工程热力学课件第2章.ppt

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1、1,第二章 热力学第一定律 First law of thermodynamics,21 热力学第一定律的实质,2-2 热力学能和总能,23 热力学第一定律基本表达式,24 稳定流动能量方程式的应用,2,21 热力学第一定律的实质,一、第一定律的实质 能量守恒与转换定律在热现象中的应用。,能量守恒与转换定律:,自然界中一切物质都具有能量。能量既不可能被创造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变成另一种形式。在转换的过程中，能的总量保持不变。,是十九世纪的三大发现之一，是辩证唯物主义的科学基础之一。,3,二、第一定律的表述,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的

2、。 或： 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；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。,不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不可能制造成功的。,4,22 热力学能和总能,一、热力学能(internal energy),Uch化学能 Unu原子核能 Uth,Uk,平移动能 转动动能 振动动能,Up,在无化学反应及原子核反应的过程中，化学能和原子核能都不变化，可以不考虑，热力学能的变化只是内位能和内动能的变化。,内位能,5,热力学能的说明, 热力学能是状态量 state property,U : 广延参数 kJ u : 比参数 kJ/kg 比热力学能, 热力学能总以

3、变化量出现，其零点人为定,对于循环：,6,二、外部储存能（macroscopic forms of energy）,外部储存能包括宏观动能和重力位能，它们的大小要借助在系统外的参考坐标系测得的参数来表示。,2. 重力位能：Ep ，单位为 J 或 kJ,1.宏观动能 ：Ek ，单位为J或kJ,cf和z是力学参数，处于同一热力状态的物体，选用不同的坐标系可以有不同的值， cf和z是独立于热力系统内部的参数。宏观动能和重力位能是有序能（机械能）。,注意：,7,总能,热力学能，内部储存能,外部储存能,宏观动能,重力位能,三、总（储存）能(total stored energy of system),比

4、总能e还可写成：,8,23 热力学第一定律基本表达式,对任何系统，各项能量之间的平衡关系可表示为：,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,用热力学第一定律分析热力学问题的步骤：,确定所研究的系统，建立坐标系； 分析过程中系统本身的能量变化及与外界交换的能量； 列出平衡方程；(包括能量的、质量的） 求解。,9,一、闭口系统的热力学第一定律表达式,U,对于微元过程：,取封闭气缸中的工质为研究对象，忽略系统动能和位能的变化，则：,根据能量平衡方程：,热力学第一定律解析式,10,注意：,1. 表达式中Q、W、U都是代数值，规定：系统吸热Q为正值，系统对外作功W为正，反之则为

5、负。系统的热力学能增大时， U为正，反之为负。,3.对于可逆过程：,2.对于单位质量工质：,4. 对于单位质量工质可逆过程：,5. 动能位能变化不能忽略时：,11,6. 对于循环过程：,7. 热力学第一定律解析式的适用条件：,闭口系统；任何工质；任何过程,12,例 自由膨胀,如图，,解：取气体为热力系 闭口系？开口系？,强调：功是通过边界传递的能量。,抽去隔板，求,?,13,二、开口系统能量方程,工质流进（出）开口系统时，必将其本身所具有的各种形式的能量，带入（出）开口系统。因此，开口系统除了通过作功与传热的方式传递能量外，还可以借助物质的流动来转移能量。,分析开口系统时，除了能量平衡外，还必

6、须考虑质量平衡：,进入系统的质量离开系统的质量系统质量的变化,14,1. 推动功（Flow work）,p,A,p,V,l,W推 = p A l = pV w推= pv,注意： 不是 pdv v 没有变化,因工质出、入开口系统而传递的功，叫推动功（推进功） 。,15,对推动功的说明,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、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（泵与风机）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时

7、所携带和所传递的一种能量。,16,2. 稳定流动能量方程(steady-flow energy equation),稳定流动特征：,注意：区分各截面间参数可不同。,1）各截面上参数不随时间变化。,2）ECV = 0， SCV = 0， mCV = 0,3)系统与外界交换的能量不随时间变化。,17,设在时间段内有m1千克工质流进系统，同时m2千克的工质流出系统。,在 时间段内进入系统的能量,在 时间段内离开系统的能量,18,根据热力学第一定律可得 ：,令,，h 称为比焓，单位J/kg。,在 时间段内系统的能量变化为：,19,上式可整理成,令：,，称为焓，单位J，上式改成,对于单位质量工质，,以上

8、两式称为开口系统的稳定流动能量方程。,注意m的意义,20,注意：q和wi分别是1kg工质进入系统后，系统从外界吸入的热量和在系统内部所作的功。除的m不是系统的质量。,对于式：,对于微元过程 ，稳定流动能量方程写成,21,3. 焓,焓：H=U+pV ，单位：J或kJ,比焓：h=u+pv ，单位：J/kg或kJ/kg,注意：,（1）无论对于流动工质还是不流动工质，比焓都是状态参数；,（2）对于流动工质，推动功等于pv，比焓表示单位质量工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分 ；,（3）对于不流动工质，不存在推动功，比焓也不表示能量，仅是状态参数。,（4）工程上一般只需要计算工质经历某一

9、过程后焓的变化量，而不是其绝对值，所以焓值的零点可人为地规定。,都是状态参数,22,定义：在工程热力学中，将工程技术上可以直接利用的动能差、位能差及轴功三项之和称为技术功，用Wt 表示,对于单位质量工质 ，,4. 技术功 (technical work),23,开口系统的稳定流动能量方程式可改写为,对于微元过程 ，,对于开口系统的稳定流动过程，系统内各点的状态都不随时间而变化，所以可以将质量为 m 的工质作为闭口系统来研究。,24,可以假定质量为m的工质从进口截面处的状态1变化到出口截面处的状态2，从外界吸收了热量Q,作了膨胀功W 。,根据闭口系统的热力学第一定律表达式,对比式：,可得,25,

10、对可逆过程，,上式可改写为,式中，v 恒为正值，负号表示技术功的正负与dp 相反。,26,将上式代入开口系统的稳定流动能量方程式,可得,（适用于一般过程）,（适用于可逆过程）,对于微元可逆过程，,技术功的图形表示,27,5. 开口系统能量方程的一般表达式,设在微元时间段d内，进入控制容积的质量为m1，离开的为m2，吸收热量Q，对外作功Wi，控制容积系统总储存能变化为dECV。,28,根据能量平衡方程：,整理后得：,上式为开口系统能量方程的一般表达式,注意：dEcv包括由于系统内质量变化和系统与外界能量交换变化而引起的变化两部分。,29,等式两边同除以d，令：,分别表示单位时间内的热流量、进出口

11、质量流量及内部功量，称为热流率、质流率、内部功率。,开口系统能量方程的一般表达式变为：,注意：单位为W或J/s,30,如果流出、流入控制容积的工质各有若干股，则：,31,2-4 稳定流动能量方程式的应用,1.蒸汽轮机、气轮机 (steam turbine、gas turbine),流进系统：,流出系统：,内部储能增量： 0,忽略动能差和位能差，方程为：,32,2.压气机，水泵类 (compressor，pump),流入,流出,内部贮能增量：0,方程为：,注意wt的正负号,33,3.换热器（锅炉、加热器等）,(heat exchanger: boiler、heater etc.),34,流入：,流出：,系统内增加： 0,若忽略动能差、位能差，方程为：,与外界无功和热量交换,35,4. 管内流动,流入：,流出：,内部增量： 0,方程为：,与外界无热量和功的交换,36,5.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,