熱工基礎(chǔ)課件2

1、第一篇 工程熱力學(xué)本章主要內(nèi)容F熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)F系統(tǒng)儲存能F閉口系能量方程F狀態(tài)參數(shù)焓F開口系統(tǒng)能量方程及其應(yīng)用本章基本要求1掌握熱力系儲存能的概念，掌握狀態(tài)參數(shù)熱力學(xué)能、焓的定義及物理意義；2深刻理解熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)，并能熟練運用熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達式（即能量方程）對閉口系能量交換進行分析及計算；3理解穩(wěn)定流動的特點及開口系與閉口系在能量分析上的區(qū)別，并能熟練運用穩(wěn)定流動的能量方程式對工程問題進行能量轉(zhuǎn)換的分析和計算；4了解膨脹（壓縮）功、軸功、技術(shù)功、流動功之間的聯(lián)系與區(qū)別。2-1 熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)熱力學(xué)第一定律的實質(zhì) 19世紀(jì)30-40年代，邁爾焦耳（德國醫(yī)生）發(fā)現(xiàn)并確

2、定了能量轉(zhuǎn)換與守恒定律。恩格斯將這列為19世紀(jì)三大發(fā)現(xiàn)之一。 能量轉(zhuǎn)換與守恒定律定律指出：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。 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。（細(xì)胞學(xué)說、達爾文進化論）2-1 熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)熱力學(xué)第一定律的實質(zhì) 實質(zhì)：熱力學(xué)第一定律是能量轉(zhuǎn)換和守恒定律在熱力學(xué)上的應(yīng)用。 意義：確定了熱能和機械能之間的相互轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系，

3、是工程熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)之一，是熱工分析與計算的理論依據(jù)。 表述：熱可以變?yōu)楣Γσ部梢宰優(yōu)闊?，在相互轉(zhuǎn)變時能的總量是不變的。熱力學(xué)第一定律又稱為當(dāng)量定律。 當(dāng)量定律：功和熱量的當(dāng)量關(guān)系可表示為： QAW 式中 A功熱當(dāng)量表示單位功所相當(dāng)?shù)臒崃?。相?dāng)相當(dāng)熱熱 功功工程上，常采用kwh(干瓦時)作為功的單位， 熱量的單位為KJ則： A=3600KJ/ (kwh)； 國際單位制中，功和熱量的單位相同則A1。第一類永動機思考? 第一類永動機：不消耗能量而能對外連續(xù)作功的機器；實踐證明是不可能實現(xiàn)的。 故熱力學(xué)一定律也可表述為：“第一類永動機是永遠(yuǎn)也造不成的”。 各種永動機問題長期困擾著科技界與社會。

4、第二類永動機從單一熱源取熱，并將其全部轉(zhuǎn)變機械功的機器（或：熱效率等于100%的機器）（有關(guān)問題在第四章課中將詳細(xì)討論）。 長期以來一直有人在追求、研究各種形式的永動機，無一有所收獲。希望同學(xué)們樹立正確的思想方法，既要有懷疑精神，也不要誤入歧途。 下面看幾個第一類永動機的幾個例子:永動機設(shè)想？Q鍋鍋爐爐汽輪機汽輪機發(fā)電機發(fā)電機給水泵給水泵凝凝汽汽器器WnetQout電電加加熱熱器器永動機設(shè)想？02-熱力學(xué)第一定律 SCH9第一類永動機02-熱力學(xué)第一定律 SCH10第一類永動機永動機設(shè)想?02-熱力學(xué)第一定律 SCH12第二類永動機設(shè)想？飲水鳥，利用液體揮發(fā)降溫實現(xiàn)動作，也是需要存在溫差的（飲

5、水鳥的兩端存在溫差），因而不是第二類永動機。永動機設(shè)想？機機氫氣發(fā)動機氫氣發(fā)動機水分解裝置水分解裝置取回部分功量驅(qū)動水分解取回部分功量驅(qū)動水分解裝置裝置wH2水水2-2 系統(tǒng)儲存能能量是物質(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。系統(tǒng)儲存能系統(tǒng)儲存能內(nèi)部儲存能(微觀)（熱力學(xué)能即內(nèi)能）外部儲存能(宏觀)（宏觀機械能）一、熱力學(xué)能(內(nèi)能)1、概念：熱力學(xué)能是儲存在系統(tǒng)內(nèi)部的各種微觀能量的總稱，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). 熱力學(xué)能(內(nèi)能) 符號：U，法定計量單位

