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1、第二章 热力学第一定律,一切物质都处于运动状态，能量是物质运动的 一般量度。物质运动有多种形式，表现各异，但可 互相转换，表明这些运动有共性，也有内在的统一 的量度，即能量。能量以机械能、内能、电能、化 学能、核能等各种形式出现在不同的运动中，并通 过作功、传热等方式进行转换。,第二章 能量和热力学第一定律,热力学第一定律 各种不同形式的能量都可以转移,也可以相互 转换,但在转移和转换的过程中,他们的总量 保持不变。,2-1 热力学第一定律的实质及能量,1.热力学第一定律的实质,第二章 能量和热力学第一定律,对于任何热力系统，各项能量之间的平衡关系可表示为,进入系统的能量总和 离开系统的能量总
2、和,系统总能量（储存能）的变化量,2-1 热力学第一定律的实质及能量,1.热力学第一定律的实质,热力系统能量分析模型,热力系统 总能量 （储存能） 的变化,2-1 热力学第一定律的实质及能量,系统的总能量（储存能）,2.系统的总能量(储存能),热力学能,宏观动能,宏观位能,即,系统的储存能,热力学能,宏观动能,宏观位能,总能量（存储能）,系统的储存能各项表达式,1kg工质,2.系统的总能量,显然储存能（总能量）是状态量,3.容积功和热量,)容积功,续7,3.容积功和热量,系统对外界作功的演示图,2,1,系统对外界作功的演示图,1,2,L,续7,气体对外界做了多少功?,3.容积功和热量,气体对外
3、界所做的功相当于将重物提升了一定的高度。,功的定义模拟,p out,p,3.容积功和热量,功的定义,p,d L,若为可逆过程有,p out,3.容积功和热量,图上曲线下面的面积代表体积功,1,2,p,v,可逆过程中体积功在 图上的表示,*强调：,2.,称为压缩功, “-”。,1.,称为膨胀功 ,“+”。,有,有,有,可逆过程中容积功在 图上的表示,3.容积功和热量,b,表明体积功是过程量,功的损失,p,d L,不可逆过程系统对外界作功 外界获得的功,3.容积功和热量,称为功损。,由功产生的热称为热产qL。,同理,外界对系统作功时有,p out,)热 量 系统与外界之间依靠温差传递的能量称为热量
4、,单位 或 kJ,热量的符号,比热量,单位 /kg 或 kJ/kg,用热容量 Cx计算热量,用比热容cx计算比热量,可逆过程中的热量,或,称 s为熵,单位 J/(kg.K);,总熵 S=ms J/K),3.容积功和热量,表示工质放热,“”;,1,2,T,s,可逆过程中热量在 图上的表示,*强调：,图上曲线下面的面积代表热量,1.,表示工质吸热,“+”;,2.,有,有,有,可逆过程中热量在图上的表示,s,3.容积功和热量,b,表明热量是过程量,2-2 热力学第一定律表达式(能量方程),1.闭口系统的能量方程,2,dE,2-2 热力学第一定律表达式(能量方程),1.闭口系统的能量方程,热量,功,闭
5、口系能量方程,对于没有宏观整体运动和位能变化的闭口系统的,2-2 热力学第一定律表达式(能量方程),能量方程为,1.闭口系统的能量方程,EE2E1 总能量的变化,微元过程,循环过程,1kg质量工质,续29,例题,过 程,热量 Q/ kJ,功 W/ kJ,内能变化量 U /kJ,12,23,34,41,210,180,-210,200,-190,-300,-230,40,30,-410,110,270,闭口系能量方程为,将(2)、(3) 代入(1)式，有,对应于12和21两过程有,例题系统经一热力过程，放热9kJ，对外做功27kJ。为使其返 回原态，若对系统加热6kJ，问需对系统作功多少？,解
6、方法,因内能是状态参数,其变化量,(1),(2),(3),或,例题,负号表明外界对系统作功。,1-a-b-组成一循环，对于此循环有,方法,1,2,p,v,续32,a,b,即,负号表明外界对系统作功。,有限过程,例 某物质的热力学能U125+0.125t kJ, 温度由t1=100, 变到 t=200，温度每变化1所作得功,解 方法,闭口系能量方程,其中内能,则传热量,12.5+46=58.5 kJ,方法,微元过程能量方程可写成,kJ,。求传热量,容积功,2.开口系能量方程,1) 开口系平衡状态的概念,开口系平衡状态的概念图,开口系平衡状态的概念图,2.开口系能量方程,1) 开口系平衡状态的概念
7、,m1,L1,A1,热力系 （控制体）,推动功,注：此时外界对系统作推动功，推动功为负。,2)推动功,(进气功),p2 ,v2,2,2,L2,A2,热力系 （控制体）,推动功,m2,推动功,注：此时系统对外界作推动功，推动功为正。,推动功模拟图（系统对外界作功,(排气功),热力系,d E,1,1,2,2,3) 开口热力系统能量分析模型,2.,表示与外界交换的净功量。,说明：,时间内系统的吸热量、对外做功量为,1.,和,开口热力系统能量分析模型图,dE,建立开口系统能量平衡方程,dE 系统内部工质,总能量的变化量,或,开口系统能量方程,有,焓的定义: 总焓,比焓,稳定流动条件,时间内，进入或离开
