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1、第二章 热力学第一定律,内容主要： 1. 掌握热力学能，储存能的含义； 2. 掌握热力学第一定律的实质； 3. 熟悉热力学第一定律的基本能量方程式 （闭口系统，开口系统） 4. 掌握推动功，技术功和焓的含义。,21 热力系统的储存能,储存能： 储存在热力系统的能量。 （1）内部储存能热力学能 （2）外部储存能宏观动能，宏观位能。,1. 热力学能：组成物质的微观粒子所具有的能量。,热力学能 （internal energy),主要包括 （1）内动能：物质内部分子，原子等微观粒子不停地作热运动的热运动动能，是温度的函数。,（2）内位能：由于分子间相互作用力的存在所具有的位能，与气体的比体积有关。,
2、化学能，原子核能，电磁能。,单位：焦耳 J，符号 U 比热力学能：单位质量物质的热力学能，u, J / kg,2. 热力学能是温度和比体积的函数，是状态参数。,3. 热力学能的大小是相对的。,二. 宏观动能和宏观位能,1. 宏观动能：由于宏观运动速度而具有的动能。EK,2. 宏观位能：由于其在重力场中的位置而具有的位 能。 EP,三. 总储存能 （stored energy),总储存能：系统的热力学能，宏观动能，宏观位 能之和，用E表示，单位J，KJ。 比储存能 e = u + e k+ ep,22 热力学第一定律的实质 (The first law of thermodynamics),几种
3、表述 表述1：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。,表述2：不花费能量就能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。,方程表达式 对于任意热力系统（开口，闭口） 进入系统的能量 离开系统的能量 = 系统储 存能量的变化,23 闭口系统的热力学第一定律表达式,一. 闭口系统的能量方程（ energy equation),选热力系统：汽缸活塞系统中的工质 假设：工质由平衡态1变化到平衡态2，从外界吸热 Q，对外作功W，忽略工质状态变化过程中 的动能，位能变化 依据：进入系统能量 离开系
4、统能量 = 系统储存能 变化量,推导： Q W = U Q = W + U = W + U2 - U1,闭口系统能量方程式（热一解析式）,几点说明： （1）意义：加给工质的热量 a: 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。,（2） 对1kg工质 ：q = w + u,（3）适用条件：a: 可逆过程，不可逆过程 b: 理想气体。实际气体 c: 工质初，终态为平衡态,三. 几种形式表达式,任意过程 Q = U + W q = u + w,任意微元过程 Q = d U + W q = d u + w,可逆过程 Q = U + 12 p d V q = u + 12 p
5、 d v,4. 可逆微元过程 Q = d U + p d V q = d u + p d v,5. 循环,Q net = w net,同学们： 上课铃声即将敲响， 你们准备好了吗？！,同学们： 现在开始上课。 请翻开你们的书、笔记本， 拿起笔。 并请保持课堂安静。谢谢！,24 开口系统的稳定流动稳定流动能量方程式,注意： （1）工质的热力状态参数及速度在不同截面不同 （2）开口系统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； （4）系统与外界交换的功，除了体积变化功，还 有流动功,一. 稳定流动 （steady flow),1. 稳定流动：热力系统内部及边界上各点工
6、质的 热力参数和运动参数不随时间而改变,条件： （1）单位时间流入系统的工质质量等于流出系统的工质质量，保证系统内工质质量流量维持恒定；,（2）单位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，保证系统储存能量维持不变；,（3）工质流过系统内各点的状态参数及速度不随时间改变。,二. 流动功 （flow work),1. 推动功：推动工质流动外界所做的功。,表示：外界所作的推动功 入口处： p1A1 d x = p1 d V1 = p1 v1 d m1 出口处： p2A2 d x = p2 d V2 = p2 v2 d m2,几点说明： （1）是工质在开口系统中流动而传递的能量；,流动功：
7、系统为维持工质流动所需的功。 （p v ) = p2 v2 p1 v1,（2）只有在工质流动过程中才出现；,（3）工质在传递流动功时，没有热力状态的变化， 也没有能量形态的变化,（4）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，伴随工质流入，流出 系统的能量。,三. 焓 （enthalpy),定义：焓 H = U + p V J kJ 比焓 h = u + p v J /kg kJ/ kg,2. 几点说明：,（1）物理意义：焓表示随工质流动而转移的总能量。,（2）焓是一个状态参数。,（3）焓的基准点可以人为确定。,思考： 什么条件下，热力学能和焓可以同时为 “零”,四.
