能量与热力学第一定律.ppt

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1、第一部分第一部分热力学基本定律热力学基本定律第一章第一章能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律 本章提要本章提要:本章阐明热力学第一定律的实质一一能量本章阐明热力学第一定律的实质一一能量守恒，给出了热力学第一定律的守恒，给出了热力学第一定律的基本表达式基本表达式及其对开及其对开口系统的表达式，导出了工程上具有重要意义的口系统的表达式，导出了工程上具有重要意义的稳定稳定流动能量方程式流动能量方程式，简单介绍了非稳定流动的能量方程，简单介绍了非稳定流动的能量方程，举例说明了热力学第一定律在不同工程问题上的举例说明了热力学第一定律在不同工程问题上的具体具体应用应用。第一部分第一部分热力学基本定律热

2、力学基本定律第一章第一章能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律 本章要求本章要求:1 1深刻认识热力学第一定律的实质深刻认识热力学第一定律的实质能量守恒。能量守恒。22了解热和功是系统与外界交换能量的两种方式，了解热和功是系统与外界交换能量的两种方式，知道其定义、特性及计算方法。知道其定义、特性及计算方法。3 3掌握热力学第一定律能量方程的基本表达式及稳定流动能掌握热力学第一定律能量方程的基本表达式及稳定流动能量方程，并对非稳定流动能量方程有初步的认识。量方程，并对非稳定流动能量方程有初步的认识。4 4了解热力学第一定律对工程实践的指导作用，能灵活运用了解热力学第一定律对工程实践的指导作用，

3、能灵活运用能量方程对实际工程中的能量转换过程进行分析、计算和研能量方程对实际工程中的能量转换过程进行分析、计算和研究。究。21热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质n一一能量转换与守恒定律能量转换与守恒定律n自然界一切物质都具有能量。能量不可能创自然界一切物质都具有能量。能量不可能创造也不可能消灭，而只能在一定条件下从一造也不可能消灭，而只能在一定条件下从一种形式转变为另一种形式，在转换中能量总种形式转变为另一种形式，在转换中能量总量恒定不变量恒定不变21热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质n二二几种说法几种说法n在任何发生能量传递和转换的热力过程中，在任何发生能量传递和转换的热力过程中

4、，传递和转换前后能量的总量维持恒定传递和转换前后能量的总量维持恒定n热功可以互相转换，但转换前后总量不变热功可以互相转换，但转换前后总量不变n第一类永动机是不可能制造成功的第一类永动机是不可能制造成功的22功功n一一功的定义和性质功的定义和性质n1在力学中的定义在力学中的定义n物体所受的力及其沿力的方向所产生的物体所受的力及其沿力的方向所产生的位移的乘积位移的乘积n功量是过程量功量是过程量，与状态量不同，说某状，与状态量不同，说某状态下具有多少功量是毫无意义的。态下具有多少功量是毫无意义的。n功用功用W表示表示22功功n一一功的定义和性质功的定义和性质n2在热力学里的定义在热力学里的定义n功是

5、物系间相互作用而传递的能量。当功是物系间相互作用而传递的能量。当系统完成功时，其对外界的作用可用在系统完成功时，其对外界的作用可用在外界举起重物的外界举起重物的单一效果单一效果来代替来代替n3功的单位和符号功的单位和符号n4比功比功wW/m22功功n三三气体的容积变化功气体的容积变化功22功功n三三气体的容积变化功气体的容积变化功n活塞移动活塞移动dxdx时所作时所作的的功量为功量为nW=pAdxpdVn准平衡准平衡过过程体程体积变积变化功化功nW WV VpdVpdV22功功n三三气体的容积变化功气体的容积变化功n几点说明：几点说明：n1 1 适用于任意准平衡过程，与热力系的几何形状无关适用

6、于任意准平衡过程，与热力系的几何形状无关 n2 2 系系统统在准平衡在准平衡过过程中完成的功量亦可称程中完成的功量亦可称为为准静功准静功。准静。准静功可以功可以仅仅通通过过系系统统内部的参数来描述内部的参数来描述 n3 3 必必须须知道知道过过程方程式程方程式P Pf f(V V)，才能算出才能算出该过该过程的功量程的功量n4 4 P PV V 图图上可以用面上可以用面积积表示功量，故表示功量，故p p-V V图图又称又称为为示功示功图图n5 5 功量是功量是过过程量而不是状程量而不是状态态量量n6 6 气体膨胀，气体膨胀，dVdV0 0，功量为正，系统对外做功功量为正，系统对外做功 23热热

