工程熱力學(xué)第三章課件

第三章熱力學(xué)第一定律第一節(jié)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)第二節(jié)系統(tǒng)的儲(chǔ)存能量第三節(jié)系統(tǒng)與外界傳遞的能量第四節(jié)封閉系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式第五節(jié)開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式第六節(jié)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的應(yīng)用一、實(shí)質(zhì)：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱力學(xué)中的應(yīng)用第一節(jié)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)二、第一定律的表述當(dāng)熱能與其他形式的能量相互轉(zhuǎn)化時(shí)，能的總量保持不變。第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制造成功的。三、系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系輸入系統(tǒng)的能量—系統(tǒng)輸出的能量=系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的變化能量：傳遞中的能量---功和熱量----過程量?jī)?chǔ)存的能量----內(nèi)部和外部狀態(tài)參數(shù)決定---狀態(tài)量第二節(jié)系統(tǒng)的儲(chǔ)存能量?jī)?chǔ)存能量：內(nèi)部?jī)?chǔ)存能---系統(tǒng)本身(內(nèi)部)的狀態(tài)外部?jī)?chǔ)存能---重力場(chǎng)和系統(tǒng)整體運(yùn)動(dòng)一、內(nèi)部?jī)?chǔ)存能—熱力學(xué)能內(nèi)能：是氣體內(nèi)部所具有的分子動(dòng)能與分子位能的總和。包括：1.分子直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能；2.分子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能；3.分子內(nèi)部原子和電子的振動(dòng)能；內(nèi)動(dòng)能4.分子間的勢(shì)能；內(nèi)勢(shì)能分子運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能和分子間勢(shì)能稱為“熱力學(xué)能”

符號(hào)：U(mkg質(zhì)量氣體的內(nèi)能)單位：kJu=U/mu=f(T,v)u=f(T,v)或u=f(p,v)熱力學(xué)能也是氣體的狀態(tài)參數(shù)

u(1kg質(zhì)量氣體的內(nèi)能)kJ/kg二、外部?jī)?chǔ)存能1.宏觀動(dòng)能系統(tǒng)作為一個(gè)整體，相對(duì)于系統(tǒng)以外的參考坐標(biāo)，因宏觀運(yùn)動(dòng)二具有的能量，稱為宏觀動(dòng)能，簡(jiǎn)稱動(dòng)能，用Ek表示。2.重力勢(shì)能系統(tǒng)由于重力場(chǎng)的作用而具有的能量稱為重力勢(shì)能，簡(jiǎn)稱勢(shì)能，用Ep表示。.三、系統(tǒng)的總儲(chǔ)存能（總能）

E=U+Ek+EpE＝U或e＝u

對(duì)于沒有宏觀運(yùn)動(dòng)，并且高度為零的系統(tǒng)單位質(zhì)量e=u+ek+ep第三節(jié)系統(tǒng)與外界傳遞的能量封閉系統(tǒng)，傳遞的能量有兩種：功和熱量

當(dāng)封閉系統(tǒng)通過邊界，和外界之間發(fā)生相互作用時(shí)，如外界的唯一效果是升起重物，則系統(tǒng)對(duì)外界作了功，如外界的唯一效果是降低重物，則外界對(duì)系統(tǒng)作了功。功是過程量單位：J、kJ一、功

w>0系統(tǒng)對(duì)外作功w<0外界對(duì)系統(tǒng)作功1.熱力學(xué)定義：力學(xué)中功的定義：vpFfppoutdxAp1234dv圖1封閉系統(tǒng)的膨脹功可逆過程膨脹功可以用p-v圖上過程曲線與v軸所圍面積表示?？赡孢^程對(duì)外做的膨脹功最大。vpFfppoutdxAp1234dv圖1封閉系統(tǒng)的膨脹功Bc功是過程量系統(tǒng)容積變化是作膨脹功的必要條件。2.體積功：工質(zhì)體積改變時(shí)所做的功膨脹功壓縮功隔板圖4自由膨脹3.軸功：系統(tǒng)通過機(jī)械軸與外界傳遞的機(jī)械功。用Ws表示