6、：焦耳（J） 比熱力學(xué)能(比內(nèi)能)（1kg物質(zhì)的熱力學(xué)能） ： 符號：u，單位：J/kg增加熱力學(xué)能的兩種方法:做功和傳熱一、熱力學(xué)能(內(nèi)能)2、微觀組成：內(nèi)動能：分子熱運動（移動、轉(zhuǎn)動、振動）形成的內(nèi)動能。它是溫度的函數(shù)。內(nèi)位能：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)。其它能：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。注意：工程熱力學(xué)中只存在內(nèi)動能和內(nèi)位能。所以有：u=f(T,v)一、熱力學(xué)能（內(nèi)能）3、熱力學(xué)能特性熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)，是熱力狀態(tài)的單值函數(shù)；其變化量與過程特性無關(guān)，只與初、終狀態(tài)有關(guān)；對理想氣體,熱力學(xué)能只與工質(zhì)的溫度有關(guān)。012112

7、2112badUUUdUU12122121UUUUUba211221UUUU注意：注意：pv12ab0物體的內(nèi)能與機械能的區(qū)別1能量的形式不同。物體的內(nèi)能和物體的機械能分別跟兩種不同的運動形式相對應(yīng)，內(nèi)能是由于組成物體的大量分子的熱運動及分子間的相對位置而使物體具有的能而機械能是由于整個物體的機械運動及其與它物體間相對位置而使物體具有的能。 2決定能量的因素不同。內(nèi)能只與物體的溫度和體積有關(guān)，而與整個物體的運動速度路物體的相對位置無關(guān)機械能只與物體的運動速度和跟其他物體的相對位置有關(guān)，與物體的溫度體積無關(guān)。 3一個具有機械能的物體，同時也具有內(nèi)能；一個具有內(nèi)能的物體不一定具有機械能。二、外部儲

8、存能二、外部儲存能需要用在系統(tǒng)外的參考坐標(biāo)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：宏觀動能： m 物體質(zhì)量；c 運動速度重力位能： Z 相對于系統(tǒng)外的參考坐標(biāo)系的高度221mcEkmgzEp系統(tǒng)總儲存能系統(tǒng)總儲存能( (E E)=)=熱力學(xué)能熱力學(xué)能( (U U)+)+外儲存能外儲存能( (E Ek k+ +E Ep p) )單位質(zhì)量工質(zhì)的比儲存能：單位質(zhì)量工質(zhì)的比儲存能：gZcue221比儲存能為狀態(tài)參數(shù)，對于沒有宏觀運動且相對高度為零的系統(tǒng)，總儲存能就等于熱力學(xué)能， 即：e=u 或 E=U三、系統(tǒng)的總儲存能mgZmcUEEUEPK2212-3 閉口系能量方

9、程式 閉口系：系統(tǒng)與外界沒有物質(zhì)交換，傳遞能量只有熱量和功量兩種形式。在熱力過程中（如圖）系統(tǒng)從外界熱源取得熱量Q；對外界做膨脹功W；=進入進入系統(tǒng)的系統(tǒng)的能量能量離開離開系統(tǒng)系統(tǒng)的能量的能量系統(tǒng)內(nèi)部儲存系統(tǒng)內(nèi)部儲存能量的變化能量的變化- -能量平衡關(guān)系式：W WQ QEEEWQ12對于不做整體移動的閉口系，系統(tǒng)宏觀動能和位能均無變化，有：（E=U），故WUQ對微元過程WdUQ單位質(zhì)量wduq熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的根本途徑熱力系吸收的能量增加系統(tǒng)的熱力學(xué)能對外膨脹作功EEEWQ12wuq 一定質(zhì)量對微元過程2-3 閉口系能量方程式第一定律基本表達式的符號規(guī)定WUQ+系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱系統(tǒng)放熱

