工程热力学 第二章 热力学第一定律.ppt

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1、第二章第二章热力学第一定律热力学第一定律2-1 热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质 1909年，年，C.Caratheodory最后完善热一律最后完善热一律本质：本质：能量能量转换转换及及守恒守恒定律在热过程中的应用定律在热过程中的应用 18世纪初，工业革命，热效率只有世纪初，工业革命，热效率只有1%1842年，年，J.R.Mayer阐述热一律，但没有阐述热一律，但没有 引起重视引起重视 1840-1849年年，Joule用多种实验的一致性用多种实验的一致性 证明热一律，于证明热一律，于1850年发表并得到公认年发表并得到公认焦耳实验焦耳实验1、重物下降，输重物下降，输 入功，绝热容入功

2、，绝热容 器内气体器内气体 T 2、绝热去掉，气绝热去掉，气 体体 T ，放出放出 热给水热给水，T 恢复恢复 原温。原温。焦耳实验焦耳实验水温升高可测得水温升高可测得热量热量，重物下降可测得重物下降可测得功功热功当量热功当量1 cal=4.1868 kJ工质经历循环工质经历循环:闭口系循环的热一律表达式闭口系循环的热一律表达式要想得到要想得到功功，必须化费，必须化费热能热能或或其它能量其它能量热一律热一律又可表述为又可表述为“第一类永动机是第一类永动机是 不可能制成的不可能制成的”2-2 2-2 热一律的推论热一律的推论热力学能热力学能热力学能热力学能的导出的导出闭口系循环闭口系循环热力学能

3、的导出热力学能的导出对于循环对于循环1a2c1对于循环对于循环1b2c1状态参数状态参数pV12abc热力学能及闭口热力学能及闭口系热一律表达式系热一律表达式定义定义 dU=Q-W 热力学能热力学能U 状态函数状态函数 Q=dU+WQ=U+W闭口系闭口系热一律表达式热一律表达式！两种特例两种特例 绝功系绝功系 Q=dU 绝热系绝热系 W=-dU热力学能热力学能U 的的物理意义物理意义dU=Q-W W Q dU 代表某微元过程中系统通过边界代表某微元过程中系统通过边界交换的交换的微热量微热量与与微功量微功量两者之差值，也两者之差值，也即即系统内部能量系统内部能量的变化。的变化。U 代表储存于系统

4、代表储存于系统内部的能量内部的能量 内储存能内储存能（内能内能、热力学能热力学能）热力学能的性质热力学能的性质分子动能（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热力热力学能学能 热力学能热力学能是状态量是状态量 U:广延参数广延参数 kJ u :比参数比参数 kJ/kg 热力学能热力学能总以变化量出现，总以变化量出现，热力学能热力学能零点人零点人为定为定说明：说明：系统总能系统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

5、般与系统同坐标，常用一般与系统同坐标，常用U,dU,u,du热一律的文字表达式热一律的文字表达式热一律热一律:能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律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2-3 闭口系能量方程闭口系能量方程 W Q一般式一般式 Q=dU+W Q=U+W q=du+w q=u+w单位工质单位工质适用条件：适用条件：1）任何工质）任何工质 2)任何过程任何过程闭口系能量方程中的功闭口系能量方程中的功功功（w）是广义功是广义功 闭口系与外界交换的功量闭口系与外界交换的功量 q=du+w准静态容积变化功准静态容积变化功 pdv拉

6、伸功拉伸功 w拉伸拉伸=-dl表面张力功表面张力功 w表面张力表面张力=-dA w=pdv-dl-dA+.准静态和可逆闭口系能量方程准静态和可逆闭口系能量方程简单可压缩系简单可压缩系准静态过程准静态过程 w=pdv简单可压缩系简单可压缩系可逆过程可逆过程 q=Tds q=du+pdv q=u+pdv热一律解析式之一热一律解析式之一Tds=du+pdv Tds=u+pdv热力学恒等式热力学恒等式门窗紧闭房间用电冰箱制冷门窗紧闭房间用电冰箱制冷以房间为以房间为系统系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程T电电冰冰箱箱门窗紧闭房间用空调降温门窗紧闭房间用空调降温以房间为以房间为系统系统

7、 闭口系闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程T空空调调 Q1 1、对某种理想气体加热、对某种理想气体加热100KJ100KJ，使其由状态使其由状态1 1沿途径沿途径A A可逆变化到状态可逆变化到状态2 2，同时对外做功，同时对外做功60KJ60KJ。若外界对该气体做功若外界对该气体做功40KJ40KJ，迫使它沿迫使它沿途径途径B B可逆返回状态可逆返回状态1 1。问返回过程中该气体。问返回过程中该气体是吸热还是放热？热量是多少？是吸热还是放热？热量是多少？计算题计算题第二章第二章 讨论课讨论课第二章第二章 讨论课讨论课2 2、一个装有、一个装有2kg2kg工质的闭口系经历了如下工质的闭口系经历了

