第热力学第一定律.pptx

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1、会计学1第第 热力学第一热力学第一(dy)定律定律第一页，共39页。2-1 2-1 热力热力(rl)(rl)系统的储存系统的储存能能热力热力(rl)系统的储存能：系统的储存能：储存于热力储存于热力(rl)系统的系统的能量。能量。（1）内部储存能）内部储存能热力热力(rl)学能学能 （2）外部储存能）外部储存能宏观动能，宏观位能。宏观动能，宏观位能。1.热力学能：组成热力学能：组成(z chn)物质的微观粒子所具物质的微观粒子所具有的能量。有的能量。2-1-2 热力学能热力学能（internal energy）主要包括：主要包括：（1）内动能：内动能：物质内部的分子，原子等微观粒子不停地作热物质

2、内部的分子，原子等微观粒子不停地作热 运动的热运动动能。运动的热运动动能。是是温度温度的函数。的函数。第1页/共38页第二页，共39页。（2）内位能：）内位能：由于由于(yuy)分子间相互作用力的存在所具有的位分子间相互作用力的存在所具有的位能，能，与气体的比体积有关。与气体的比体积有关。（3）化学能，原子核能，电磁能。化学能，原子核能，电磁能。不考虑不考虑(kol)内动能内动能(dngnng)+内位能内位能+化学能化学能+原子核能原子核能+电磁能电磁能内动能内动能+内位能内位能热力学能热力学能第2页/共38页第三页，共39页。2.热力学能是温度热力学能是温度(wnd)和比体积的函数，是状态和

3、比体积的函数，是状态参数。参数。3.热力学能的大小热力学能的大小(dxio)是相对的。是相对的。单位：焦耳单位：焦耳 J，符号，符号 U 比热力学能比热力学能 单位质量物质的热力学能，单位质量物质的热力学能，u,J/kg第3页/共38页第四页，共39页。2-1-2 宏观宏观(hnggun)动能和宏观动能和宏观(hnggun)位能位能1.宏观宏观(hnggun)动能（动能（Kinetic energy）：）：2.由于宏观由于宏观(hnggun)运动速度而具有的动能。运动速度而具有的动能。KE 2.宏观宏观(hnggun)位能（位能（Potential energy）：）：由于其在重力场中的位置而

4、具有的位能。由于其在重力场中的位置而具有的位能。PE 2-1-3 总储存能总储存能（stored energy）总储存能：总储存能：E=U+KE+PE 单位单位J，KJ 比储存能比储存能 e=u+ke+pe J/kg，KJ/kg第4页/共38页第五页，共39页。等量空气从相同的初态出发等量空气从相同的初态出发(chf)，分别经过可逆，分别经过可逆绝热过程绝热过程A和不可逆绝热过程和不可逆绝热过程B到达相同的终到达相同的终态，分析空气的热力学能变化：态，分析空气的热力学能变化：UA,UB关系。关系。第5页/共38页第六页，共39页。22 22 热力学第一定律热力学第一定律(dngl)(dngl)

5、的实的实质质 （The first The first law of thermodynamicslaw of thermodynamics）2-2-1 几种几种(j zhn)表述表述表述表述2：不花费能量：不花费能量(nngling)就可以产生功的第一类永动机就可以产生功的第一类永动机 （perpetual motion machine of the first kind）是永远不可能制造出来的。是永远不可能制造出来的。表述表述1：在热能和其他形式能的互相转换过程中，：在热能和其他形式能的互相转换过程中，能的总量始终不变。能的总量始终不变。第6页/共38页第七页，共39页。2-2-2 方程表

6、达式方程表达式 对于任一热力系统对于任一热力系统(xtng)（开口，闭口），热力（开口，闭口），热力过程过程 离开系统离开系统的能量的能量系统储存系统储存能量的变化能量的变化-进入系统进入系统的能量的能量=热力学第一定律是人类在实践中积累的热力学第一定律是人类在实践中积累的经验的总结，不能用数学或其他理论证明。经验的总结，不能用数学或其他理论证明。第7页/共38页第八页，共39页。自然界中发生的一切过程都必须遵守能量守自然界中发生的一切过程都必须遵守能量守恒定律，反之恒定律，反之(fnzh)，遵守能量守恒与转换定律，遵守能量守恒与转换定律的一切的一切过程都可以自发进行。过程都可以自发进行。第8

