《热力学第一定律 课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热力学第一定律 课件（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第二章 热力学基本定律first law of thermodynamics,本章的基本要求 1.深入理解热力学第一定律的实质，熟练掌握热力学第一定律及其表达式。能够正确、灵活地应用热力学第一定律表达式来分析计算工程实际中的有关问题。 2.掌握能量、储存能、热力学能、迁移能的概念 3.掌握体积变化功、推动功、轴功和技术功的概念及计算式。 4.焓的定义,19世纪30-40年代，迈尔焦耳（德国医生）发现并确定了能量转换与守恒定律。恩格斯将这列为19世纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。,19世纪焦耳完成热功当量的试验，才认识到热是一种能量，为热力学的第一定律奠定了基础。 分子运动学说的发
2、展，肯定了热是物质分子及原子等微粒杂乱无章运动的能量，是运动的一种形式。粒子的运动也成为热运动。这样热能与机械能的转化就是物质有一种运动形式转化为另一种运动形式。这又为热力学第一定律奠定了理论基础。,热力学第一定律的基础,4,2.1 热力学第一定律的实质,能量转换与守恒定律定律指出： 一切物质都具有能量。 能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。 而在转换中，能量的总量恒定不变。 1.第一定律的实质：能量守恒与转换定律在热现象中的应用。,热力学第一定律是能量守恒及转换定律用于热能和其它能量形态转换关系时的表述。它说明：,（1）能作为一种能量形态，可以和其它
3、能量形态相互转换，转换中能量的总量守恒。 在各种能量转换中，热能和机械能的转换在人类生产的历史上始终受到极大的关注。由热力学第一定律可知，欲得到一定的机械功，必须要消耗一定热量。 （2）在孤立系统中，能量的形式可以转换，能量的总值不变。 （3）将热力学第一定律应用于热机，可以表述为：第一类永动机是不可能制成的。,2.热力循环中热力学第一定律的表达式：,工程中热力机械都是循环工作的，根据热力学第一定律，热力循环中热力学系统对外所作出的净功应该等于它所接受的净热量， 即 Q = W 或者按1kg工质计算，有q=w 对任意热力系统有： 进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存的能量,2.2 能量的传
4、递形势,进入或离开系统的能量主要有三种形式，即做功，传热，即物质进入或离开系统而带入或带出的其本身的能量。 前两种形式取决于系统与外界的相互作用，与过程有关，第三种形式取决于物质进出系统的状态。,1.功 work ： 在物理学中，把物体通过力的作用而传递的能量称为功，功等于力F和物体在力的作用方向上的位移x的乘积，即,在热力学中，由于系统与外界间的相互作用形势是多种多样的，有时很难找出一个力与位移的乘机，因而就需要找出一个具有普遍意义功的概念： 在热力过程中，系统与外界相互的作用而传递的能量，若其全部效果可表现为使外界物体改变宏观的运动状态，则这种能量被称为功。,气体膨胀是对外界做的功我们称为
5、膨胀功， 气体压缩外界对气体所作的工称为压缩功， 两者统称为体积功或容积功。,功是过程量,功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示,1.功是传递过程中的一种能量形式。它是伴随着相互作用而产生的，不是系统所含有的能量，所以我们不能说一个系统具有多少功。,注意：,2.功的大小不仅与过程的初、终状态有关，还与工质所经历的过程有关，所以说功不是状态参数，只是一个过程量。,2.热量-heat ： 系统与外界之间仅仅由于温度的不同而传递的能量称为热量。,热力学中规定，系统吸热为正，系统放热为负。,从微观上看，气体温度代表了气体分子的平均动能。当两温度不同的物体接触时，分子相互碰撞，动能大的就向动能小的