剛性閉口系統(tǒng)不能向外界輸出膨脹功

4.推動(dòng)功和流動(dòng)功開口系統(tǒng)因工質(zhì)流動(dòng)而傳遞的功稱為推動(dòng)功。其值為pv。注意：推動(dòng)功只有在工質(zhì)移動(dòng)位置時(shí)才起作用。

流動(dòng)功：Wf＝p2V2－p1V1

或wf＝p2v2－p1v1流動(dòng)過程中，系統(tǒng)與外界由于物質(zhì)的進(jìn)出而傳遞的機(jī)械功。⊿(pv)=p2v2-p1v1

5.技術(shù)功技術(shù)上可以利用的功稱為技術(shù)功，用WS表示。

若動(dòng)能、位能變化很小

6.有用功和無用功

凡是可以用來提升重物、驅(qū)動(dòng)機(jī)器的功統(tǒng)稱為有用功，用Wu表示，反之，則稱無用功。

有用功為：

可逆過程，則：

二、熱量1.定義：熱量是除功以外，通過邊界系統(tǒng)與外界之間傳遞的能量。2.符號(hào)規(guī)定：系統(tǒng)從外界吸熱為正；Q>0

系統(tǒng)向外界放熱為負(fù)。Q<03.單位：J、kJ4.熱源：與系統(tǒng)只發(fā)生熱的相互作用的外界，稱為熱源

熱量是過程量；熱能是狀態(tài)量。熱量是不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的能量傳遞方式；功是規(guī)則運(yùn)動(dòng)的能量傳遞方式。三、焓1.定義：H=U+pV2.單位：J3.比焓：1kg工質(zhì)的焓稱為比焓，用h表示。

h＝u＋pv熱力學(xué)能＋推動(dòng)功比焓＝第四節(jié)

熱力學(xué)第一定律的能量方程式

進(jìn)入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量＝系統(tǒng)儲(chǔ)存能的增加

1.閉口系統(tǒng)

可逆過程

循環(huán)

2.開口系統(tǒng)

開口系統(tǒng)能量方程的一般形式，適用于任何工質(zhì)、任何過程，可以簡(jiǎn)化成各種不同的形式。穩(wěn)定流動(dòng)：開口系內(nèi)任意一點(diǎn)的工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化的流動(dòng)過程。實(shí)現(xiàn)的必要條件：進(jìn)出口截面的參數(shù)不隨時(shí)間而變；系統(tǒng)于外界交換的功量和熱量不隨時(shí)間變化；工質(zhì)的質(zhì)量流量不隨時(shí)間而變，且進(jìn)出口處的質(zhì)量流量相等，即qm1=qm2=qm=const系統(tǒng)與外界進(jìn)行的物質(zhì)和能量的交換不隨時(shí)間而變。3.穩(wěn)定流動(dòng)過程

引入技術(shù)功概念:對(duì)于可逆過程:復(fù)雜的工程實(shí)際問題抽象成熱力學(xué)模型外表面被很好的絕熱有效傳熱面積很小系統(tǒng)與外界溫差很小工質(zhì)流過開口系非常迅速作絕熱處理ｑ＝0除氣流速度改變比較劇烈的設(shè)備，動(dòng)、位能差取零。簡(jiǎn)單可壓縮系，設(shè)備中無活塞、轉(zhuǎn)軸類作功部件，閉口系能量方程中的功項(xiàng)取零開口系能量方程中的軸功項(xiàng)取零第五節(jié)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的應(yīng)用開口系統(tǒng)的典型設(shè)備:1.換熱器：如鍋爐、冷凝器等2.噴管和擴(kuò)壓管3.產(chǎn)生功的裝置：如蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)4.消耗功的裝置：如泵、壓縮機(jī)5.節(jié)流裝置：如膨脹閥一、換熱器12流入流出Q2.換熱器穩(wěn)定流動(dòng)能量方程：3.可逆條件：4.改進(jìn)方向：減小工質(zhì)壓力降1.特點(diǎn)：二、噴管和擴(kuò)壓管1.特點(diǎn)：Wg2Wg111112222流入流出噴管擴(kuò)壓管Wg1流入噴管擴(kuò)壓管2.換熱器穩(wěn)定流動(dòng)能量方程