7、页/共38页第九页，共39页。23 23 闭口系统的热力学第一闭口系统的热力学第一(dy)(dy)定律表定律表达式达式 2-3-1 闭口闭口(b ku)系统的能量方程（系统的能量方程（energy equation）热力系统热力系统(xtng)：汽缸活塞系统：汽缸活塞系统(xtng)中的工中的工质质21QW假设：假设：工质由平衡态工质由平衡态1变化到平衡态变化到平衡态2，从外界吸热从外界吸热 Q，对外作功对外作功 W，忽略工质动能，位能的变化忽略工质动能，位能的变化离开系统离开系统的能量的能量系统储存系统储存能量的变化能量的变化-进入系进入系统统的能量的能量=依据依据第9页/共38页第十页，共

8、39页。闭口闭口(b ku)系统能量方程式（热一解析式）系统能量方程式（热一解析式）推导推导(tudo)：Q W=U Q=W+U=W+U2 -U1 2-3-2 几点说明几点说明(shumng)：意义：意义：加给工质的热量加给工质的热量 a:一部分用于增加工质的热力学能，一部分用于增加工质的热力学能，b:另一部分以作功的方式传递到外界。另一部分以作功的方式传递到外界。对于对于1kg工质工质：q=w+u适用条件：适用条件：a:可逆过程，不可逆过程可逆过程，不可逆过程 b:理想气体，实际气体理想气体，实际气体 c:工质初，终态为平衡状态工质初，终态为平衡状态第10页/共38页第十一页，共39页。2-

9、3-3 几种几种(j zhn)形式表达式形式表达式任意任意(rny)过程过程 Q=U+W q=u+w任意任意(rny)微元过程微元过程 Q=d U+W q=d u+w 可逆过程可逆过程 Q=U+12 p d V q=u+12 p d v可逆微元过程可逆微元过程 Q=d U+p d V q=d u+p d v 循环循环 Qnet =wnet q w d u 第11页/共38页第十二页，共39页。1.系统中工质经历一个可逆定温过程，由于没有系统中工质经历一个可逆定温过程，由于没有(mi yu)温度变化，故该系统中工质不能与外界交换热量。温度变化，故该系统中工质不能与外界交换热量。2.封闭热力系内发

10、生可逆定容过程时，系统一定不对封闭热力系内发生可逆定容过程时，系统一定不对外作容积变化功。外作容积变化功。3.封闭热力系中，不作膨胀功的过程一定是定容过程。封闭热力系中，不作膨胀功的过程一定是定容过程。4.气体膨胀时一定对外作功。气体膨胀时一定对外作功。5.工质吸热后一定会膨胀。工质吸热后一定会膨胀。第12页/共38页第十三页，共39页。例题例题例：一个装有2kg工质的闭口系统经历了如下 过程(guchng)：过程(guchng)中系统散热25kJ，外界对系统作 功100kJ，比热力学能减少15kJ/kg，而且 整个系统被举高1000m。试确定过程(guchng)中系统 动能的变化。第13页/

11、共38页第十四页，共39页。例2：一活塞汽缸中的气体经历了两个过程(guchng)，从状态1 到状态2，气体吸热500kJ，活塞对外 做功800kJ。从状态2到状态3是一个定压的压缩 过程(guchng)，压力为400kPa，气体向外散热450kJ。并且已知U1=2000kJ，U3=3500kJ，试计算2-3过程(guchng)中气体体积的变化。第14页/共38页第十五页，共39页。2-4 2-4 开口系统稳定流动开口系统稳定流动(lidng)(lidng)的能的能量方程式量方程式（1）工质的热力状态参数及速度在不同截面不同；）工质的热力状态参数及速度在不同截面不同；（2）开口）开口(ki k