8、如下过程：过程中系统散热过程：过程中系统散热25kJ25kJ，外界对系统外界对系统做功做功100KJ100KJ，比热力学能减小比热力学能减小15KJ/kg15KJ/kg，并并且整个系统被举高且整个系统被举高1000m1000m。试。试确定过程中系确定过程中系统动能的变化。统动能的变化。由热力学第一定律可知由热力学第一定律可知:第二章第二章 讨论课讨论课3 3、如图所示、如图所示,一定量气体在汽缸内体积由一定量气体在汽缸内体积由0.9m0.9m3 3，可逆地膨胀到可逆地膨胀到1.4m1.4m3 3，过程中气体压力保持定过程中气体压力保持定值，且值，且p p0.2MPa0.2MPa。若在此过程中气

9、体的热力学若在此过程中气体的热力学能增加了能增加了12000J12000J，求：，求：(1)(1)此过程中气体吸入或放出的热量。此过程中气体吸入或放出的热量。(2)(2)若活塞质量为若活塞质量为20kg20kg，且初速度为零，求且初速度为零，求 终终态时活塞的速度。态时活塞的速度。（大气压力（大气压力p p0 0=0.1MPa=0.1MPa）p如果是表压力为如果是表压力为0.2MPa0.2MPa，怎么办呢？，怎么办呢？2-4 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

10、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动功的引入推动功的引入 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout 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动功推动功推动功的表达式推动功的表达式推动功推动功（流动功、推挤功）（流动功、推挤功）pApVdl W推推=p A dl=pdV w推推=pv注意：注意：不是不是 pdv v 没有变化没有变化对推动功的说明对推动功的说明1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推有关，流动停止，推动动功不存在功不存在2 2、作

11、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开口系能量方程的推导开口系能量方程的推导 Wnet Q(pv)in mout

12、uinuoutgzingzout Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out -Wnet=dEcv min(pv)out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，总一起存在焓的引入焓的引入定义：定义：焓焓 h=u+pvhh开口系能量方程开口系能量方程焓焓（Enthalpy)的的 说明说明 定义：定义：h=u+pv kJ/kg H=U

13、+pV kJ 1、焓焓是状态量是状态量2、H为广延参数为广延参数 H=U+pV=m(u+pv)=mh h为比参数为比参数3、对流动工质，对流动工质，焓焓代表能量代表能量(内能内能+推进功推进功)对静止工质，对静止工质，焓焓不代表不代表能量能量4 4、物理意义：开口系中随工质物理意义：开口系中随工质流动而携带流动而携带的、取决的、取决 于热力状态的于热力状态的能量能量。2-5 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Steady State Steady Flow(SSSF)1、2、3、轴功轴功Shaft work每

14、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工质工质稳定流动能量方程稳定流动能量方程适用条件：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技术技术功功动能动能工程技术上可以直接利用工程技术上可以直接利用轴功轴功机械能机械能位能位能单位质量工质的开口与闭口单位质量工质的开口与闭口wsq稳流稳流开口系开口系闭口系闭口系(1kg)容积变化功容积变化功等价等价技术功技术功稳流开口与闭口的能量方程稳流开口与闭口的能量方程容积变化功容积变化功w技术功技术功wt闭口闭口稳流开口稳流

15、开口等价等价轴功轴功ws推动功推动功pv几种功的关系？几种功的关系？流动功流动功(pv)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对对功功的小结的小结2、开口系，开口系，系统系统与与外界交换的功为外界交换的功为轴功轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统闭口系，系统与与外界交换的功为外界交换的功为容积变化功容积变化功wws wt准静态下的技术功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机械能守恒机械能守恒对于流

16、体流过管道，对于流体流过管道，压力能压力能 动能动能 位能位能机械能守恒机械能守恒柏努利方程柏努利方程 2-6 稳定流动能量方程应用举例稳定流动能量方程应用举例什么是能量一般什么是能量一般守恒方程？守恒方程？热焓方程热焓方程?有什么用？有什么用？2-6 稳定流动能量方程应用举例稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略动、位能变化热力学问题经常可忽略动、位能变化例：例：c1=1 m/s c2=30 m/s (c22-c12)/2=0.449 kJ/kgz1=0 m z2=30 mg(z2-z1)=0.3 kJ/kg1bar下下,0 oC水的水的 h1=84 kJ/kg100 oC水蒸气水蒸气

17、的的 h2=2676 kJ/kg例例1：透平：透平(Turbine)机械机械火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 燃气轮机燃气轮机蒸汽轮机蒸汽轮机透平透平(Turbine)机械机械1)进出口速度相差不大进出口速度相差不大2)进出口位能相差不大进出口位能相差不大3）散热损失小散热损失小q 0ws =-h =h1-h20输出的轴功是靠焓降转变的输出的轴功是靠焓降转变的例例2：压缩机械：压缩机械火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机压气机水泵水泵制冷制冷空调空调压缩机压缩机压缩机械压缩机械ws =-h =h

