工程熱力學(xué)第二章

1、第二章熱力學(xué)第一定律本章的基本要求q深入理解熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)，熟練掌握熱力學(xué)第一定律及其表達式。能夠正確、靈活地應(yīng)用熱力學(xué)第一定律表達式來分析計算工程實際中的有關(guān)問題。q掌握能量、儲存能、熱力學(xué)能、遷移能的概念q掌握體積變化功、推動功、軸功和技術(shù)功的概念及計算式。q焓的定義21熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)19世紀30-40年代，邁爾焦耳（德國醫(yī)生）發(fā)現(xiàn)并確定了能量轉(zhuǎn)換與守恒定律。恩格斯將這列為19世紀三大發(fā)現(xiàn)之一（細胞學(xué)說、達爾文進化論）。能量轉(zhuǎn)換與守恒定律定律指出：一切物質(zhì)都具有一切物質(zhì)都具有能量。能量既不可能創(chuàng)造，也不能消滅，它只能在一能量。能量既不可能創(chuàng)造，也不能消滅，它只能在一定的條件下從

2、一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。而在轉(zhuǎn)換定的條件下從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。而在轉(zhuǎn)換中，能量的總量恒定不變中，能量的總量恒定不變。至今為止，沒有一個人提出一個事實不符合這條自然規(guī)律的，相反，在各個領(lǐng)域：天文、地理、生物、化學(xué)、電磁光、宏觀、微觀各領(lǐng)域都遵循 這條規(guī)律。熱力學(xué)是研究能量及其特性的科學(xué)，它必然要遵循這條規(guī)律。熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱力學(xué)中的應(yīng)用，它確定了熱力過程中各種能量在數(shù)量上的相互關(guān)系。在工程熱力學(xué)的范圍內(nèi)，主要考慮熱能與機械能之間的相互轉(zhuǎn)換與守恒，因此熱力學(xué)第一定律可表述為：熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊幔谙嗷マD(zhuǎn)變時能的總量是不變的。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，為了獲得機械

3、能，則必須花費熱能或其他形式能量，第一類永動機是不可能實現(xiàn)的。22熱力學(xué)能和總能能量是物質(zhì)運動的度量，運動有各種不同的形態(tài)，相應(yīng)的就有各種不同的能量。系統(tǒng)儲存的能量稱為儲存能，它有內(nèi)部儲存能與外部儲存能之分。系統(tǒng)的內(nèi)部儲存能即為熱力學(xué)能一、熱力學(xué)能熱力學(xué)能是儲存在系統(tǒng)內(nèi)部的能量，它與系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的內(nèi)部粒子的微觀運動和粒子的空間位置有關(guān)，是下列各種能量的總和：分子熱運動形成的內(nèi)動能。它是溫度的函數(shù)。分子間相互作用形成的內(nèi)位能。它是比體積和溫度的函數(shù)。維持一定分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)能、原子核內(nèi)部的原子能及電磁場作用下的電磁能等。熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)，是熱力狀態(tài)的單值函數(shù)：01221dUUUdUU熱力學(xué)能：符號

4、：U法定計量單位：焦耳（J）比熱力學(xué)能：（1kg物質(zhì)的熱力學(xué)能）符號：u單位：J/kg二、外部儲存能需要用在系統(tǒng)外的參考坐標系測量的參數(shù)來表示的能量，稱為外部儲存能，它包括系統(tǒng)的宏觀動能和重力位能：221fkmcE mgzEp重力位能：宏觀動能：三、系統(tǒng)的總儲存能（簡稱總能）系統(tǒng)的總儲存能為系統(tǒng)的內(nèi)部儲存能與外部儲存能之和，用E表示：mgzmcUEf2211kg工質(zhì)的總能為比總能：gzcuef22123能量的傳遞與轉(zhuǎn)化一、作功與傳熱作功和傳熱是能量傳遞的兩種方式，因此功量與熱量都是系統(tǒng)與外界所傳遞的能量，而不是系統(tǒng)本身的能量，其值并不由系統(tǒng)的狀態(tài)確定，而是與傳遞時所經(jīng)歷的具體過程有關(guān)。所以，功

