《工程热力学（52学时） 第二章 热力学第一定律》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程热力学（52学时） 第二章 热力学第一定律（90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 教学要求教学要求 正确认识各种不同形式能量的能力正确认识各种不同形式能量的能力 掌握体积变化功、推动功、轴功和技掌握体积变化功、推动功、轴功和技 术功的概念及计算式术功的概念及计算式 根据实际问题建立具体能量方程的能根据实际问题建立具体能量方程的能 力和利用能量方程进行分析计算能力力和利用能量方程进行分析计算能力2-1 热力学第一定律热力学第一定律来源：来源：1919世纪世纪30-4030-40年代，迈耶，焦耳等发现并确年代，迈耶，焦耳等发现并确定了定了能量转换与守恒定律能量转换与守恒定律。
2、恩格斯将这列为。恩格斯将这列为1919世世纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。能量转换与守恒定律定律指出：一切物质都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只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而式。而在转换中，能量的总量恒定不变在转换中，能量的总量恒定不变。能量转换与守恒定律能量转换与守恒定律 认识个别、特殊能量认识个别、特殊能量 机械能、电能、磁能等机械能、电能、磁能等有序能的守恒有序能的守恒 热现象热现象不是一
3、个独立的现象，不是一个独立的现象， 其它形式的能量都最终转化为热能其它形式的能量都最终转化为热能热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质 1909年，年，C. Caratheodory最后完善热一律最后完善热一律本质：本质：能量转换及守恒定律能量转换及守恒定律在热过程中的应用在热过程中的应用 18世纪初，工业革命，热效率只有世纪初，工业革命，热效率只有1% 1842年，年，J.R. Mayer阐述热一律，但没有阐述热一律，但没有 引起重视引起重视 1840-1849年年，Joule用多种实验的一致性用多种实验的一致性 证明热一律，于证明热一律，于1950年发表并得到公认年发表并得到公认焦耳实验
4、焦耳实验1、重物下降，输重物下降，输 入功，绝热容入功，绝热容 器内气体器内气体 T 2、绝热去掉，气绝热去掉，气 体体 T ，放出，放出 热给水，热给水，T 恢复恢复 原温。原温。热功当量热功当量1 cal = 4.1868 kJ 在工程热力学的范围内，主要考虑在工程热力学的范围内，主要考虑热热能能与与机械能机械能之间的相互转换与守恒，因此热之间的相互转换与守恒，因此热力学第一定律可表述为：力学第一定律可表述为：热可以变为功，功热可以变为功，功也可以变为热，在相互转变时能的总量是不也可以变为热，在相互转变时能的总量是不变的。变的。热力学第一定律热力学第一定律的表达的表达能量是物质运动的度量，
5、运动有各种不同的能量是物质运动的度量，运动有各种不同的形态，相应的就有各种不同的能量。形态，相应的就有各种不同的能量。系统储存的能量称为系统储存的能量称为储存能储存能，它有，它有内部储存内部储存能能与与外部储存能外部储存能之分。之分。系统的内部储存能系统的内部储存能即为热力学能即为热力学能系统的能量系统的能量 定义定义 系统系统内部各种形式能量内部各种形式能量的总和称为系统的总和称为系统的热力学能，简称为内能的热力学能，简称为内能 U U。单位质量的热。单位质量的热力学能称为比内能力学能称为比内能 u u。 单位：单位： J/kgJ/kg、kJ/kgkJ/kg2-2 热力学能（内能）热力学能（
6、内能）Internal energy内能的组成内能的组成热力学能是储存在系统内部的能量，热力学能是储存在系统内部的能量，是下列各种能量的总和：是下列各种能量的总和：分子分子热运动形成的内动能热运动形成的内动能。它是温度的函。它是温度的函数。数。分子间分子间相互作用形成的内位能相互作用形成的内位能。它是比体。它是比体积和温度的函数。积和温度的函数。维持一定分子结构维持一定分子结构的化学能、原子核内部的化学能、原子核内部的原子能及电磁场作用下的电磁能等。的原子能及电磁场作用下的电磁能等。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
7、 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 vibrationTv内能是内能是状态参数状态参数，是热力状态的单值函数：，是热力状态的单值函数：热力热力学内能性质学内能性质 内能总以变化量出现，内能零点人为定内能总以变化量出现，内能零点人为定需要用在系统外的参考坐标系测量的参需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量，称为外部储存能，它包括数来表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的系统的宏观动能宏观动能和和重力位能重力位能：重力位能：重力位能：宏观动
8、能：宏观动能：外部储存能外部储存能 定义定义macroscopic forms of energy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, du思思 考考宏观动能和内动能的区别？热力学第一定律基本表达式热力学第一定律基本表达式加入系统的能量总和加入系统的能量总和热力系统
9、输出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系总储存能的增量2-3 热力学第一定律导出热力学第一定律导出 加入系统的能量总和加入系统的能量总和加入系统的能量总和加入系统的能量总和热力系统输出的能量总和热力系统输出的能量总和热力系统输出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系总储存能的增量热力系总储存能的增量热力系总储存能的增量EE+dE 该闭口系遵循的热力学第一定律如何表示？该闭口系遵循的热力学第一定律如何表示？ 闭口系统的热一律基本表达式闭口系统的热一律基本表达式 闭口系，闭口系， 忽略宏观动能忽略宏观动能U Uk k和位能和位能U