12、u)系统除了通过作功和传热方式传递能量系统除了通过作功和传热方式传递能量 外，还可以借助工质的流动转移能量；外，还可以借助工质的流动转移能量；（3）除了能量平衡外，还必须考虑质量平衡；）除了能量平衡外，还必须考虑质量平衡；（4）系统与外界交换的功，除了体积变化功，）系统与外界交换的功，除了体积变化功，还有流动功。还有流动功。注意注意(zh y)第15页/共38页第十六页，共39页。2-4-1 稳定稳定(wndng)流动（流动（steady flow）1.稳定流动：稳定流动：开口系统开口系统(xtng)内部及边界上各点工质的热力内部及边界上各点工质的热力参数和运参数和运 动参数不随时间变化的流动

13、过程。动参数不随时间变化的流动过程。2.条件：条件：（1）单位时间流入系统的工质质量等于）单位时间流入系统的工质质量等于(dngy)流出系统的流出系统的工工 质质量，保证系统内工质质量流量维持恒定；质质量，保证系统内工质质量流量维持恒定；（2）单位）单位时间内加入系统的净热及系统对外做的净时间内加入系统的净热及系统对外做的净 功不随时间改变，保证系统功不随时间改变，保证系统储存能量维持不变储存能量维持不变；（3）任何截面上工质的任何截面上工质的一切参数一切参数都不随时间而变化。都不随时间而变化。第16页/共38页第十七页，共39页。2-4-2 流动流动(lidng)功（功（flow work）

14、1.推动推动(tu dng)功：开口系统中因工质流动而功：开口系统中因工质流动而传递的功。传递的功。2.表示表示(biosh)：2112第17页/共38页第十八页，共39页。（1）是工质在开口系统中流动）是工质在开口系统中流动(lidng)而传递的能量；而传递的能量；只只 有在工质流动有在工质流动(lidng)过程中才出现。过程中才出现。3.流动功：系统流动功：系统(xtng)为维持工质流动所需的功。为维持工质流动所需的功。（2）工质在传递流动）工质在传递流动(lidng)功时，没有热力状态的功时，没有热力状态的变化，变化，也没有能量形态的变化。也没有能量形态的变化。（3）流动功并不是工质本身

15、的能量。是由泵（风机）流动功并不是工质本身的能量。是由泵（风机）提供用来维持工质流动，并伴随工质流入（出）提供用来维持工质流动，并伴随工质流入（出）而带入（出）系统的能量。而带入（出）系统的能量。说明说明第18页/共38页第十九页，共39页。2-4-3 焓焓（enthalpy）定义定义(dngy)：焓：焓 H=U+p V J kJ 比焓比焓 h=u+p v J/kg kJ/kg（1）物理）物理(wl)意义：焓表示随工质流动而转移的总意义：焓表示随工质流动而转移的总能量。能量。（2）焓是一个）焓是一个(y)状态参数。状态参数。（3）焓的基准点可以人为确定。焓的基准点可以人为确定。说明说明思考思考

16、什么条件下，热力学能和焓可以同时为什么条件下，热力学能和焓可以同时为“零零”第19页/共38页第二十页，共39页。2-4-4 开口系统稳定开口系统稳定(wndng)流动能量方程式流动能量方程式 （The first law applied to open system-steady flow）假设：在时间假设：在时间 t 内内 流入：质量流入：质量 m1,cf 1 流出：质量流出：质量 m2,cf 2 系统与外界：吸热系统与外界：吸热Q，对外做轴功对外做轴功WS 完成完成(wn chng)过程：工质质量过程：工质质量 m，总储存能总储存能 ECV 1.推导(tudo)选开口系统选开口系统211

17、2WsQ第20页/共38页第二十一页，共39页。离开系统离开系统的能量的能量系统储存系统储存能量的变化能量的变化-进入系进入系统统的能量的能量=依据依据 t 时间内进入系统时间内进入系统(xtng)的能量；的能量；t 时间内流出系统时间内流出系统(xtng)的能量；的能量；系统系统(xtng)储存能的增量：储存能的增量：稳定流动稳定流动第21页/共38页第二十二页，共39页。整理整理(zhngl)：开口开口(ki ku)系统稳定流动的能量方系统稳定流动的能量方程式程式适用条件（适用条件（1）稳定）稳定(wndng)流动流动 （2）可逆过程，不可逆过程）可逆过程，不可逆过程第22页/共38页第二