5、量和熱量不是系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，而是與過程特征有關(guān)的過程量，稱為遷移能。作功：借作功來傳遞能量總是和物體的宏觀位移有關(guān)。作功過程中往往伴隨著能量形態(tài)的變化。傳熱：借傳熱來傳遞能量不需要物體的宏觀移動。傳熱是相互接觸的物體間存在溫差時發(fā)生的能量傳遞過程。工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動而傳遞的功，叫推動功。二、推動功和流動功mpvpVlpAn在作推動功時，工質(zhì)的狀態(tài)沒有改變（如圖中的C點），因此推動功不會來自系統(tǒng)的儲存能熱力學(xué)能，而是系統(tǒng)以外的物質(zhì)，這樣的物質(zhì)稱為外部功源。n工質(zhì)在傳遞推動功時只是單純地傳遞能量，像傳輸帶一樣，能量的形態(tài)不發(fā)生變化。工質(zhì)在流動時，總是從后面獲得推動功，而對前面作出推動功，進出系統(tǒng)

6、的推動功之差稱為流動功（也是系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動所需的功）。)()(11221122pvvpvpwpVVpVpWff工質(zhì)從進口到出口，從狀態(tài)1膨脹到狀態(tài)2，膨脹為為w ，在不計工質(zhì)的動能與位能變化時，開系與外界交換的功量應(yīng)為膨脹功與流動功之差w - ( pv )24焓一、焓的定義： pvuhpVUH焓的單位：J，比焓的單位：J/kg二、焓是狀態(tài)參數(shù)0),(),(),(12212121dhhhdhhhvTfhTpfhvpfhba三、焓的意義：焓是物質(zhì)進出開口系統(tǒng)時帶入或帶出的熱力學(xué)能與推動功之和，是隨物質(zhì)一起轉(zhuǎn)移的能量。焓是一種宏觀存在的狀態(tài)參數(shù)，不僅在開口系統(tǒng)中出現(xiàn)，而且在分析閉口系統(tǒng)時，它同樣

7、存在。25熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式熱力學(xué)第一定律的能量方程式就是系統(tǒng)變化過程中的能量平衡方程式，任何系統(tǒng)、任何過程均可根據(jù)以下原則建立能量方程式：進入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)中儲存能量的增加一、閉口系統(tǒng)的能量方程閉口系統(tǒng)的能量方程是熱力學(xué)第一定律在控制質(zhì)量系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，是熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式。設(shè)閉系中工質(zhì)從外界吸熱Q后，從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，同時對外作功W，則：EEEWQ12WEQ此式就是閉口系的能量方程式。對于控制質(zhì)量閉口系來說，常見的情況在狀態(tài)變化過程中，系統(tǒng)的宏觀動能與位能的變化為零，或可以忽略不計，因此更見的閉口系的能量方程是：WUQ若閉口系經(jīng)過一個微元過程，則

8、能量方程為微分形式：WdUQ對于1kg工質(zhì)，能量方程式為：wduqwuq對于循環(huán)：WQdUWdUQ0以上各能量方程式適用于閉系各種過程（可逆或不可逆）及各種工質(zhì)（理想氣體、實際氣體或液體）閉系能量方程總結(jié)：WUQWdUQwduqwuqm kg工質(zhì)經(jīng)過有限過程m kg工質(zhì)經(jīng)過微元過程1 kg工質(zhì)經(jīng)過有限過程1 kg工質(zhì)經(jīng)過微元過程二、閉系能量方程的應(yīng)用v例題21一個裝有2kg工質(zhì)的閉口系經(jīng)歷了如下過程：過程中系統(tǒng)散熱25kJ，外界對系統(tǒng)做功100KJ，比熱力學(xué)能減小15KJ/kg，并且整個系統(tǒng)被舉高1000m。試確定過程中系統(tǒng)動能的變化。v例題22如圖所示活塞面積A為4cm2，體積為20cm3的

9、氣缸內(nèi)充滿壓力為0.1MPa、溫度20C的空氣，彈簧剛度系數(shù)k為100N/cm，初始時彈簧未變形。緩慢地對空氣加熱，求當空氣壓力增加到表壓力為0.2MPa時共需加入多少熱量。 （大氣壓力p0=0.1MPa ，u=0.707 T KJ/Kg，且滿足狀態(tài)方程PV=mRgT）26開口系統(tǒng)能量方程式實際熱力設(shè)備中實施的能量轉(zhuǎn)換往往是工質(zhì)在熱力裝置中循環(huán)不斷地流經(jīng)各相互銜接的熱力設(shè)備，完成不同的熱力過程后才能實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。因此分析這類熱力設(shè)備時，常采用開口系即控制容積的分析方法。工質(zhì)在設(shè)備內(nèi)流動時，在同一截面上參數(shù)近似地看作是均勻的。并認為同一截面上各點流速一致。一、開口系能量方程有m1的微元工質(zhì)流入進