7、n1 1 定义：热力系与外界之间依靠温差传递的能量称为定义：热力系与外界之间依靠温差传递的能量称为热热。n2 2 热的传递不能像功的传递那样，可以折合为外界重物高热的传递不能像功的传递那样，可以折合为外界重物高度变化的度变化的单一效果单一效果n3 3 是过程量是过程量而不是状态量，因此说而不是状态量，因此说“物体具有多少热量物体具有多少热量”及及“物体具有多少功量物体具有多少功量”都是错误的都是错误的n4 4 热力系热力系吸热吸热时热量取时热量取正正号，放热时取负号号，放热时取负号24循环的第一定律表达式循环的第一定律表达式n焦耳实验焦耳实验表明：表明：n热力系经历一循环过程回到初态时，系统在

8、热力系经历一循环过程回到初态时，系统在整个循环中从外界吸入整个循环中从外界吸入(或放出或放出)的热量等于的热量等于其对外完成的其对外完成的(或得到的或得到的)功量。功量。25状态参数热力学能状态参数热力学能n(Q-W)=0Q-W)=0n1-1-A A-2-2和和1-1-C C-2-2是是由由1 1到到2 2任任意意选选择择的的不不同同途径途径n积分的结果与积分途径无关积分的结果与积分途径无关n被积函数必定是某一个态函数的全微分被积函数必定是某一个态函数的全微分n用用U U 表示这个态函数表示这个态函数ndUdU Q-W Q-Wn以以一一定定方方式式储储存存于于热热力力系系内内部部的的能能量量叫

9、叫做做系统的热力学能系统的热力学能(亦称内能亦称内能)n热热力力学学能能是是一一个个状状态态参参数数，可可用用其其它它独独立状态参数表示出来立状态参数表示出来26热力系与外界的物质交换热力系与外界的物质交换n一一 质量守恒方程式质量守恒方程式n稳态稳定流动过程：稳态稳定流动过程：n流流道道内内各各点点流流体体的的热热力力状状态态及及流流动动情情况况不随时间变化不随时间变化n m minin=m moutout 26热力系与外界的物质交换热力系与外界的物质交换n二二 流动功流动功n1 1 推挤功推挤功push work(PV)push work(PV)n克克服服某某种种作作用用力力，使使气气体体

10、发发生生宏宏观观位位置置移动所消耗的功移动所消耗的功 n2 2 流动功流动功flow workflow workn使使流流体体从从截截面面1 1流流入入到到截截面面2 2流流出出的的流流动动过程中，系统付诸于质量迁移所作的功过程中，系统付诸于质量迁移所作的功nW Wf f=p=p2 2V V2 2-p-p1 1V V1 1=(=(pVpV)27热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式n一一 基本表达式基本表达式n Q QUUW Wn1 1 适适用用于于闭闭系系内内进进行行的的一一切切过过程程(包包括括各各种种非非平平衡衡过过程程及及准准平衡过程平衡过程)n2只只涉涉及及到到热热力力学学能能

11、、热热、功功的的相相互互转转换换，是是热热力力学学的的主主要研究对象要研究对象，所以称基本表达式，所以称基本表达式 27热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式n二二 开系能量方程式开系能量方程式n最一般的形式：最一般的形式：n dEdEcvcv=Q+Q+m minin(u+(u+pvpv+1/2c+1/2c2 2+gzgz)ininn -m moutout(u+(u+pvpv+1/2c+1/2c2 2+gzgz)outout-w wnetnet n dEdEcvcv=Q+Q+m minin(h h+1/2c+1/2c2 2+gzgz)ininn -m moutout(h h+1/2c+1

12、/2c2 2+gzgz)outout-w wnetnet n适用于任何工质适用于任何工质 任何过程任何过程 任何流动任何流动27热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式n二二 开系能量方程式开系能量方程式n焓的说明焓的说明：n 1 1 定义：定义：h=u+h=u+pvpvn 2 2 物物理理意意义义：流流动动工工质质的的热热力力学学能能和和推推挤挤功功之之和和，可可以以认为是流动工质所携带的能量认为是流动工质所携带的能量 n 3 3 性质：是状态参数，是状态量性质：是状态参数，是状态量n 4 4 目的：为了计算方便目的：为了计算方便27热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式n三三 稳

