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1、第二章 热力学第一定律,The First Law of Thermodynamics,2-1 热力学第一定律的本质, 1909年，C. Caratheodory最后完善热一律,本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用, 18世纪初，工业革命，热效率只有1%, 1842年，J.R. Mayer阐述热一律，但没有 引起重视, 1840-1849年，Joule用多种实验的一致性 证明热一律，于1950年发表并得到公认,Conservation of energy,One of the most fundamental laws of nature,“During an interaction ,
2、energy can change from one form to another but the total amount of energy remains constant”,Energy cannot be created or destroyed,焦耳实验,1、重物下降，输 入功，绝热容 器内气体 T ,2、绝热去掉，气 体 T ，放出 热给水，T 恢复 原温。,焦耳实验,水温升高可测得热量， 重物下降可测得功,热功当量 1 cal = 4.1868 kJ,工质经历循环:,Mechanical equivalent of heat,闭口系循环的热一律表达式,要想得到功，必须化费热能
3、或其它能量,热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”,Perpetual motion machine of the first kind,Q,Perpetual motion machine of the first kind,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,Wnet,Qout,电加热器,2-2 热一律的推论内能,内能的导出,闭口系循环,Internal energy,内能的导出,对于循环1a2c1,对于循环1b2c1,状态参数,p,V,1,2,a,b,c,内能及闭口系热一律表达式,定义 dU = Q - W 内能U 状态函数,Q = dU + W Q = U + W,闭口系
4、热一律表达式,！两种特例 绝功系 Q = dU 绝热系 W = - dU,内能U 的物理意义,dU = Q - W, W, Q,dU 代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。,U 代表储存于系统内部的能量 内储存能（内能、热力学能）,内能的组成,分子动能 分子位能 binding forces 化学能 chemical energy 核能 nuclear energy,内能,microscopic forms of energy,移动 translation,转动 rotation,振动 vibration,系统总能 total energy,外部储
5、存能macroscopic forms of energy,宏观动能 kinetic Ek= mc2/2 宏观位能 potential Ep= mgz,机械能,系统总能,E = U + Ek + Ep,e = u + ek + ep,一般与系统同坐标，常用U, dU, u, du,内能的说明, 内能是状态量 state property,U : 广延参数 kJ u : 比参数 kJ/kg, 内能总以变化量出现，内能零点人为定,热一律的文字表达式,热一律: 能量守恒与转换定律,2-3 闭口系能量方程, W, Q,一般式,Q = dU + W Q = U + W,q = du + w q = u
6、+ w,单位工质,适用条件： 1）任何工质 2) 任何过程,Energy balance for closed system,Point function-Exact differentials- d Path function-Inexact differentials- ,闭口系能量方程中的功,功 （ w） 是广义功 闭口系与外界交换的功量,q = du + w,准静态容积变化功 pdv 拉伸功 w拉伸= - dl 表面张力功 w表面张力= - dA,w = pdv - dl - dA +.,闭口系能量方程的通式,q = du + w,若在地球上研究飞行器 q = de + w = du
7、+ dek + dep + w,工程热力学用此式较少,准静态和可逆闭口系能量方程,简单可压缩系准静态过程,w = pdv,简单可压缩系可逆过程, q = Tds,q = du + pdv,q = u + pdv,热一律解析式之一,Tds = du + pdv, Tds = u + pdv,热力学恒等式,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,电冰箱,Refrigerator Icebox,门窗紧闭房间用空调降温,以房间为系统,闭口系,闭口系能量方程,T,空调,Q,Air-condition, 2-4 开口系能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uou
8、t,gzin,gzout,能量守恒原则 进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统储存能量的变化,Energy balance for open system,推进功的引入,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,这个结果与实验不符,少了推进功,推进功的表达式,推进功（流动功、推动功）,p,A,p,V,dl,W推 = p A dl = pV w推= pv,注意： 不是 pdv v 没有变化,Flow work,对推进功的说明,1、与宏
9、观流动有关，流动停止，推进功不存在,2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化,3、w推pv与所处状态有关，是状态量,4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，流动工质所携带的能量,可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量,开口系能量方程的推导,Wnet,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,min,pvout,开口系能量方程微分式,Q + min(u
10、 + pv+c2/2 + gz)in - Wnet - mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv,工程上常用流率,开口系能量方程微分式,当有多条进出口：,流动时，总一起存在,焓Enthalpy的引入,定义：焓 h = u + pv,h,h,开口系能量方程,焓Enthalpy的 说明,定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ ,1、焓是状态量 state property,2、H为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh h为比参数,3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功) 对静止工质，焓不代表能量,4、物理意义：开口系中随工质流动而携
11、带的、取决 于热力状态的能量。,2-5 稳定流动能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,稳定流动条件,1、,2、,3、,轴功Shaft work,每截面状态不变,4、,Energy balance for steady-flow systems,稳定流动能量方程的推导,稳定流动条件,0,稳定流动能量方程的推导,1kg工质,稳定流动能量方程,适用条件：,任何流动工质,任何稳定流动过程,Energy balance for steady-flow systems,技术功 technology work,动能,工程技术上可以直接利用,轴功,机械能,位能,单位
12、质量工质的开口与闭口,ws,q,稳流开口系,闭口系(1kg),容积变化功,等价,技术功,稳流开口与闭口的能量方程,容积变化功w,技术功wt,闭口,稳流开口,等价,轴功ws,推进功(pv),几种功的关系？,几种功的关系,w,wt,(pv), c2/2,ws,gz,做功的根源,ws,对功的小结,2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws,3、一般情况下忽略动、位能的变化,1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功w,wswt,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,技术功在示功图上的表示,机械能守恒,对于流体流过管道，,压力能 动能 位能,机械能守恒,柏努利方程,Ber
13、noullis equation, 2-6 稳定流动能量方程应用举例,热力学问题经常可忽略动、位能变化,例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kg,z1 = 0 m z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg,1bar下, 0 oC水的 h1 = 84 kJ/kg 100 oC水蒸气的 h2 = 2676 kJ/kg,例1：透平(Turbine)机械,火力发电 核电,飞机发动机 轮船发动机 移动电站,燃气轮机,蒸汽轮机,Steam turbine,Gas turbine,透平(Turbine)机械,1
14、) 体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,ws = -h = h1 - h20,输出的轴功是靠焓降转变的,例2：压缩机械 Compressor,火力发电 核电,飞机发动机 轮船发动机 移动电站,压气机,水泵,制冷 空调,压缩机,压缩机械,1) 体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,ws = -h = h1 - h20,输入的轴功转变为焓升,例3：换热设备Heat Exchangers,火力发电：,锅炉、凝汽器,核电：,热交换器、凝汽器,制冷 空调,蒸发器、冷凝器,换热设备,热流体放热量：,没有作功部件,热流体,冷流体,h1,h2,h1,h2,冷流体吸热量：,焓变,例4：绝热节流Throttling Valves,管道阀门,制冷 空调,膨胀阀、毛细管,绝热节流,绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等,h1,h2,没有作功部件,绝热,例5：喷管和扩压管,火力发电,蒸汽轮机静叶,核电,飞机发动机 轮船发动机 移动电站,压气机静叶,Nozzles and Diffusers,喷管和扩压管,喷管目的：,压力降低，速度提高,扩压管目的：,动能
