熱力學第一定律劉英光

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第二章

熱力學定律

Firstlawofthermodynamics熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!2–1

熱力學定律的實質(zhì)一、定律的實質(zhì)

能量守恒與轉換定律在熱現(xiàn)象中的應用。二、定律的表述

在任何發(fā)生能量傳遞和轉換的熱力過程中，傳遞和轉換前后能量的總量維持恒定。或：熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊?；一定量的熱消失時必定產(chǎn)生相應量的功；消耗一定量的功時，必出現(xiàn)與之相應量的熱。熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!焦耳實驗1、重物下降，輸入功，絕熱容器內(nèi)氣體T

2、絕熱去掉，氣體T

，放出熱給水，T

恢復原溫。熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!總能動能勢能宏觀機械能熱力學能

化學能、原子核能、電磁能……內(nèi)動能內(nèi)位能分子移動分子轉動分子振動總能量熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!2—3能量的傳遞和轉化一、作功和傳熱能量的傳遞方式：一是作功，二是傳熱。共同點：能量；過程量不同點：作功有宏觀位移，伴隨著能量形態(tài)的變化：熱力學能——機械能

傳熱無宏觀位移，無能量形態(tài)的變化熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!

一.焓的定義

在熱功計算的公式中，常有

為了簡化公式與計算，定義1.焓是狀態(tài)參數(shù)：

稱之為焓。

二.焓的特性與意義

所以焓是狀態(tài)參數(shù)。2-4焓熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!2–5熱力學定律基本表達式

加入系統(tǒng)的能量總和－熱力系統(tǒng)輸出的能量總和=熱力系總儲存能的增量EE+dE流入：流出：內(nèi)部貯能的增量：dE熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!討論：

1）對于可逆過程2）對于循環(huán)3）對于定量工質(zhì)吸熱與升溫關系，還取決于W的“+”、“–”、數(shù)值大小。適用條件：a:可逆過程，不可逆過程

b:理想氣體，實際氣體

c:工質(zhì)初、終態(tài)為平衡狀態(tài)熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!2-6穩(wěn)定流動能量方程(steady-flowenergyequation)穩(wěn)定流動

1.穩(wěn)定流動：開口系統(tǒng)內(nèi)部及邊界上各點工質(zhì)的熱力參數(shù)和運動參數(shù)不隨時間變化的流動過程。

2.條件：（1）單位時間流入系統(tǒng)的工質(zhì)質(zhì)量等于流出系統(tǒng)的工質(zhì)質(zhì)量，保證系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量維持恒定；（2）單位時間內(nèi)加入系統(tǒng)的凈熱及系統(tǒng)對外做的凈功不隨時間改變，保證系統(tǒng)儲存能量維持不變；

（3）任何截面上工質(zhì)的一切參數(shù)都不隨時間而變化。熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!討論：1）改寫式（B）為式（C）熱能轉變成功部分輸出軸功流動功機械能增量（C）熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!3)定律第二解析式1)通過膨脹，由熱能2)定律兩解析式可相互導出，但只有在開系中能量方程才用焓。4）兩個解析式的關系功，w=q–Δu總之：可逆熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!2.壓氣機

主要表現(xiàn)：（1）略散熱，q為負，近似絕熱過程;（2）動能，位能的變化較小，可忽略cf2=0,z=0

能量方程式：

說明：工質(zhì)流經(jīng)泵或風機時，消耗的軸功等于工質(zhì)焓的增加。

水泵，風機等壓縮機械。熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!3.熱交換器能量方程式：說明：q等于換熱器進出口工質(zhì)比焓的變化。即：加入的熱量用于增加工質(zhì)的焓。各種加熱器，冷卻器，散熱器，蒸發(fā)器，冷凝器等。主要表現(xiàn)（1）與外界只有熱量交換，無功量交換，ws=0;（2）動能，位能的變化較小，可忽略cf2=0,z=0氣體或液體熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!5.噴管

主要表現(xiàn)：（1）流經(jīng)噴管時，速度大，時間短，散熱很小流動近似是絕熱的；（2）屬于管內(nèi)流動，無軸功輸入或輸出；（3）位能的變化較小，可忽略z=0。

能量方程式：

說明：工質(zhì)流經(jīng)噴管時，動能的增加等于焓值的減少。

收縮型噴管，縮放型噴管（拉伐爾噴管）

熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!解：對CV

列能量方程流入：流出：內(nèi)增：

0熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!