18、十三页，共39页。2.稳定稳定(wndng)流动能量方程式的分析流动能量方程式的分析工质吸工质吸收收(xshu)热量热量工质热力工质热力学能的变学能的变化化(binhu)工质机械工质机械能的变化能的变化为维持为维持工质流工质流动所需动所需流动功流动功工质对工质对机器所机器所作轴功作轴功热力学能，热能热力学能，热能第23页/共38页第二十四页，共39页。闭口系统能量方程式：闭口系统能量方程式：开口系统稳定流动能量方程式：开口系统稳定流动能量方程式：无论开口系统，闭口系统，其热变为功的实质是无论开口系统，闭口系统，其热变为功的实质是一样的，都是通过工质体积的膨胀将热能一样的，都是通过工质体积的膨胀

19、将热能(rnng)转变为转变为机械能，只不过对外表现形式不同。机械能，只不过对外表现形式不同。比较比较(bjio)第24页/共38页第二十五页，共39页。2-4-5 技术技术(jsh)功功 1.定义：在热力学中，将工程上可以直接利用定义：在热力学中，将工程上可以直接利用(lyng)的的 动能增量，位能增量，轴功总和称为动能增量，位能增量，轴功总和称为-。2.W，WS，Wt，(pv)的关系的关系(gun x)第25页/共38页第二十六页，共39页。3.可逆过程中技术可逆过程中技术(jsh)功表功表示：示：坐标坐标(zubio)图中的表示：图中的表示：pv12vdp若若dp0，系统，系统(xtng

20、)对外作功对外作功若若dp0，wt0，外界对系统，外界对系统(xtng)作作功功若若dp=0，wt=0说明说明第26页/共38页第二十七页，共39页。2-4-6 开口系统稳定流动能量方程式的其它开口系统稳定流动能量方程式的其它(qt)形式形式 任意任意(rny)过程过程 Q=H+W t q=h+wt 任意任意(rny)微元过程微元过程 Q=dH+Wt q=dh+w t 可逆过程可逆过程 Q=H -12 V dp q=h -12 v d p 可逆微元过程可逆微元过程 Q=d H -V d p q=d h -v d p第27页/共38页第二十八页，共39页。1.根据热力学第一定律，任何根据热力学第

21、一定律，任何(rnh)循环的净热量等于该循环的净热量等于该2.循环的净功量。循环的净功量。3.热力过程中，工质向外界放热，其温度必然降低。热力过程中，工质向外界放热，其温度必然降低。4.工质从同一初态出发，分别经历可逆过程和工质从同一初态出发，分别经历可逆过程和5.不可逆过程达到相同的终态，则两过程中工质不可逆过程达到相同的终态，则两过程中工质6.与外界交换的热量相同。与外界交换的热量相同。7.4.工质所作的膨胀功与技术功，在某种条件下，两者的数工质所作的膨胀功与技术功，在某种条件下，两者的数值会相等。值会相等。第28页/共38页第二十九页，共39页。5.功不是状态参数，热力学能与推动功之和也

22、不是功不是状态参数，热力学能与推动功之和也不是状态参数。状态参数。6.焓是状态参数，对于闭口系统，其没有物理意义。焓是状态参数，对于闭口系统，其没有物理意义。7.流动功的改变量仅取决于系统进出口状态，而与流动功的改变量仅取决于系统进出口状态，而与工质经历工质经历(jngl)的过程无关。的过程无关。第29页/共38页第三十页，共39页。25 25 稳定稳定(wndng)(wndng)流动能量方程流动能量方程式的应用式的应用第30页/共38页第三十一页，共39页。2-5-1 热交换器热交换器（heat exchange）能量能量(nngling)方程式：方程式：说明说明(shumng)：q等于换热

23、器进出口工质比焓的等于换热器进出口工质比焓的变化。变化。各种各种(zhn)加热器，冷却器，散热器，蒸发器，冷凝器加热器，冷却器，散热器，蒸发器，冷凝器等。等。主要表现主要表现（1）与外界只有热量交换，无功量交换，与外界只有热量交换，无功量交换，ws=0;（2）动能，位能的变化较小，可忽略动能，位能的变化较小，可忽略 cf2=0,z=0气体或液体气体或液体第31页/共38页第三十二页，共39页。2-5-2 动力机械动力机械 主要表现主要表现（1）略散热，近似绝热过程）略散热，近似绝热过程(ju r u chn),q=0;（2）动能，位能的变化较小，可忽略）动能，位能的变化较小，可忽略 cf2=0