10、Up p，第一定律第一解析式第一定律第一解析式功的基本表达式功的基本表达式热热闭口系统循环的热一律表达式闭口系统循环的热一律表达式要想得到要想得到功功，必须化费，必须化费热能热能或或其它能量其它能量热一律热一律又可表述为又可表述为“第一类永动机是第一类永动机是 不可能制成的不可能制成的”Perpetual motion machine of the first kind试利用热力学第一定律推出内能这个试利用热力学第一定律推出内能这个概念，并且证明其为状态参数？概念，并且证明其为状态参数？思思 考考内能的导出内能的导出对于循环对于循环1a2c1对于循环对于循环1b2c1状态参数状态参数pV12a
11、bc内能及闭口内能及闭口系热一系热一定定律律定义定义 dU = Q - W 内能内能U 状态函数状态函数 Q = dU + WQ = U + W闭口系闭口系热一热一定定律表达式律表达式！两种特例两种特例 绝功系绝功系 Q = dU 绝热系绝热系 W = - dU热一定律总结热一定律总结热一定律热一定律: : 体现了能量在数量上的守恒体现了能量在数量上的守恒=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
12、 in the total energy of the system=-2-4 闭口系能量方程闭口系能量方程 W Q一般式一般式 Q = dU + W Q = U + W q = du + w q = u + w单位工质单位工质适用条件：适用条件： 1）任何工质）任何工质 2) 任何过程任何过程 3）忽略了系统动能和势能变化）忽略了系统动能和势能变化Energy balance for closed system闭口系能量方程中的功闭口系能量方程中的功功功 （ 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
13、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闭口系经历准静态和可逆过程闭口系经历准静态和可逆过程简单可压缩系简单可压缩系准静态过程准静态过程 w = pdv简单可压缩系简单可压缩系可逆过程可逆过程 q = Tds q = du + pdv q = u + pdv热一律解析式之一热一律解析式之一Tds = du
14、 + pdv Tds = u + pdv热一律解析式之一热一律解析式之一思思 考考利用闭口系统的热一定律，分析下列两利用闭口系统的热一定律，分析下列两种方法的可行性：种方法的可行性：1）打开冰箱的门，使整个房间内空气）打开冰箱的门，使整个房间内空气的温度降低；的温度降低；2）打开空调，使整个房间内空气的温）打开空调，使整个房间内空气的温度降低；度降低； 假设房间为闭口系统，墙体绝热，假设房间为闭口系统，墙体绝热，空气的温度随内能变大而单调增加。空气的温度随内能变大而单调增加。门窗紧闭房间用电冰箱降温门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为以房间为系统系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程闭口系能量方
15、程T电电冰冰箱箱RefrigeratorIcebox门窗紧闭房间用空调降温门窗紧闭房间用空调降温以房间为以房间为系统系统 闭口系闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程T空空调调 QAir-condition习习 题题如何设定系统？如何设定系统？同外界之间发生何种作用？同外界之间发生何种作用？1.1.快速抽走隔板；快速抽走隔板；2.2.绝热刚性容器；绝热刚性容器；3.3.假设空气的内能是温度的单值函假设空气的内能是温度的单值函数数. .归纳热力学解题思路归纳热力学解题思路1 1）取好热力系）取好热力系; ;2 2）计算初、终态）计算初、终态; ;3 3）两种解题思路）两种解题思路从已知条件逐步推向目
16、标从已知条件逐步推向目标从目标反过来缺什么补什么从目标反过来缺什么补什么4 4）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手。）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手。 2-5 开口系能量方程开口系能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout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推动功的引入推动功的引入推动功推动功: :工质在开口系统中流动而传递的功。工质在开口系统中流动而传递的功。 在作推动功时，在作推动功时，工质工质的状态没
17、有改变的状态没有改变（如图中（如图中的的C C点），因此推动功不点），因此推动功不会来自系统的储存能热会来自系统的储存能热力学能，而是系统以外的力学能，而是系统以外的物质，这样的物质称为外物质，这样的物质称为外部功源。部功源。 工质在传递推动功时工质在传递推动功时只是单纯地传递能量，像只是单纯地传递能量，像传输带一样，传输带一样，能量的形态能量的形态不发生变化不发生变化。Flow work推动功的表达式推动功的表达式推动功（推动功（推进功推进功）pApVdl W推推 = p A dl = pV w推推= pv注意：注意： 不是不是 pdv v 没有变化没有变化流动功（流动功（推动功之差推动功之
18、差） 工工质质在在流流动动时时，总总是是从从后后面面获获得得推推动动功功，而而对对前前面面作作出出推推动动功功，进进出出系系统统的的推推动动功功之之差差称称为为流流动动功功（也也是是系系统统为为维维持持工工质质流流动动所所需的功）。需的功）。流动功的表达式流动功的表达式对推进功对推进功/流动功的说明流动功的说明1 1、与宏观与宏观流动流动状态状态有关有关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，无状态变化变化3 3、w w推推pvpv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）变化引并非工质本身的能量（动能、位能）