10、口截面11，有m2的微元工質(zhì)流出出口截面22系統(tǒng)從外界接受熱量Q系統(tǒng)對機器作內(nèi)部功Win圖中的開口系在 dt 時間內(nèi)進行了一個微元過程：Wi表示工質(zhì)在機器內(nèi)部對機器所作的功，而軸功Ws為Wi的有用功部分，兩者的差為機器各部分的摩擦損失。 進入系統(tǒng)的能量 離開系統(tǒng)的能量 控制容積系統(tǒng)儲存能量的增加量QdVpdE111CVidEWdVpdEQdVpdE)()(222111iCVWdVpdEdVpdEdEQ)()(111222CVdEiWdVpdE222進入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)儲存能量的增加量iffCVWmgzchmgzchdEQ112112222222此式為開口系能量方程的一般表達式pvu

11、hgzcuemvVmeEf,21,2iiininfjoutoutfCVWmgzchmgzchdEQ2222 進、出系統(tǒng)的工質(zhì)有若干股，則方程為：n開口系能量方程的其他形式：為內(nèi)部功率為質(zhì)量流率為熱流率其中，imiinminfjoutmoutfCVdqdPqgzchqgzchddEPmQ22,2,2ttt以流率表示的開口系能量方程：二、穩(wěn)定流動能量方程所謂穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動，即流動過程中開口系內(nèi)部及其邊界上各點工質(zhì)的熱力參數(shù)及運動參數(shù)都不隨時間而變。mmmCVqqqddE21, 0t能量方程則可寫成：ifwzgchq221此方程為流過開口系1kg流體的穩(wěn)定流動的能量方程。ifwgdzdcdhq22

12、1其微分形式為：若流過開口系m kg流體的穩(wěn)定流動的能量方程及其微分形式為：ifWzmgcmHQ221ifWmgdzmdcdHQ221三、穩(wěn)定流動能量方程式的分析ifwzgchq221此三項為機械能，是技術(shù)上可資利用的功，稱為技術(shù)功，用表示twtwhq)()(pvwpvuqhqwt21212121)()(vdppvdpdvpvpdvwt 對于可逆過程： 微分形式：vdpwt以技術(shù)功的形式表達穩(wěn)定流能量方程ttttWdHQWHQwdhqwhqVdpdHQVdpHQvdpdhqvdphq2121一般形式過程可逆思考題q開口系實施穩(wěn)定流動過程，是否同時滿足下列三式：iftWmgdzmdcdHQWdH

13、QWdUQ22127能量方程式的應(yīng)用一、開口系穩(wěn)定流能量方程在幾種常見熱力設(shè)備中的應(yīng)用動力機tiwhhw21壓氣機換熱器ticwhhww1212hhq管通節(jié)流212122)(21hhccff21hh v某燃氣輪機裝置如圖所示，已知壓氣機進口處空氣的比焓h1為290kJ/kg。經(jīng)壓縮后空氣升溫使比焓增為h2=580kJ/kg，在截面2處空氣和燃料的混合物以cf2=20m/s的速度進入燃燒室，在定壓下燃燒，使工質(zhì)吸入熱量q=670kJ/kg。燃燒后燃氣進入噴管絕熱膨脹到狀態(tài)3，h3=800kJ/kg，流速增加到cf3，此燃氣進入動葉片，推動轉(zhuǎn)輪回轉(zhuǎn)作功。若燃氣在動葉片中的熱力狀態(tài)不變，最后離開燃氣輪機的速度cf4=100m/s，求：若空氣流量為100kg/s，壓氣機消耗的功率為多少？若燃氣的發(fā)熱值qB=43960kJ/kg，燃料的耗量為多少？燃氣噴管出口處的流速是多少？燃氣輪機的功率為多少？燃氣輪機裝置的總功率為多少？二、一般開口系能量方程的應(yīng)用充氣問題在充、放氣過程中，容器內(nèi)氣體的狀態(tài)隨時間在不斷變化，但在每一瞬間可以認為整個容器內(nèi)各處的參數(shù)是一致的。另外在充氣過程中，雖然流動情況隨時間變化，但可認為通過容器邊界進入容器的氣體進口狀態(tài)不隨時間變化，這種充氣