13、定流动能量方程式稳定流动能量方程式n稳定流动过程稳定流动过程n系系统统与与外外界界的的功功量量和和热热量量交交换换情情况况不不随随时时间间改改变变，系系统统内内各处流体的热力状态和流动情况也不随时间变化各处流体的热力状态和流动情况也不随时间变化n 能量方程式能量方程式nQ=Q=H+1/2mH+1/2mc cf f2 2+mg+mgz+Wz+Wnetnet n适用于任何工质，任何过程，稳定流动的开系适用于任何工质，任何过程，稳定流动的开系27热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式n四四 用技术功用技术功WtWt表示的稳定流动能量方程式表示的稳定流动能量方程式n Wt Wt 1/2m 1/2

14、mc cf f2 2+mg+mgz+Wz+Wnetnet n Q=Q=H+WtH+Wtn 因为因为 Q Q U U W Wn Q=Q=H+Wt H+Wt U U Wf Wf Wt Wtn 所以所以 Wt Wt W W WfWf27热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式n五五 稳定流动开系各种功之间的关系稳定流动开系各种功之间的关系n 1 1 Wt Wt 1/2m 1/2mc cf f2 2+mg+mgz+Wz+Wnetnet n 2 W 2 W Wt Wt WfWfn 3 3 对简单可压缩系统：对简单可压缩系统：n 4 4 对准平衡过程：对准平衡过程：Wt Wt W W Wf Wf n

15、pdvpdvd d（pvpv）n =vdpvdp28能量方程式的应用能量方程式的应用n 1 1 热力发动机热力发动机nQ Q=H H+1/2m1/2mc cf f2 2 +mgmgz z+W Wnetnet nW Wnet net=H H H H1 1 H H2 2 n输出净功等于焓的降落输出净功等于焓的降落n 28能量方程式的应用能量方程式的应用n 2 2 喷管喷管n n喷喷管管是是使使气气流流加加速速的的设设备备。它它通通常常是是一一个个变变截面的流道截面的流道nQ Q=H H+1/2m1/2mc cf f2 2 +mgmgz z+W Wnetnet n1/2m1/2mc cf f2 2=

16、H H H H1 1 H H2 2 n动能增加等于焓的降落动能增加等于焓的降落n 28能量方程式的应用能量方程式的应用n 3 3 气轮机叶轮气轮机叶轮n气气流流流流经经气气轮轮机机叶叶轮轮上上的的动动叶叶栅栅，推推动动转转轮轮回转对外作功回转对外作功nQ Q=H H+1/2m1/2mc cf f2 2 +mgmgz z+W Wnetnet nW Wnene 1/2m 1/2m（c cf1f12 2 c cf2f22 2 ）n 28能量方程式的应用能量方程式的应用n 4 4 热交换器热交换器n电电厂厂中中锅锅炉炉、加加热热器器等等换换热热设设备备均均属属于于热热交交换器换器nQ Q=H H+1/

17、2m1/2mc cf f2 2 +mgmgz z+W Wnetnet nQ=Q=H H H H2 2 H H1 1 n 得到的热量等于焓的增加得到的热量等于焓的增加28能量方程式的应用能量方程式的应用n 5 5 压气机压气机n压气机是消耗外功而使气体升压的设备压气机是消耗外功而使气体升压的设备nQ Q=H H+1/2m1/2mc cf f2 2 +mgmgz z+W Wnetnet nW Wnetnet=H=H2 2 H H1 1 Q Q 28能量方程式的应用能量方程式的应用n 6 6 节流过程节流过程n节节流流过过程程是是气气体体流流经经管管道道中中的的阀阀门门或或缩缩孔孔时时发生的一种特殊流动过程发生的一种特殊流动过程 n由由于于存存在在涡涡流流和和摩摩擦擦，这这是是一一个个典典型型的的非非平平衡过程衡过程 nQ Q=H H+1/2m1/2mc cf f2 2 +mgmgz z+W Wnetnet nH H1 1=H=H2 2 n在在绝绝热热节节流流过过程程中中，节节流流前前后后工工质质的的焓焓值值不不变变作作业业n21n22n27n211n214（COP性能系数定义见性能系数定义见P320）