19、变化引起，而由外界做出，流动工质所起，而由外界做出，流动工质所携带的能量携带的能量开口系能量方程的推导开口系能量方程的推导 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout 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
20、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焓焓Enthalpy的的 说明说明 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(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，仅表示一种状态参数仅表示一种状态参数4 4、物理意义：开口系中随工质物理意义
21、：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。2-6 稳定流动能量方程稳定流动能量方程 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
22、Energy balance for steady-flow systems技术技术功功 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
23、功功的小结的小结2、开口系，开口系，系统系统与与外界交换的功为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，系统与与外界交换的功为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 2-6 稳定流动能量方程应用稳定流动能量方程应用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) /
24、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水蒸气水蒸气的的 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 turbine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
25、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 - h20输入的轴功转变为焓升输入的轴功转变为焓升例例3：换热设备：换热设备Heat Exchangers火力发电：火力发电： 锅炉、凝汽器锅炉、凝汽器核电：核电：热交换器、凝汽器热交换器、凝汽器制冷制冷空调空调蒸发器、冷凝器蒸发器、冷凝器换热设备换热设备热流体放热量：热流体放热量：没有作功部件没有
26、作功部件热流体热流体冷流体冷流体h1h2h1h2冷流体吸热量：冷流体吸热量：焓变焓变例例4：绝热节流：绝热节流Throttling Valves管道阀门管道阀门制冷制冷空调空调膨胀阀、毛细管膨胀阀、毛细管绝热节流绝热节流绝热节流过程，绝热节流过程，前后前后h不变不变，但，但h不是处处相等不是处处相等h1h2没有作功部件没有作功部件绝热绝热绝热节流是等焓过程？绝热节流是等焓过程？例例5：喷管和扩压管：喷管和扩压管火力发电火力发电蒸汽轮机静叶蒸汽轮机静叶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 压气机静叶压气机静叶Nozzles and Diffusers 喷管和扩压管喷管
27、和扩压管喷管目的：喷管目的：压力降低，速度提高压力降低，速度提高扩压管目的：扩压管目的：动能与焓变相互转换动能与焓变相互转换速度降低，压力升高速度降低，压力升高动能参与转换，不能忽略动能参与转换，不能忽略第二章第二章 小结小结 Summary1、本质：本质：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-第二章第二章 小结小结通用式通用式2、热一律表达式：热一律表达式：第二章第二章 小结小结稳态稳流：稳态稳流： dEcv / = 0通用式通用式wnet=ws第二章第二章 小结小结闭口系：闭口系：通用式通
28、用式wnet=w第二章第二章 小结小结通用式通用式循环循环dEcv = 0out = in第二章第二章 小结小结孤立系：孤立系： 通用式通用式第二章第二章 小结小结3、热力学第一定律表达式和适用条件、热力学第一定律表达式和适用条件任何工质，任何过程任何工质，任何过程任何工质，任何工质，可逆可逆过程过程任何工质，任任何工质，任何何稳流稳流过程过程或或忽略动、位忽略动、位能变化能变化第二章第二章 小结小结4、可逆过程两个热力学微分关系式可逆过程两个热力学微分关系式 适合于闭口系统和稳流开口系统适合于闭口系统和稳流开口系统后续很多式子基于此两式后续很多式子基于此两式第二章第二章 小结小结5、u与与
29、h U, H 广延广延参数参数 u, h 比参数比参数 U 系统本身系统本身具有的内部能量具有的内部能量H 不是系统本身具有的能量，不是系统本身具有的能量， 开口系中随工质流动而携带的，取开口系中随工质流动而携带的，取 决于决于热力状态参数热力状态参数的能量的能量 第二章第二章 小结小结6、四种功的关系四种功的关系 可逆过程可逆过程闭口系过程闭口系过程开口系过程开口系过程第二章第二章 讨论课讨论课 Discussion思考题思考题 工质膨胀是否一定对外作功？工质膨胀是否一定对外作功？自由膨胀自由膨胀定容过程是否一定不作功？定容过程是否一定不作功？开口系，技术功开口系，技术功定温过程是否一定不传热？定温过程是否一定不传热？相变过程（冰融化，水汽化）相变过程（冰融化，水汽化）水轮机水轮机第二章第二章 讨论课讨论课气体边膨胀边放气体边膨胀边放热是可能的？热是可能的？对工质加热，其温度反而降低，对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能？这种情况不可能？例：例：2-2 P49
