工程熱力學(xué)課件：02章：熱力學(xué)第一定律

1、2-1 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)2-2 熱力學(xué)能和總能2-3 能量的傳遞和轉(zhuǎn)化2-4 焓2-5 熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式2-6 開(kāi)口系統(tǒng)能量方程式2-7 能量方程式的應(yīng)用第二章 熱力學(xué)第一定律課件目錄 熱力學(xué)第一定律是能量守衡定律在熱力學(xué)的表述。即 “熱是能的一種，機(jī)械能變熱能、或熱能變機(jī)械能時(shí)，它們之間的比值是一定的?！?或者 “熱可以變?yōu)楣Γσ部梢宰優(yōu)闊?。在熱能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換時(shí)，一定量的熱消失時(shí)必產(chǎn)生相應(yīng)量的功；消耗一定量的功時(shí)必出現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)的一定量的熱?！?在發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的過(guò)程中，熱工當(dāng)量的發(fā)現(xiàn)（焦耳等）具有重要的歷史意義，但由于熱量和功的單位現(xiàn)在已經(jīng)統(tǒng)一為焦耳（其值變?yōu)?

2、），所以在計(jì)算中它已經(jīng)沒(méi)有必要出現(xiàn)了。 2-1 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)一、熱力學(xué)能 熱力學(xué)能包括： 內(nèi)動(dòng)能（分子熱運(yùn)動(dòng)引起的） 內(nèi)位能（分子間的相互作用力引起的） 化學(xué)能、核能和電磁能等。 本課所講的熱力學(xué)能主要包括內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)位能。 熱力學(xué)能用U (u)表示，單位是焦耳J (J/kg)。 熱力學(xué)能是個(gè)狀態(tài)參數(shù)，即： 2-2 熱力學(xué)能和總能（2-1）二、總能 系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能和外部?jī)?chǔ)存能的總和，即 熱力學(xué)能與宏觀運(yùn)動(dòng)能及位能的總和，稱(chēng)作總儲(chǔ)存能，簡(jiǎn)稱(chēng)總能。總能 E (e)、動(dòng)能Ek (ek)、位能 Ep (ep) 。它們間的關(guān)系為： （2-2）（2-2a）一、作功和傳熱 能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物

3、體的兩種方式。做功總和物體的宏觀位移有關(guān)。傳熱就不需要有物體的宏觀移動(dòng)。二、推動(dòng)功和流動(dòng)功 因工質(zhì)在開(kāi)口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功，叫推動(dòng)功（pv）。推動(dòng)功只有在工質(zhì)流動(dòng)時(shí)才起作用。2-3 能量的傳遞和轉(zhuǎn)化流動(dòng)功 ：系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動(dòng)所需要的功，可定義為進(jìn)出口的推動(dòng)功之差。如圖：技術(shù)功 ：開(kāi)口系統(tǒng)技術(shù)上可資利用的機(jī)械能之和，是膨脹功與流動(dòng)功之差。 圖2-1 推動(dòng)功（2-3）（2-4）p1,v1112 2p2,v2對(duì)于可逆過(guò)程有：圖22 可逆過(guò)程的技術(shù)功（2-4a）根據(jù)上式可在p-v圖上表示可逆過(guò)程的技術(shù)功，如右圖中的曲邊梯形面積 f-1-2-g-f 所示。pv21fg2-4 焓 焓: 比焓定義為：

4、焓是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，它可以表示成另外兩個(gè)獨(dú)立 狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)，即 （2-5）（2-6）（2-7）2-5 熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式1.進(jìn)入系統(tǒng)的能量 - 離開(kāi)系統(tǒng)的能量 = 系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量 的增加： 或 2.第一定律的第一解析式的微元形式是:對(duì)于1kg工質(zhì),則有: ，3.式中熱量 ，熱力學(xué)能變量 和功 都是代數(shù)值， 可正可負(fù)。（2-8） 如圖2 2所示，一定量氣體在氣缸內(nèi)體積由0.9 m3可逆（？）地膨脹到 1.4m3，過(guò)程中氣體壓力保持定值，且 。若在此過(guò)程中氣體熱力學(xué)能增加12,000 J，試求： （1）此過(guò)程中氣體吸入或放出的熱量。 （2）若活塞質(zhì)量為20 kg，且初始時(shí)活塞靜止，求

5、終態(tài)時(shí)活塞的速度。已知環(huán)境壓力p00.1 MPa。pp例 2 -1圖2-2 例2-1附圖解: （1）取氣缸內(nèi)的氣體為一熱力系統(tǒng)。這是閉口系統(tǒng)，其能量方程式為： Q = U + W由題意知： U = U2 U1 = 12,000 J由于過(guò)程可逆，且壓力為常數(shù)，故因此即過(guò)程中氣體自外界吸熱112 000 J。 （2）氣體對(duì)外界作的功有兩部分功用，一是用于排斥活塞背面的大氣（Wr），另一部分（Wu）轉(zhuǎn)變成活塞的動(dòng)能增量。其中前者為： 例題索引2-6 開(kāi)口系統(tǒng)能量方程式一、開(kāi)口系統(tǒng)能量方程考察微元過(guò)程的能量平衡進(jìn)入系統(tǒng)的能量 dE1p1dV1Q離開(kāi)系統(tǒng)的能量 dE2p2dV2Wi控制體積的儲(chǔ)存能增量

