《工程热力学课件1第2章热力学基本定律热一律2010级》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程热力学课件1第2章热力学基本定律热一律2010级（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 热力学基本定律,本章内容、要求：,掌握,内容,2-1 热力学第一定律的实质,2.1.1 背景, 18th初，工业革命，热效率只有1%, 1842年，Mayer阐述能量守恒和转化定律，未引起重视, 1840-1849年，Joule用多种实验证明热一律，得到公认, 1909年，C. Caratheodory最后完善热一律：公理化, 17-18th，热质学为主。但无法解释如冰摩擦融化等热现象,推动对规律的研究,第一类永动机:,不消耗能量而能对外连续作功的机器,亨内考的“魔轮”(13世纪),达芬奇的“永动机”(15世纪),斯特尔的水力永动机(16世纪),浮力永动机,梁星人“宇宙引力”发动机,梁
2、星人：祖籍广东梅县，出生于马来西亚，留学美国，通晓8 种语言，获美国核物理哲学博士及经济学博士学位，现为新加坡华人。 因为拒绝将发明创造的空前绝后的最尖端的绝密技术献给某国，遭追杀，九死一生逃出该国！,2004年国内十大科技骗局之六,获宇宙能永动发电机、宇宙引力能加速电动机车辆等国家专利 22项（申请）,际无形资产评估事务所 评估：无形资产为1265亿美元,海南星人永动机发电厂有限公司：占地100亩，投资1亿元，300万kw宇宙引力能发电示范厂 北京世华永动源科技有限公司 南街村王宏斌投入2000多万。,1982-1997：水变油,希望：,尊重客观规律，不要误入歧途。,2.1.2 热一律的实质
3、,1、实质和表述 实质是能量守恒和转换定律在热现象中的应用： 热能与机械能可以相互转换，且转换前后的总量保持不变。,进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能的变化量,2、表达式,2-2 能量的传递形式,系统与外界交换的能量， 主要有三种形式： （1）功：W （2）热量：Q （3）随物质带进（出）的物质本身的能量,热一律： 进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统储存能的变化,系统内物质本身的能量,一、系统的储存能,储存能：系统内物质本身具有的能量。包括：,外部储存能,(系统整体宏观运动具有的能量),内部储存能,(储存于系统内部,取决于物质结构和微粒运动的能量-内能,U ),宏观动能：E
4、k = mc2/2,宏观势能：E p = mgz,物理内能,化学内能（化学反应时）,内动能(分子平、转、振动)= f (T),内位能（分子间引力）= f (T, v),核能（核裂、聚变时）,工程热力学不涉及,系统的总储存能： E = E k + E p + U,(热能),内能的导出,（1）闭口系循环能量方程,储存能的变化量：dE,热一律：进入的能量 离开的能量 = 储存能的变化量,dE,对于任意闭口系：,吸热： Q,对外做功： W,循环后： dE = 0,系统,对于循环1a2c1：,对于循环1b2c1：,状态参数,（2）内能的导出,Why?,定义：dU = Q - W,U ：内能，状态函数,二
5、、系统与外界传递的能量,热力学中对功的定义：热力系统通过边界而传递的能量, 且其全部效果可表现为举起重物。,容积变化功：因系统容积变化与外界交换的功（包括：膨胀功和压缩功）。 是热力学最重要的一种功: 膨胀:实现热能机械能；机械能热能虽可通过摩擦等方法实现，但只有压缩是可逆的。,其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等,力学中的功：WF x,1、功,（1）做功W （2）传热Q （3）随物质流动而传递的能量,(1) 准静态过程的容积变化功,以汽缸中m kg工质为系统: 活塞向右移动微元距离dx， dx很小，近似认为 p 不变，可视为准静态过程.,系统对外界作的膨胀功为：,= p A dx,m k
6、g：,W =pdV,w =pdv,1 kg：,( ),=pdV,适用范围：准静态过程、可逆过程,W =Fdx,（2）讨论,1）w 的表达式全为系统内部参数，无需知道外力。,3）膨胀功中的有用功WR：,4) 示功图- p-v图,p,V,.,1,2,.,p,p0,2,1,W是过程量，与路径有关,微元过程： w =pdV = 微元面积,1-2过程：,= 投影面积,(3) 容积变化功的计算,1）对于准静态、可逆过程，可用上述公式计算。 但还需要已知p-v函数关系、初终状态。,2）对于非平衡过程，不能用上述公式计算。 但若外力R已知，则可利用外界条件计算： 系统膨胀功=-外界反力对系统所做的功,例1,空
7、气从状态1 (p1，V1)膨胀到状态2 (p2，V2)， （1） p-V图上过程线为直线；（2）可逆定温过程。求w,例2,大气压pb =0.1MPa，活塞面积A=100cm2 。初始状态下弹簧与活塞接触但不受力，弹簧刚度150N/cm。拔掉销钉后，活塞无摩擦上升20cm。 不计活塞重量，求w,pb =0.1 MPa,p1 =0.6 MPa,活塞,销钉,2、热量,1、定义：系统与外界因温差而传递的能量,2、符号：Q（q）,3、单位：J （J/kg）,4、正、负号规定：吸热为正，放热为负,Q与W类比,能量传递方式 W Q,性质,推动力,标志参数,公式,公式适用条件,图示,P-V(示功图),T-s（