有一臺穩(wěn)定工況下運行的水冷式壓縮機，運行參數(shù)如附圖所示。設空氣的比熱容cp=1.003kJ/(kg·K),水的比熱容cw=4.187kJ/(kg·K)。若不計壓氣機向環(huán)境的散熱損失以及動能差及位能差，試確定驅動該壓氣機所需的功率。[已知空氣的焓差h2-h1=cp(T2-T1)]熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!取整個壓氣機（包括水冷部分）為系統(tǒng)，忽略動能差及位能差則：流入：流出：內(nèi)增0查水蒸氣表得熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!2-2熱力學能和總能熱力學能U:是指組成熱力系的大量微觀粒子本身所具有的能量，由兩部分組成：內(nèi)動能：分子熱運動的動能內(nèi)位能：分子之間由于相互作用所形成的位能熱力學能是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)，完全取決于工質(zhì)的初態(tài)和終態(tài)，與過程的途徑無關。熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!宏觀動能與內(nèi)動能的區(qū)別熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!二、推動功和流動功推動功：開口系統(tǒng)與外界之間因為工質(zhì)流動而傳遞的機械功。對于單位質(zhì)量工質(zhì)，推動功等于pv。流動功：出口處付出的推動功與入口處得到的推動功的差。流動功可以理解為開口系統(tǒng)維持流動所要付出的代價。

推動功的特點：

1.流動過程才有推動功；

2.工質(zhì)不斷從后面得到推動功，對前面作出該功；

3.工質(zhì)時時具有pv能量；

4.工質(zhì)作出推動功時參數(shù)不變（與作容積變化功不同）.熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!2.焓有特定的意義

取其中1千克為研究對象，它時時具有的能量包括：

則焓的特定意義為：

焓是流動工質(zhì)所時時攜帶能量中的一部分。熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!

閉口系，

忽略宏觀動能Uk和位能Up，定律解析式—功的基本表達式熱意義：加給工質(zhì)的熱量=

a:一部分用于增加工質(zhì)的熱力學能，

b:另一部分以作功的方式傳遞到外界。熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!例自由膨脹如圖，解：取氣體為熱力系

—閉口系？開口系？強調(diào)：功是通過邊界傳遞的能量。抽去隔板，求?熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!流入系統(tǒng)的能量:流出系統(tǒng)的能量:系統(tǒng)內(nèi)部儲能增量:ΔECV–=考慮到穩(wěn)流特征：ΔECV=0qm1=qm2=qm;及h=u+pv

熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!2）技術功(technicalwork)—由式（C）技術上可資利用的功wt可逆過程熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!1.動力機械

各種熱力發(fā)動機，如燃氣輪機，蒸汽輪機；2-7能量方程式的應用熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!

主要表現(xiàn)（1）略散熱，近似絕熱過程,q=0;

（2）動能，位能的變化較小，可忽略cf2=0,z=0

能量方程式：說明（1）對外輸出的軸功等于工質(zhì)的焓降；（2）此時軸功就是技術功。熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!熱交換器之換熱器熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!4.絕熱節(jié)流

主要表現(xiàn)：（1）流動是絕熱的；（2）不對外作功；（3）前后兩個截面的動能，位能的變化較小，可忽略cf2=0,z=0。

能量方程式：

說明（1）節(jié)流前后焓值相等；（2）節(jié)流過程是典型的不可逆過程。

閥門，孔板流量計等。1122熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!0.1MPa，20℃的空氣在壓氣機中絕熱壓縮升壓升溫后導入換熱器排走部分熱量，再進入噴管膨脹到0.1MPa、20℃。噴管出口截面積A=0.0324m2，氣體流速cf2=300m/s。已知壓氣機耗功率710kW，問換熱器中空氣散失的熱量。熱力學定律劉英光共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!或據(jù)穩(wěn)定流動能量方程據(jù)題義，忽略位能差