6、传递动能，结果是两个物体的平均动能相同，温度也就相同。 所以热量是两个物体间通过微观分子运动发生相互作用而传递的能量，而功是两物体间通过宏观运动发生相互作用而传递的能量。,功和热量有一定的相似性,1.可逆过程中容积功的推动力是无限小的压力差，而可逆过程热量的推动力是无限小的温度差， 2.容积功的微元变量是状态参数V，那么热量的微元变量也应是一个广度状态参数，这个参数就是熵。 因此，可逆过程与外界交换的能量就有如下的表达式,熵（S）：状态参数，是可逆过程有无热量传递的标志性参数。单位质量物质的熵称为比熵，用s表示。比熵增大,系统吸热；比熵减小，系统放热。,热量是过程量,（T-s图上）表示,计算式
7、及状态参数图,3.储存能 ： 物质本身具有的能量称为储存能。 储存能又分为外部储存能和内部储存能两类。 与系统宏观运动有关的能量称为外部储存能，它分为动能和位能。,动能：系统在空间相对某参考坐标系宏观的运动所具有的能量称为宏观动能，就是动能。,位能：系统在外力场的作用下处于参考坐标系中的一定位置所具有的能量称为位能。,*内能(internal energy）,包括，物理内能，化学内能，和核能。 系统只发生物理变化时，只有物理内能发生变化。我们通常所说的水结冰要放热，水变成蒸汽要吸热。 实质：是物质的内动能和内位能的变化。 内动能：分子的移动动能，转动动能，震动动能，是温度的函数。 内位能：分子
8、间的引力作用而所具有的能量。与分子间的平均距离有关。 化学变化时才有化学内能发生，核能我们现在不研究。 这样我们就可以看出来内能是温度和比体积的函数，即内能是状态函数。,4.总（储存）能(totalstoredenergyofsystem),总能,外部储存能,宏观动能,宏观位能,一般来说系统的总能量E除了由系统热力学状态确定的系统本身的能量，即热力学能U外，还包括由系统整体力学状态确定的系统宏观运动的动能Ek及系统的重力位能Ep。于是有,17,2.3 封闭系统的能量方程,加入系统的能量总和热力系统输出的能量总和=热力系总储存能的增量,热力学第一定律基本表达式,为了定量的分析系统在热力过程中的能
9、量转换，需根据热力学第一定律，导出参与能量转换的各项能量之间的数量关系式，这种关系式称为能量方程。,分析工质的热力过程，凡是工质不流动的的过程，通常按闭口系统处理较方便。,18,忽略宏观动能Ek和位能Ep，,可得：,如图，气缸内充以空气，活塞及负载195kg，缸壁充分导热，取走100kg负载，待平衡后，求：,（1）活塞上升的高度,（2）气体在过程中作的功，已知,解：取缸内气体为热力系闭口系。,首先计算状态1及2的参数：,分析：突然取走100kg负载， 气体失去平衡，振荡后最终建 立新的平衡。虽不计摩擦，但 由于非准静态，故过程不可逆， 但仍可应用第一定律解析式。,过程中质量m不变,据,由于m2
10、=m1,？,不可逆,外力,向上移动了5cm，因此体系对外作功,且 T2=T1,2.4、敞开系统的能量方程 (flowenergyequation),工程中许多热力设备，如压气机，汽轮机，锅炉，换热器等的。工作时不断的有工质流入流出，分析这些过程时，一般按敞口系统处理。,敞开系统与封闭系统的不同 1.他与外界的能量交换除功和传热外，还有工质流动本身的能量传递。 2.分析敞口系统是要考虑质量平衡。 3.敞口系统与外界交换的功，除容积功还有推动工质出入系统的推动功。,2.4.1推动功推动工质流入、流出系统所消耗的功量,1.工质要进入系统需要克服系统内的反作用力，在此过程中外界对系统做推动功。,2.同
11、理，下游工质要流出系统要对外界作推动功。,对于1kg工质进入系统，则推动功为：,同理：对于1kg工质流出系统，则推动功为：,于是敞开系统对外界输出的净推动功为：,可见流动功是推动工质进行宏观位移所作的功,2.4.2 敞开系统的能量方程,物理模型 physics model,The energy equation for Control Volumes,Time 0,Time 0 d,引起系统内部能量变化的原因：质量交换和能量交换。,1.加入系统的热量：,2.流入系统的工质带入的能量：,3.上游工质所作的推动功：,1.系统输出的轴功：,2.流出系统的工质带出的能量：,3. 系统推动工质流出所作的