8、示热图）,过程量,过程量,T,p,dS , ds,dV , dv,准静态或可逆,可逆,3、随物质传递的能量,1流动工质本身携带的能量：u + c2/2 + g z,2推动功(或流动功),微元体dm 的运动，需上游工质的推动以克服系统内工质的反力：外界对系统做了功。,Wf = p A dx = pdV = pvdm 1kg工质：wf = pv,设微元体在推力(p A)作用下移动了dx ,则：,推动功：推动工质进行宏观位移所做的功。= p v,推动功的说明,1、与宏观流动有关，流动停止，推动功不存在。,2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化,3、 wf pv 与所处状态有关，是状态量。,4
9、、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而是由外界做出、流动工质所携带的能量,5、推动功是由泵、风机等提供的。,2.3 闭口系统能量方程,而储存能变化量为: dU,Q = dU + W Q = U + W,闭口系能量方程 （热一律数学表达式）,热一律：进入 离开 =储存能变化量,则：Q W = dU，即：, W, Q,q = du + w q = u + w,单位工质：,适用条件： 任何工质、任何过程,问题：方程中的微元符号有d、之分，why?,dU,准静态和可逆闭口系能量方程,（1）准静态过程：,w = pdv,（2）可逆过程：, q = Tds,q = du + pdv,q = u
10、+ pdv,热一律解析式之一,Tds = du + pdv, Tds = u + pdv,热力学恒等式,例3 热一律应用,1-2：定压过程，对外膨胀做功50 kJ、放热20 kJ； 2-3：定容过程，吸热100 kJ； 1-3：不可逆过程，对外做膨胀功50 kJ。 求：过程1-3系统与外界交换的热量。,门窗紧闭房间用电冰箱降温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程：,T,门窗紧闭房间用空调降温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程：,T,2.4 开口系统能量方程,Ws,p1v1,p2v2,dE,热一律： 进 出 = d E,进、出有哪些能量？,（1）热量： Q,（2）轴功： Ws,（3
11、）流体携带的能量:,u,g z,全了吗？,还有推动功：p v,No！,设：d时间内, 2.4.2 开口系统能量方程一般表达式,Q + dm1(u + pv+c2/2 + gz)1 - m2(u + pv+c2/2 + gz)2 - Ws=dE,令：,令：h = u + pv, 2.4.3 焓（Enthalpy),定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ ,1、焓是状态量,2、对流动工质，焓代表能量(内能+推动功) 对静止工质，焓不代表能量，理解为状态参数组合,3、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决 于热力状态的能量。,4、工程实际多为开口系， u 和pv同时出
12、现， h 比u应用更广。,2.5 稳定流动能量方程,稳定流动条件：,稳定流动（Steady Flow）：系统内任意点处参数 不随时间变化。,1、,2、,3、,4、,代入开口系统 能量方程一般表达式：,稳定流动能量方程,1kg工质：,微元过程：,适用条件： 稳定流动 任何工质,技术功,即：,稳流能量方程中，后三项为工程上可直接利用的机械能, 稳流能量方程改写为：,定义为技术功：技术上可资利用的功。符号：wt,能量方程等价性，几种功的关系,等 价,稳流：系统状况不随时间而变，故整个流动过程可视为一定质量的工质从进口状态变化到出口状态,稳流开口系等价于一个控制质量的封闭系,w,wt,(pv),c2/
13、2,ws,gz,做功的源泉,几种功的关系：,开,闭,4种功全在该式中,准静态下的技术功,准静态,准静态,热一律解析式之一,热一律解析式之二,移项整理:,技术功在示功图上的表示, 2-6 稳定流动能量方程的化简,工程实际应用中，经常可忽略动、位能变化,例：c1=1 m/s，c2=30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.45 kJ/ kg,z1 = 0 m ，z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg,稳流方程的化简,一、加热器或冷却器 heat exchanger,二、涡轮机或压气机 Turbines, compressors and pumps,特点：,
14、特点：,稳流方程的化简,三、喷管Nozzles and Diffusers,四、绝热节流 Throttling Devices(adiabatic process),特点：,特点：,第二章问题讨论,思考题 ：,工质膨胀是否一定对外作功？,例外：向真空膨胀，自由膨胀,定容过程是否一定不作功？,例外：开口系，技术功,定温过程是否一定不传热？,例外：相变过程（冰融化，水汽化）,水轮机,例1 两级空气压缩机（带中间冷却）,求： （1）空气的质量流量m； （2）低压段、高压段消耗的功率N1、N2； （3）中间冷却器中冷却水带走的热量Q。,作 业1,思考题：1、2、6 题 习 题：1、3 题 第3题：空气可按理想气体处理，理想气体的内能是温度的单值函数。,作 业2,思考题：P38： 35 题 习 题：P38-39： 4、5、6题,