24、,z=0 能量能量(nngling)方程式：方程式：说明说明(shumng)（1）对外输出的轴功等于工质的焓降；）对外输出的轴功等于工质的焓降；（2）此时轴功就是技术功。）此时轴功就是技术功。各种热力发动机，如燃气轮机，蒸汽轮机；各种热力发动机，如燃气轮机，蒸汽轮机；第32页/共38页第三十三页，共39页。2-5-3 压气机压气机 主要表现：主要表现：（1）略散热，）略散热，q为负，近似为负，近似(jn s)绝热过程绝热过程;（2）动能，位能的变化较小，可忽略）动能，位能的变化较小，可忽略 cf2=0,z=0 能量能量(nngling)方程式：方程式：说明：说明：工质流经泵或风机工质流经泵或风

25、机(fn j)时，消耗的轴功等时，消耗的轴功等 于工质焓的增加。于工质焓的增加。水泵，风机等压缩机械。水泵，风机等压缩机械。第33页/共38页第三十四页，共39页。2-5-4 绝热节流绝热节流(ji li)主要表现：主要表现：（1）流动）流动(lidng)是绝热的；是绝热的；（2）不对外作功；）不对外作功；（3）前后两个截面的动能，位能的变化较小，）前后两个截面的动能，位能的变化较小，可忽略可忽略 cf2=0,z=0。能量能量(nngling)方程式：方程式：说明说明（1）节流前后焓值相等；节流前后焓值相等；（2）节流过程是典型的不可逆过程。节流过程是典型的不可逆过程。阀门，孔板流量计等。阀门

26、，孔板流量计等。1122第34页/共38页第三十五页，共39页。2-5-5 喷管喷管(pn un)主要表现：主要表现：（1）流经喷管时，速度大，时间）流经喷管时，速度大，时间(shjin)短，散热很短，散热很小小 流动近似是绝热的；流动近似是绝热的；（2）属于管内流动，无轴功输入或输出；）属于管内流动，无轴功输入或输出；（3）位能的变化较小，可忽略）位能的变化较小，可忽略 z=0。能量能量(nngling)方程式：方程式：说明说明：工质流经喷管时，动能的增加等于：工质流经喷管时，动能的增加等于 焓值的减少。焓值的减少。收缩型喷管，缩放型喷管（拉瓦尔喷管）收缩型喷管，缩放型喷管（拉瓦尔喷管）第3

27、5页/共38页第三十六页，共39页。例例3：已知新蒸汽进入汽轮机时的焓：已知新蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3232kJ/kg，流速流速cf1=50m/s，离开汽轮机的排汽焓，离开汽轮机的排汽焓 h2=2302kJ/kg，流速，流速cf2=120m/s，散热损失和，散热损失和 进出口位置高度差可忽略不计。进出口位置高度差可忽略不计。试求每千克蒸汽流经汽轮机时对外界所作的功。试求每千克蒸汽流经汽轮机时对外界所作的功。若蒸汽流量为若蒸汽流量为10t/h，求该汽轮机发出的功率，求该汽轮机发出的功率(gngl)是是 多少？多少？例题例题第36页/共38页第三十七页，共39页。例4：某输气管内气体的参数为p1=4MPa,t1=30,h1=303kJ/kg。设该气体为理想气体，它 的热力学能与温度之间的关系为u=0.72|T|kJ/kg，气体常数Rg=287J/(kg.K)。现将1m3的真空容器与 输气管连接，打开阀门对容器充气，直至容器内压 力达4MPa为止。充气时输气管中气体参数保持不 变，问充入容器的气体量为多少(dusho)千克？（设气体满 足状态方程pV=mRgT）p1=4MPa,t 1=30,第37页/共38页第三十八页，共39页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第38页/共38页第三十九页，共39页。