质量流率 质量流率(量 量)；Pi=Pi=Wi Wi/d d 内部功率。内部功率。则：则：第22页，本讲稿共35页二、稳定流动能量方程式(steady-flowenergyequation)稳定流动特征：1）各截面上参数不随时间变化。2）ECV=0，SCV=0，mCV=0 稳定流动：系统内任何点上的一切参数都不随时间变化。稳定流动：系统内任何点上的一切参数都不随时间变化。满足条件：满足条件：1.1.进出口状态不变 进出口状态不变(热力状态 热力状态)；2.2.进出口流量相等且不变 进出口流量相等且不变(流动状态 流动状态)；3.3.功和热量不随时间变化 功和热量不随时间变化(能量状态 能量状态)；注意：各截面之间的相应参数可能不同。注意：各截面之间的相应参数可能不同。第23页，本讲稿共35页准稳定流动：准稳定流动：如内燃机的气体流动，虽时时在变，但有周期性，如内燃机的气体流动，虽时时在变，但有周期性，其平均流可看作稳定。其平均流可看作稳定。对（准）稳定流动，开口系统能量方程式中 对（准）稳定流动，开口系统能量方程式中是流入 是流入1kg 1kg工质的吸热量；工质的吸热量；是流入 是流入1kg 1kg工质的内部功。工质的内部功。第24页，本讲稿共35页则得稳定流动能量方程：则得稳定流动能量方程：写成微量的形式：写成微量的形式：质量为 质量为m m的工质：的工质：写成微量的形式：写成微量的形式：第25页，本讲稿共35页A A式可化为：式可化为：热能转变为功的部分 热能转变为功的部分机械能增量 机械能增量 流动功 流动功 内部功 内部功三、三、技术功：技术上可资利用的功，用 技术功：技术上可资利用的功，用 表示：表示：定义：定义：与本页第一式比较得：与本页第一式比较得：（容积变化功或膨胀功（容积变化功或膨胀功W W）第26页，本讲稿共35页工质膨胀功 工质膨胀功=流动功 流动功+动能增量 动能增量+势能增量 势能增量+内部功 内部功即是说：维持开系流动的流动功，工质动、势能的增量，及工 即是说：维持开系流动的流动功，工质动、势能的增量，及工 质的内部功都是从工质膨胀功转化而来的。质的内部功都是从工质膨胀功转化而来的。或说：热能转变为机械能，只能通过膨胀功是实现。或说：热能转变为机械能，只能通过膨胀功是实现。四、热能转变为机械能，只能通过容积变化（膨胀）功来实现。四、热能转变为机械能，只能通过容积变化（膨胀）功来实现。上页第一式变为：上页第一式变为：第27页，本讲稿共35页归纳热力学解题思路1）取好热力系2）计算初、终态3）两种解题思路从已知条件逐步推向目标从目标反过来缺什么补什么4）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手第28页，本讲稿共35页稳定流动：稳定流动：一、动力机 一、动力机(蒸汽轮机、燃气轮机 蒸汽轮机、燃气轮机steamturbine,gasturbine steamturbine,gasturbine)是因为它们远小于 是因为它们远小于内部功 内部功=焓降 焓降(工质携带能量的减少 工质携带能量的减少)内部储能增量：02-7能量方程式的应用第29页，本讲稿共35页2、压气机，水泵类(compressor、pump)图设备图压气机.doc 与动力机过程相反：与动力机过程相反：内部储能增量：0第30页，本讲稿共35页3、换热器（锅炉、加热器等）(heatexchanger;boiler、heater)第31页，本讲稿共35页流入：流出：内增：0若忽略动能差、位能差能量平衡关系式 能量平衡关系式吸热 吸热焓增 焓增放热 放热焓降 焓降第32页，本讲稿共35页四、管道 四、管道流入：流出：内增：0忽略位能差：忽略位能差：管子短或保温好 管子短或保温好q0 q0：第33页，本讲稿共35页例题第二章A4312661.ppt 例题第二章A4322661.ppt 例题第二章A4332771.ppt 例题第二章A4333771.ppt 五、节流（自看）五、节流（自看）例：例：2-3p42(2-3p42(见书本 见书本)第34页，本讲稿共35页作业：22，5，7，9，13。第35页，本讲稿共35页