《工程热力学课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程热力学课件（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章第二章热力学第一定律热力学第一定律The First Law of Thermodynamics工程热力学 2-1 热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质本质：本质：能量能量转换转换及及守恒守恒定律定律在热过程中的应用在热过程中的应用表述：表述： 热是能的一种，机械能变热能，或热热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。的。或：或：热可以变为功，功也可以变为热；一定热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。并得定量的
2、功时，必出现与之相应量的热。并得到公认到公认内能的组成内能的组成分子动能分子动能分子位能分子位能 binding forces化学能化学能 chemical energy核能核能 nuclear energy内能内能microscopic forms of energy 移动移动 translation转动转动 rotation振动振动 vibration2-2 2-2 热力学能和总能热力学能和总能内能的说明内能的说明 内能内能是状态量是状态量 state property U : : 广延参数广延参数 kJ u : : 比参数比参数 kJ/kg 内能内能总以变化量出现，总以变化量出现，内能内
3、能零点人为定零点人为定系统总能系统总能 total energy外部储存能外部储存能macroscopic forms of energy宏观动能宏观动能 kinetic Ek= mc2/2宏观位能宏观位能 potential Ep= mgz机械能机械能系统总能系统总能E = U + Ek + Epe = u + ek + ep一般与系统同坐标，常用一般与系统同坐标，常用U, dU, u, du2-3 2-3 能量的传递和转化能量的传递和转化一、作功和传热一、作功和传热二、推动功和流动功二、推动功和流动功 推动功：推动功：因工质在开口系统中流动因工质在开口系统中流动而传递的功。而传递的功。推动
4、功的表达式推动功的表达式推动功推动功pApVdl W推推 = p A dl = pV w推推= pv注意：注意： 不是不是 pdv v 没有变化没有变化对推动功的说明对推动功的说明1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推进功不存在有关，流动停止，推进功不存在2 2、作用过程中，工质仅发生作用过程中，工质仅发生位置位置变化，无状态变化变化，无状态变化3 3、w推推pv与所处状态有关，是与所处状态有关，是状态量状态量4 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，流动工质所而由外界做出，流动工质所携带的能量携带的能量可理解为：可理解
5、为：由于工质的进出，外界与系统之由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种间所传递的一种机械功机械功，表现为流动工质进，表现为流动工质进出系统使所出系统使所携带携带和所和所传递传递的一种的一种能量能量流动功流动功：系统维持系统维持 流动所需的功流动所需的功。 推动功在推动功在p-v图上：图上：2-4 2-4 焓（焓（Enthalpy） 定义：定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 1、焓焓是状态量是状态量 state property2、H为广延参数为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh h为比参数为比参数3、对流动工质，对流动工质，焓焓代表能量代表能量
6、(内能内能+推进功推进功) 对静止工质，对静止工质，焓焓不代表不代表能量能量4 4、物理意义：开口系中随工质物理意义：开口系中随工质流动而携带流动而携带的、取决的、取决 于热力状态的于热力状态的能量能量。2-5 2-5 热一律的基本能量热一律的基本能量方程式方程式热一律热一律: 能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律=进入进入系统系统的的能量能量离开离开系统系统的的能量能量系统系统内部储存内部储存能量能量的的变化变化-Total energy entering the systemTotal energy leaving the systemChange in the total energy
7、of the system=-闭口系能量方程闭口系能量方程功功 （ w） 是广义功是广义功 闭口系与外界交换的功量闭口系与外界交换的功量 q = du + w准静态容积变化功准静态容积变化功 pdv拉伸功拉伸功 w拉伸拉伸= - dl表面张力功表面张力功 w表面张力表面张力= - dA w = pdv - dl - dA +.闭口系能量方程的通式闭口系能量方程的通式 q = du + w若在地球上研究飞行器若在地球上研究飞行器 q = de + w = du + dek + dep + w 工程热力学用此式较少工程热力学用此式较少 2-6 开口系能量方程开口系能量方程 Wnet Q min m
8、outuinuoutgzingzout能量守恒原则能量守恒原则进入进入系统的系统的能量能量 - -离开离开系统的系统的能量能量 = =系统系统储存能量储存能量的的变化变化Energy balance for open system推进功的引入推进功的引入 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv这个结果与实验这个结果与实验不符不符少了少了推进功推进功一、开口系能量方程一、开口系能量方程 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout
9、 Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv minpvout开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式 Q + min(u + pv+c2/2 + gz)in - Wnet - mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv工程上常用工程上常用流率流率开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式当有多条进出口：当有多条进出口：流动时，总一起存在流动时，总一起存在焓焓Enthalpy的引入的引入定义：定义：焓焓 h = u + pvhh开口系能量方程开口系能量方程二、稳定流动能量方程二、稳定流动能量方
10、程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout稳定流动条件稳定流动条件1、2、3、轴功轴功Shaft work每截面状态不变每截面状态不变4、Energy balance for steady-flow systems稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导稳定流动条件稳定流动条件0稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导1kg工质工质稳定流动能量方程稳定流动能量方程适用条件：适用条件：任何流动工质任何流动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程Energy balance for steady-flow systems讨论讨论：1）改写（B）为（C）热能转变热能转变成
11、功部分成功部分输出轴功输出轴功流动功流动功机械能增量机械能增量（C）技术功技术功 technology work动能动能工程技术上可以直接利用工程技术上可以直接利用轴功轴功机械能机械能位能位能单位质量工质的开口与闭口单位质量工质的开口与闭口wsq稳流开口系稳流开口系闭口系闭口系(1kg)容积变化功容积变化功等价等价技术功技术功稳流开口与闭口的能量方程稳流开口与闭口的能量方程容积变化功容积变化功w技术功技术功wt闭口闭口稳流开口稳流开口等价等价轴功轴功ws推进功推进功 (pv)几种功的关系？几种功的关系？几种功的关系几种功的关系wwt(pv) c2/2wsgz做功的根源做功的根源ws对对功的小结
12、功的小结2、开口系，系统开口系，系统与外界交换的功为与外界交换的功为轴功轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统闭口系，系统与外界交换的功为与外界交换的功为容积变化功容积变化功wws wt准静态下的技术功准静态下的技术功准静态准静态准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之一热一律解析式之二热一律解析式之二技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示机械能守恒机械能守恒对于流体流过管道，对于流体流过管道， 压力能压力能 动能动能 位能位能机械能守恒机械能守恒柏努利方程柏努利方程Bernoullis equation 2-6 稳定流动能量方程应用举例稳
13、定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略动、位能变化热力学问题经常可忽略动、位能变化例：例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kgz1 = 0 m z2 = 30 mg ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg1bar下下, 0 oC水的水的 h1 = 84 kJ/kg100 oC水蒸气的水蒸气的 h2 = 2676 kJ/kg例例1：透平：透平(Turbine)机械机械火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 燃气轮机燃气轮机蒸汽轮机蒸汽轮机Steam turbineGas tu
14、rbine透平透平(Turbine)机械机械1) 体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0ws = -h = h1 - h20输出的轴功是靠焓降转变的输出的轴功是靠焓降转变的例例2：压缩机械：压缩机械 Compressor火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机压气机水泵水泵制冷制冷空调空调压缩机压缩机压缩机械压缩机械1) 体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0ws = -h = h1 - h2T0m,u,p,T3） T与与T0有关有关T0Tm0m-m0带入能量带入能量T的表达式分析的表达式分析m0,u0,p0,T0
15、h,p,TT0m,u,p,T4） T与与p0/ p有关有关p0/ p Tp0/ p反映充气数量反映充气数量 取系统问题之二取系统问题之二已知：已知：p1=35bar, t1 =16h0V要求：要求：输出输出4kW,持续持续30s (kW=kJ/s)允许：允许：p1 p2=3.5bar求：求：需要的容积需要的容积V解解1:1:取储气罐为系统（开口）取储气罐为系统（开口）h0V解解1:1:取储气罐为系统（开口）取储气罐为系统（开口）Vh0解解2：取气体为系统（闭口）取气体为系统（闭口）Vh0u2 0解解3：取：取储气罐和汽机为系统（开口）储气罐和汽机为系统（开口）Vh0进进 出出 内能变化内能变化内能变化：内能变化：进：进：出：出：u2 0其它功例其它功例HeQl真空真空已知：已知：缓慢加热缓慢加热He气气p1=1.013bar, p2 =3.039bar活塞面积活塞面积A=0.1m2,无摩无摩擦擦弹簧刚度弹簧刚度k=105N/m求：求：He作功量作功量W物理学过：物理学过：弹簧变形与力的关系弹簧变形与力的关系弹簧功弹簧功解解1 1：由弹簧功求：由弹簧功求He作功量作功量HeQl真空真空解解2 2：由：由He参数求参数求作功量作功量HeQl真空真空缓慢加热：准静态缓慢加热：准静态关键求关键求p与与V的关系的关系