10、內(nèi)能增加內(nèi)能增加內(nèi)能減少內(nèi)能減少系統(tǒng)對外界做功系統(tǒng)對外界做功外界對系統(tǒng)做外界對系統(tǒng)做功功QW12UUUWQwuq 對可逆過程，上述一定律的表達式也可表示為下列各式(只適用于可逆過程)：注意：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）21pdvw21pdVUQ21pdVdUQ21pdvuq21pdvduq一定一定質(zhì)量質(zhì)量單位單位質(zhì)量質(zhì)量一定一定過程過程微元微元過程過程pdVpdv例題分析 例2-1：氣體在某一過程中吸收的熱量為50J，同時熱力學(xué)能增加了84J，問此過程是膨脹過程還是壓縮過程?作功量為多少? 解：根據(jù)題意，有 Q=50J，U=84J，由

11、閉口系能量方程式，可得: W=Q-U=50-84=-34J0可見，此過程為壓縮過程，外界對氣體作功34J。 例題分析 例2-2：一閉口系從狀態(tài)1沿1-2-3途徑到狀態(tài)3,傳遞給外界的熱量為47.5kJ,而系統(tǒng)對外作功為30kJ,如圖所示。(1)若沿1-4-3途徑變化時,系統(tǒng)對外作功15kJ,求過程中系統(tǒng)與外界的傳熱量；(2)若系統(tǒng)從狀態(tài)3沿圖示曲線途徑到達狀態(tài)1,外界對系統(tǒng)作功6kJ，求該過程中系統(tǒng)與外界傳遞的熱量；(3)若U2 =175kJ, U3 =87.5kJ,求過程2-3傳遞的熱量及狀態(tài)1的熱力學(xué)能。 解：對途徑1-2-3，由閉口系能量方程式得 U123=U3-U1=Q123-W123

12、=-47.5-30=-77.5kJ（1）對途徑1-4-3，由閉口系能量方程式得 Q143=U143+W143 而U143=U123=-77.5kJ，故 Q143=-77.5+15=-62.5kJ （說明系統(tǒng)向外界放熱）pv1234（2）對途徑3-1，由閉口系能量方程式得 Q31=U31+W31=-U123+W31 =77.5+(-6)=71.5kJ （說明系統(tǒng)從外界吸熱）（3）對途徑2-3，有W23=0，則 Q23=U23+W23=U3-U2 =87.5-175=-87.5kJ U1=U3-U123=87.5-(-77.5)=165kJ2-4 狀態(tài)參數(shù)焓 在熱力設(shè)備中，工質(zhì)的吸熱和作功過程往往

13、伴隨著工質(zhì)的流動而進行。除了熱和功交換外，還有物質(zhì)交換，并且由于物質(zhì)交換引起其它能量的交換；此時熱力系屬開口系。 如火力發(fā)電廠中，給水在鍋爐各受熱面用加熱器中的吸熱過程；蒸汽在汽輪機中的作功過程等。如推動功。一、推動功與流動凈功1、推動功：工質(zhì)在流過熱力設(shè)備時，必須受外力推動，這種推動工質(zhì)流動而作的功稱為推動功（流動功、推進功）。 W推推 = p A h = pV=mpv 單位質(zhì)量流動功：單位質(zhì)量流動功：w推推= pv注意：不是 pdv,，v 沒有變化；推動功不是工質(zhì)本身具有的能量，它是用來維持工質(zhì)流動的，是伴隨工質(zhì)流動而帶入和帶出的能量。對推動功的理解1 1、與宏觀流動有關(guān)，流動停止，推進功

14、不存在；、與宏觀流動有關(guān)，流動停止，推進功不存在；2 2、作用過程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，無狀態(tài)變、作用過程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，無狀態(tài)變化；化；3 3、ww推推pvpv與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量4 4、并非工質(zhì)本身的能量（動能、位能）變化引起，、并非工質(zhì)本身的能量（動能、位能）變化引起，而由外界（泵與風(fēng)機）做出，流動工質(zhì)所攜帶而由外界（泵與風(fēng)機）做出，流動工質(zhì)所攜帶的能量的能量可理解為：由于工質(zhì)的進出，外界與系統(tǒng)之間可理解為：由于工質(zhì)的進出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機械功，表現(xiàn)為流動工質(zhì)進出系所傳遞的一種機械功，表現(xiàn)為流動工質(zhì)進出系統(tǒng)使所攜帶和所傳遞的一種能量統(tǒng)使所