18、1-h2TTB B，物体物体A A具具有的热量大于物体有的热量大于物体B BA B C D多选题多选题循环循环思考题思考题4附图附图第二章第二章 讨论课讨论课v某燃气轮机装置如图所示，已知压气机进口处空气的比焓h1为290kJ/kg。经压缩后空气升温使比焓增为h2=580kJ/kg，在截面2处空气和燃料的混合物以cf2=20m/s的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，使工质吸入热量q=670kJ/kg。燃烧后燃气进入喷管绝热膨胀到状态3，h3=800kJ/kg，流速增加到cf3，此燃气进入动叶片，推动转轮回转作功。若燃气在动叶片中的热力状态不变，最后离开燃气轮机的速度cf4=100m/s，求：若空气

19、流量为100kg/s，压气机消耗的功率为多少？若燃气的发热值qB=43960kJ/kg，燃料的耗量为多少？燃气喷管出口处的流速是多少？燃气轮机的功率为多少？燃气轮机装置的总功率为多少？充气问题与取系统充气问题与取系统储气罐储气罐原有气体原有气体m0,u0输气管状态不变，输气管状态不变，h,u,p,v经经 时间充时间充气，关阀气，关阀储气罐储气罐中气体中气体m求：求：储储气罐气罐中气体中气体内能内能u 忽略动、位能变化，且管路、忽略动、位能变化，且管路、储气罐、阀门均绝热储气罐、阀门均绝热m0,u0h四种可取系统四种可取系统1）取储取储气罐气罐为系统为系统开口系开口系2）取最终罐中气体为系统取最

20、终罐中气体为系统闭口系闭口系3）取将进入储取将进入储气罐气罐的气体为系统的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4）取储取储气罐气罐原有气体为系统原有气体为系统闭口系闭口系1)1)取取储气罐为储气罐为系统系统(开口系开口系)忽略动位能变化忽略动位能变化h绝热绝热无作功无作功部件部件无无离开气体离开气体1)1)取取储气罐为储气罐为系统系统(开口系开口系)经经 时间充气，积分概念时间充气，积分概念hh是常数是常数四种可取系统四种可取系统 2）1）取储取储气罐气罐为系统为系统开口系开口系2）取最终罐中气体为系统取最终罐中气体为系统闭口系闭口系3）取将进入储取将进入储气罐气罐的气体为系统的气体为系统m0,

21、u0h闭口系闭口系4）取储取储气罐气罐原有气体为系统原有气体为系统闭口系闭口系2 2）取最终罐中气体为系统）取最终罐中气体为系统(闭口系闭口系)hm0m-m0绝热绝热m-m0四种可取系统四种可取系统3)3)1）取储取储气罐气罐为系统为系统开口系开口系2）取最终罐中气体为系统取最终罐中气体为系统闭口系闭口系3）取将进入储取将进入储气罐气罐的气体为系统的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4）取储取储气罐气罐原有气体为系统原有气体为系统闭口系闭口系3 3）取将进入储气罐的气体为系统）取将进入储气罐的气体为系统(闭口系闭口系)m0hm-m0m0与与m-m0有有温差传热温差传热Q1m-m0对对m0作功作

22、功W1?m-m0四种可取系统四种可取系统 4)4)1）取储取储气罐气罐为系统为系统开口系开口系2）取最终罐中气体为系统取最终罐中气体为系统闭口系闭口系3）取将进入储取将进入储气罐气罐的气体为系统的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4）取储取储气罐气罐原有气体为系统原有气体为系统闭口系闭口系4 4）取储气罐）取储气罐原有原有气体为系统气体为系统(闭口系闭口系)m0hm-m0m0与与m-m0有有温差传热温差传热Q1m0得得m-m0作功作功W1?4 4）取储气罐）取储气罐原有原有气体为系统气体为系统(闭口系闭口系)m0hm-m0四种可取系统四种可取系统1）取储取储气罐气罐为系统为系统开口系开口系2）取最终罐中气体为系统取最终罐中气体为系统闭口系闭口系3）取将进入储取将进入储气罐气罐的气体为系统的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4）取储取储气罐气罐原有气体为系统原有气体为系统闭口系闭口系利用热一律的文字表达式利用热一律的文字表达式进进 出出 内能变化内能变化h内能变化：内能变化：取储气罐为系统取储气罐为系统(开口系开口系)进：进：出：出：m0,u0结果说明结果说明1）取系统不同，取系统不同，考虑的角度不同考虑的角度不同开口系开口系反映为反映为质量质量携带携带焓焓2）若若m00，m0,u0h闭口系闭口系反映作反映作功功