8、开口系统稳定流动能量方程式,推导： 选开口系统； 假设：在时间t 内 流入：质量 m1 , cf1 流出：质量 m2, cf2 系统与外界：吸热Q， 对外做轴功Ws 完成过程：工质质量 m, 总储存能 ECV,考察能量平衡： 进入系统的能量 离开系统的能量 = 系统储存能的变化量,分析： t 时间内流入系统的能量；,t 时间内流出系统的能量；,系统储存能的增量：,整理：,开口系统稳定流动的能量方程式,适用条件（1）稳定流动 （2）可逆过程，不可逆过程,2. 稳定流动能量方程式的分析,工质机械能的变化,为维持工质流动所需流动功,工质对机器所作轴功,工质吸收热量,工质热力学能的变化,比较：闭口系统
9、能量方程式：,说明： （1）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转变为机械能，只不过对外表现形式不同。,（2）不可利用：流动功 可以直接利用：工质动能，位能，工质对机器 所作轴功,五. 技术功,定义：在热力学中，将工程上可以直接利用的 动能增量，位能增量，轴功总和称为-。,2. W， WS， WT， (pv) ,的关系,3. 可逆过程中技术功表示：,坐标图中的表示：,六. 开口系统稳定流动能量方程式的几种形式,1. 任意过程 Q = H + W t q = h + wt,2. 任意微元过程 Q = d H + Wt q = d h + w t,3. 可
10、逆过程 Q = H - 12 V d p q = h - 12 v d p,4. 可逆微元过程 Q = d H - V d p q = d h - v d p,分析判断： 热力过程中，工质向外界放热，其温度必然降低。 根据热力学第一定律，任何循环的净热量等于该循环的净功量。 工质从同一初态出发，分别经历可逆过程和不可逆过程达到相同的终态，则两过程中工质与外界交换的热量相同。 功不是状态参数，则热力学能与推动功之和也不是状态参数。 焓是状态参数，对于闭口系统，其没有物理意义。 流动功的改变量，仅取决于系统进出口处的状态，而与工质经历的过程无关。,7. 工质所作的膨胀功与技术功，在某种条件下，两者
11、的数值会相等。 封闭热力系内发生可逆定容过程，系统一定不对外做容积变化功。 气体膨胀时一定对外作功。 工质吸热后一定会膨胀。 自然界中发生的一切过程，都必须遵循能量守恒定律，反之则不然。,25 稳定流动能量方程式的应用,热交换器 （heat exchange) 各种加热器，冷却器，散热器，蒸发器，冷凝器等。,主要表现 （1）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cf2 =0, z =0,能量方程式：,说明：q等于换热器进出口工质比焓的变化。,动力机械 各种热力发动机，如燃气轮机，蒸汽轮机；,主要表现 （1）略散热，近似绝热过程, q=0 ; （2）动能，
12、位能的变化较小，可忽略cf2 =0, z =0,能量方程式：,说明（1）对外输出的轴功等于工质的焓降； （2）此时轴功就是技术功。,压气机 泵，风机。,主要表现： （1）略散热，q为负，近似绝热过程; （2）动能，位能的变化较小，可忽略cf2 =0, z =0,能量方程式：,说明： 工质流经泵或风机时，消耗的轴功等 于工质焓的增加。,绝热节流 阀门，孔板流量计等。,主要表现： （1）流动是绝热的； （2）不对外作功； （3）前后两个截面的动能，位能的变化较小，可忽 略cf2 =0, z =0。,能量方程式：,说明（1）节流前后焓值相等； （2）节流过程是典型的不可逆过程。,喷管 收缩型喷管，缩
13、放型喷管（拉瓦尔喷管）,主要表现： （1）流经喷管时，速度大，时间短，散热很小 流动近似是绝热的； （2）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 z =0。,能量方程式：,说明 ：工质流经喷管时，动能的增加等于 焓值的减少。,同学们： 上课铃声即将敲响， 你们准备好了吗？！,同学们： 现在开始上课。 请翻开你们的书、笔记本， 拿起笔。 并请保持课堂安静。谢谢！,例1：对定量的某种气体加热100kJ，使之由状态1沿路径1a 2变化到状态2，同时对外作功60kJ。若外界对气体作功40kJ，使之从状态2沿路径2b1返回状态1，如图，问返回过程中工质与外界交换的热量是多少？是吸热还是放热？,p,v,1,a,2,b,例2：已知新蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3230kJ/kg， 流速cf1=50m/s，离开汽轮机的排汽焓 h2=2300kJ/kg，流速cf2=120m/s，散热损失和进 出口位置高度差可忽略不计，蒸汽流量为 600t/h，求该汽轮机发出的功率是多少？,