6、dECV圖2-3 開(kāi)口系統(tǒng)能量平衡p1 , cf1z1dV1z2Wip2 , cf22211Q控制體積CV界面基準(zhǔn)線dV2e1e2 式中 dEcv、 、qm 、Pi 分別為控制容積內(nèi)總能的增量、熱流率、質(zhì)流率和內(nèi)部功率。（2-9）（2-10）二、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程 若流動(dòng)過(guò)程中開(kāi)口系統(tǒng)內(nèi)部及其邊界上各點(diǎn)工質(zhì)參數(shù)（熱力及運(yùn)動(dòng)）都不隨時(shí)間而變，這種流動(dòng)過(guò)程稱(chēng)為穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程。 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程可寫(xiě)作： 此式即為熱力學(xué)第一定律的第二解析式。其中技術(shù)功：（2-11） 熱力學(xué)第一定律的解析式在形式上雖有不同，但由熱功轉(zhuǎn)換的實(shí)質(zhì)是一致的，都是能量守恒定律在熱力學(xué)和熱力工程上的體現(xiàn)。 從熱功互換角度來(lái)看，第一解

7、析式反映出熱力過(guò)程中熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，是各種熱動(dòng)力設(shè)備實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出的理論核心，是最基本的能量方程。三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的分析2-7 能量方程式的應(yīng)用一、動(dòng)力機(jī)圖2-4 動(dòng)力機(jī)能量平衡 熱力學(xué)第一定律的能量方程式在工程上應(yīng)用很廣，而工程中的熱力設(shè)備工作時(shí)多為開(kāi)口系統(tǒng)，因此這里主要介紹第二解析式的應(yīng)用。h112h2wi圖2-5 壓氣機(jī)能量平衡二、壓氣機(jī)h221h1wc三、換熱器四、管道h2h1q圖2-6 換熱器能量平衡圖2-7 噴管能量轉(zhuǎn)換Cf1,h1Cf2,h2五、節(jié)流圖2-8 節(jié)流現(xiàn)象h1h21122 已知新蒸汽流入汽輪機(jī)時(shí)的焓h1=3232 kJ/kg，流速 cf1=50 m/s；乏汽流

8、出汽輪機(jī)時(shí)的焓h2=2302kJ/kg，流速cf2=120 m/s。散熱損失和位能差可略去不計(jì)。試求： （1）每千克蒸汽流經(jīng)汽輪機(jī)時(shí)對(duì)外界所作的功。 （2）若蒸汽流量是10t/h，求汽輪機(jī)的功率。例 2-2解: 由式（2-16） 根據(jù)題意，q = 0 , z2z1=0，于是得每千克蒸汽所作的功為 其中汽輪機(jī)進(jìn)出口的動(dòng)能變化只有-5.95 kJ/kg?？梢?jiàn)：即使工質(zhì)流速在百米每秒的數(shù)量級(jí)，動(dòng)能的影響仍不大。工質(zhì)每小時(shí)作功 Wi = qmwi = 9.24 106 kJ/h故汽輪機(jī)功率為例題索引 某輸氣管內(nèi)氣體的參數(shù)為p1=4 MPa、t1=30 、h1=303 kJ/kg。設(shè)該氣體是理想氣體，它

9、的熱力學(xué)能與溫度之間的關(guān)系為u=0.72TkkJ/kg，氣體常數(shù)Rg287 J/(kg K)。現(xiàn)將1m3的真空容器與輸氣管連接，打開(kāi)閥門(mén)對(duì)容器充氣，直至容器內(nèi)壓力達(dá)4 MPa為止。充氣時(shí)輸氣管中氣體參數(shù)保持不變，問(wèn)充入容器的氣體量為多少千克（設(shè)氣體滿(mǎn)足狀態(tài)方程pV=mRgT）？例 2-3解: 若取容器為熱力系統(tǒng)，則該系統(tǒng)為一開(kāi)口系統(tǒng)，可利用方程式（2-13）計(jì)算。由題意，充氣過(guò)程的條件是Q = 0， wi = 0， m2 = 0 將上述條件代入式（2-13），忽略充氣的動(dòng)能及位能，并用腳標(biāo) in 代替1表示進(jìn)入容器的參數(shù)，于是得dECV = hinmin 在充氣過(guò)程中系統(tǒng)本身的宏觀動(dòng)能可忽略不計(jì)，因此系統(tǒng)的總能即為系統(tǒng)的熱力學(xué)能。這樣，上式可寫(xiě)成 d(mu)CV = hinmin 對(duì)上式進(jìn)行積分，且考慮到輸氣管中參數(shù)不變，則有： (mu)2 (mu)1 = hinmin 由于容器在充氣前為真空（m10），所以充氣后的質(zhì)量m2就等于充入容器