15、攜帶和所傳遞的一種能量2、流動凈功 流動凈功：對于有同時有工質(zhì)進出的開口系，系統(tǒng)與外界交換的推動功的差值，稱為流動凈功。流動凈功可視為由于工質(zhì)的進出，系統(tǒng)與外界傳遞的能量。流動功與流動凈功動畫對單位質(zhì)量：wf=(pv)二、焓 對于mm千克工質(zhì)： pVUH焓焓=內(nèi)能內(nèi)能+流動功流動功 2 2、焓的物理意義：、焓的物理意義：（1 1）對流動工質(zhì)）對流動工質(zhì)( (開口系統(tǒng)開口系統(tǒng)) )，表示沿流動方向傳遞，表示沿流動方向傳遞的總能量中，取決于熱力狀態(tài)的那部分能量的總能量中，取決于熱力狀態(tài)的那部分能量. .思考：思考：對理想氣體 有：h= u+RgT= f (T) 對于1 1千克工質(zhì)：h=u+ p v

16、（2 2）對不流動工質(zhì)）對不流動工質(zhì)( (閉口系統(tǒng)閉口系統(tǒng)) )，焓只是一個復(fù)合狀，焓只是一個復(fù)合狀態(tài)參數(shù)，態(tài)參數(shù)，1 1、焓的定義式：、焓的定義式：單位：J或kJ單位：J/kg或kJ/kg焓只與狀態(tài)參數(shù)u,p,v有關(guān)，它也是狀態(tài)參數(shù)2-5 開口系穩(wěn)定流動的能量方程開口系穩(wěn)定流動的能量方程及其應(yīng)用及其應(yīng)用穩(wěn)定流動概念：開口系統(tǒng)內(nèi)任意各點工質(zhì)的熱力狀態(tài)參數(shù)和運動參數(shù)都不隨時間而變化的流動過程。如：電廠中的熱力設(shè)備（汽輪機、加熱器等），除啟動、停止或者加減負(fù)荷外，大部分時間是在外界影響不變的條件下穩(wěn)定運行的，可以認(rèn)為處于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定流動狀態(tài)。穩(wěn)定流動必須滿足以下條件：（1）系統(tǒng)內(nèi)及邊界各點工質(zhì)的狀態(tài)不

17、隨時間變化；（2）系統(tǒng)內(nèi)各流通截面上工質(zhì)的質(zhì)量流量相等，且不隨時間而變，滿足質(zhì)量守恒；即qm1=qm2=qm。（3）系統(tǒng)內(nèi)儲存的能量保持不變，即單位時間內(nèi)輸入系統(tǒng)的能量應(yīng)等于從系統(tǒng)輸出的能量，即E=0。 一、穩(wěn)定流動的能量方程一、穩(wěn)定流動的能量方程在單位時間內(nèi)有 mkg工質(zhì)帶入系統(tǒng)的能量：（1）焓H1=U1+P1V1（2）宏觀動能（3）重力位能mgz1（4）外界加入熱量Q mkg工質(zhì)帶出的能量有： （1）焓H2=U2+P2V2（2）宏觀動能（3）重力位能mgz2（4）系統(tǒng)對外輸出軸功WS 2121mcWsQP1 v1 H1c1c2z1z2P2 v2 H22221mc)2(1211gzchmQ離

18、開系統(tǒng)的總能量： )2(2222gzchmWs由于是穩(wěn)定流動，系統(tǒng)儲存能的變化量E=0。代入能量平衡方程式，可得開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程： sWzzgcchhmQ)()(21)(12212212單位質(zhì)量工質(zhì)： swzgchq221進入系統(tǒng)的總能量：此方程適用于任何工質(zhì)、任何穩(wěn)定流動過程；由此可知：系統(tǒng)從外界吸收的熱量，一部分用于增加工質(zhì)的焓；一部分用增加工質(zhì)的動能和位能；其于用于對外輸出軸功。1、技術(shù)功：在上式中，后三項實際上都屬于機械能，工程上可直接利用的功；故把此三項合并在一起稱技術(shù)功（Wt）。單位質(zhì)量工質(zhì)技術(shù)功： stwzgcw221故開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程還可以寫為：twhq壓力變