12、推动功：,系统储存能量的增量为 。依热力学第一定律有,为系统的吸热速率；,为进入系统的质量流量 为流出系统的质量流量,为系统输出的轴功率,为系统储存能的增加速率,带入上式整理：,则上式变化为：,-敞开系统能量方程,2.4.3焓(enthalpy),定义：H=U+pV h=u+pv,单位：J（kJ） J/kg（kJ/kg）,焓是状态参数,物理意义： 对于流动工质来说，其焓值为upv，其中u是这部分质量自身的热力学能，pv是促使工质流动的推动功，它总是伴随着工质流动而一起进入或离开系统。 所以，焓可认看作是流动工质移动时随工质一起转移的能量。 焓并不能看作是工质储存的能量，热力学能是工质内部储存能
13、量的唯一形式。,32,2.5开口系统稳定流动能量方程 (steady-flowenergyequation),稳定流动条件：,稳定流动：是指热力系统在任意一点处，工质的任一热力参数和运动参数都不随时间变化。,1）进出口处工质状态不随时间变化。 2）进出口处工质流量相等，且不随时间改变。 满足质量守恒. 3）稳定流动过程中，进入系统的能量和离开的能量相等且不随时间变化。就是,将上诉条件带入式：（ 2-21 ）,考虑到稳流特征：ECV=0 qm1=qm2=qm; 及h=u+pv有,对微元过程：,-稳定流动能量方程,35,2.5.2稳定能量方程式分析与讨论：,也可以改写,输出轴功,流动功,机械能增量
14、,2.5.3技术功(technicalwork),可以直接利用的机械能 wt,是维持流动所必需支付的功不能直接被利用， 因此流动过程中可以利用的机械能并不等于膨胀功的全部，而是膨胀功与流动功的差。,对微元过程：,技术功在p-v图上可用过程曲线与纵轴之间的面积表示,2.5.4机械能守恒式,对于可逆过程有,若有摩擦的准静态过程，再加一项摩擦损失功,广义机械能守恒式,若流动过程没有轴功,广义伯努力方程,39,2.5.5稳定流动能量方程式的应用,1.蒸汽轮机、气轮机 (steamturbine、gasturbine),流进系统：,流出系统：,内部储能增量：0,工质在动力机中所作的轴功等于工质的焓降,2
15、、压气机 compressors and pumps,工质在压气机中绝热压缩所消耗的轴功等于压缩工质焓的增加,41,3、换热器（锅炉、加热器等）,(heatexchanger:boiler、heater),在锅炉等换热设备中，工质吸收的热量等于工质焓的增加,4、喷管 Nozzles and Diffusers,在喷管中气流动能增量等于工质焓降,44,5、混合流,6、绝热节流 Throttling Devices (adiabatic process),绝热节流前、后焓相等，及能量数量相等，但需要指出，由于在节流孔口附近流体的流速变化很大，焓值并不处处相等，不能把整个过程看作是定焓过程。,46,
16、归纳热力学解题思路,1、仔细审题，掌握已知条件，根据题意画出物理模 型， 2、取好热力系统 3、区分工质，根据工质性质的不同确定描述工质参的方法 4、画热力学图，结合题意在热力学图上画出相应的状态点、过程线，明确过程的特征，确定参数关系。 5、质量守恒 6、能量守恒,0.1MPa，20的空气在压气机中绝热压缩升压升温后 导入换热器排走部分热量后再进入喷管膨胀到0.1MPa 20。喷管出口截面积A=0.0324m2气体流速cf2=300m/s 已知压气机耗功率710kW，问换热器中空气散失的热量。,解：,对CV列能量方程,流入：,流出：,内增： 0,或稳定流动能量方程,黑箱技术,据题义，,有一台稳定工况下运行的水冷式压缩机，运行参数如 附图所示。设空气的比热容cp=1.003kJ/(kgK),水的比热容cw=4.187kJ/(kgK)。若不计压气机向环境的散热损失以及动能差及位能差，试确定驱动该压气机所需的功率。已知空气的焓差h2-h1=cp(T2-T1)