8、控制体的质量,时间内，传入控制体的热量,时间内，控制体向外界输出的功,时间内，系统内总能量的变化量,稳定流动条件,3. 稳定流动能量方程,3. 稳定流动能量方程,或整理成,1kg质量工质,稳定流动能量方程,shaft,只有热力设备与外界交换的机械功，工程上这个机械功常通过转动的轴输入、输出，所以习惯上称之为轴功，用,上两式中后三项是工程技术上可利用的能量，将它们合并在一起，称为技术功，用符号,(或,)表示，有,开口系统的净功,（或,）表示。此时稳定流动能量方程为,技术功,技术功,稳定流动能量方程,上面的能量方程可写成,多股物流进出系统时的稳定流动能量方程为,几种功之间的关系,由,可得,1kg工
9、质,几种功之间的关系,1,2,p,v,0,可逆过程技术功在p-v图上的表示,图上曲线左侧的面积代表技术功；,技术功为零。,技术功为负；,技术功为正；,强调：,可逆过程技术功在p-v图上的表示,可逆过程技术功在p-v图上的表示,容积功,技术功,循环过程中的容积功和技术功,2-3 能量方程的应用,1.一股物流进、出系统的稳定流动,股物流进、出系统的稳定流动,P24 例题2-1,稳定流动能量方程式的应用,简化能量方程,对1kg工质有,稳定流动能量方程式的应用,简化能量方程,对1kg工质有,(热力发动机汽轮机、燃气轮机),稳定流动能量方程式的应用,简化能量方程,对1kg工质有,(泵与风机),家用热水器
10、燃气锅炉,燃油燃气供热锅炉,燃油燃气锅炉,燃油燃气锅炉内部结构图,来自汽轮机的水蒸汽,去水泵的凝结水,冷却水,冷却水,开口热力系（冷凝器示意图）,1状态,2状态,冷凝器示意图,（套管式换热器示意图）,冷流体入口1,冷流体出口2,热流体入口,热流体出口,开口热力系,套管式换热器示意图,（列管式换热器示意图）,热流体,冷流体入口1,冷流体出口1,热流体,开口热力系,列管式换热器示意图,开口热力系,（锅炉示意图）,来自水泵,过热器,炉墙,蒸发管,去汽轮机,问题： 水从1状态变化到2状态的过程 中吸收了多少热量？,2状态,1状态,锅炉示意图,稳定流动能量方程式的应用,简化能量方程,对1kg工质有,换热
11、器的能量分析模型,稳定流动能量方程式的应用,Q,（换热器的能量分析模型 ),E,简化能量方程,对1kg工质有,换热器的能量分析模型,电厂汽机车间,电厂汽轮机发动机外貌,汽轮机转子,汽轮机安装图,开口热力系 (汽轮机示意图),（去凝汽器）,调速器,（来自锅炉）,静叶 动叶 机壳,蒸汽,乏汽,2状态,1状态,汽轮机示意图,稳定流动能量方程式的应用,简化能量方程,对1kg工质有,换热器的能量分析模型,(热力发动机汽轮机、燃气轮机),稳定流动能量方程式的应用,s,（热力发动机汽轮机、燃气轮机的能量分析模型）,E ,简化能量方程,对1kg工质有,热力发动机汽轮机、燃气轮机的能量分析模型及简化能量方程,压
12、气机图,扩压管,离心式压气机结构示意图,进气室,进气口,叶 轮,蜗壳,出气口,出口扩压器,主轴,出口扩压器,2状态,1状态,离心式压气机结构示意图,水泵图,空调泵图,开口热力系（水泵示意图）,电动机,锅炉给水,来自冷凝器的水,水 泵,1状态,2状态,水泵示意图,稳定流动能量方程式的应用,简化能量方程,对1kg工质有,换热器的能量分析模型,(泵与风机),稳定流动能量方程式的应用,s,（泵与风机的简化能量分析模型）,E,简化能量方程,对1kg工质有,泵与风机的简化能量分析模型及简化能量方程,开口热力系（喷管）,流体出口,流体入口,2状态,1状态,喷管示意图,稳定流动能量方程式的应用,简化能量方程,
13、换热器的能量分析模型,(喷管),稳定流动能量方程式的应用,Ek2,2,1,（喷管的能量分析模型）,Ek1,E,简化能量方程,对1kg工质有,喷管的能量分析模型及简化能量方程,二、多股物流进、出系统的稳定流动,进入系统的总能量离开系统的总能量,=系统储存能量的变化量,多股物流进、出系统的稳定流动能量方程,三通混合元件示意图,流体2,流体1+流体2,流体1,1状态,状态2,状态,三通混合元件示意图,方法1 直接套用公式,利用能量方程,得简化能量方程,由质量守恒原理可知,(1),(2),将(2)代入(1)式有,建立三通混合元件的能量方程,3,1,H2,E,简化能量方程,方法2 根据能量守恒原理直接建立能量方程,建立三通混合元件的能量方程,气相流体出口2,液相流体出口3,汽液分离器示意图,状态2,1状态,状态,汽液分离器示意图,气相流体出口2,液相流体出口3,汽-液混合物入口1,汽液分离器示意图,同上,方法1 直接套用公式,利用能量方程,得简化能量方程,由质量守恒原理可知,(1),(2),将(2)代入(1)式有,