19、化是技術(shù)功的標(biāo)志。壓力變化是技術(shù)功的標(biāo)志。二、技術(shù)功vdpwt2、技術(shù)功的計算式：坐標(biāo)上的投影面積過程線在pvdpwt21w wt tswzgchq2213、膨脹功、技術(shù)功、軸功間的關(guān)系由穩(wěn)定流動能量方程可得：tswpvwZgcpvuq221)(再由閉口系能量方程有：q-u=w所以：tswpvwZgcpvw221)(u在閉口系中，工質(zhì)的體積變化功直接表現(xiàn)為對外膨脹做功，而在開口穩(wěn)流系統(tǒng)中，工質(zhì)的體積變化功為：維持工質(zhì)流動所必須支付的流動凈功、工質(zhì)本身動能和位能的增加、對外輸出的軸功。u當(dāng)不計動能和位能變化時，技術(shù)功就等于軸功。u由此可見：技術(shù)功是由熱能轉(zhuǎn)換所得的體積變化功扣除流動凈功后得到的。

20、sstwwzgcw221不計動能和不計動能和位能變化時位能變化時膨脹功與技術(shù)功動畫膨脹功與技術(shù)功動畫常見的穩(wěn)流裝置三、穩(wěn)定流動能量方程應(yīng)用舉例1、熱力發(fā)動機熱力發(fā)動機（汽輪機、燃?xì)廨啓C等）是將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的設(shè)備，在正常運行時，其內(nèi)部工質(zhì)的流動可視為穩(wěn)定流動。動畫特點：0212122cc012ZZg0qs12212212)()(21)(wzzgcchhq21shhwwt故有：可見：工質(zhì)在熱機對所作的功等于熱機進出口工質(zhì)的可見：工質(zhì)在熱機對所作的功等于熱機進出口工質(zhì)的焓的減少，這時的軸功就是技術(shù)功。焓的減少，這時的軸功就是技術(shù)功。三、穩(wěn)定流動能量方程應(yīng)用舉例2、換熱器s12212212)()(

21、21)(wzzgcchhq特點：特點：0sw0212122cc012ZZg故有：12hhq可見：工質(zhì)在換熱設(shè)備中流動時，吸收的熱量等于其焓可見：工質(zhì)在換熱設(shè)備中流動時，吸收的熱量等于其焓的增加。的增加。換熱器是實現(xiàn)兩種流體熱量交換的設(shè)備，電廠中的換熱設(shè)備有：鍋爐及各受熱面（過熱器、再熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器等）、回?zé)峒訜崞?、凝汽器、冷油器等。動畫電廠高加三、穩(wěn)定流動能量方程應(yīng)用舉例3、泵與風(fēng)機 泵與風(fēng)機是輸送工質(zhì)的設(shè)備，并消耗軸功以提高工質(zhì)的壓力，如電廠中的給水泵、循環(huán)水泵、送（引）風(fēng)機等。動畫 特點： s12212212)()(21)(wzzgcchhq0212122cc012ZZg0q12

22、shhwwt可見：泵現(xiàn)風(fēng)機對工質(zhì)所作的功等于工質(zhì)進口工質(zhì)的焓可見：泵現(xiàn)風(fēng)機對工質(zhì)所作的功等于工質(zhì)進口工質(zhì)的焓的增加，這時的軸功就是技術(shù)功。的增加，這時的軸功就是技術(shù)功。w wh h2 2h h1 14 4、噴管、噴管( (動畫動畫) )5 5、絕熱節(jié)流、絕熱節(jié)流( (動畫動畫) ) 0sw0q0q0sw12zz 12cc 所以有：所以有：)(21212221cchh12hh 特點：特點：特點：特點：所以有：所以有：s12212212)()(21)(wzzgcchhq12zz 工質(zhì)動能的增加等于其焓的減少工質(zhì)絕熱前后焓值相等，但不是等焓過程三、穩(wěn)定流動能量方程應(yīng)用舉例例題分析 例2-3： 已知汽輪機進口水蒸汽焓為h13230KJ/Kg，流速c150m/s；出口水蒸汽焓為h22300KJ/Kg，流速c2120m/s。蒸氣的質(zhì)量流量qm6