工程熱力學(xué)第2章.ppt

1、1,？,第2章開篇, 巨艦靠港換電柴油機(jī)安全之憂。,柴油機(jī)氣缸外為水套，冷卻 水流經(jīng)水套使缸壁冷卻，冷 卻水由電動(dòng)水泵驅(qū)動(dòng)，巨艦 靠港時(shí)艦用電停止，轉(zhuǎn)由岸 上供電系統(tǒng)供電，其間隙約 為510分鐘，因靠岸過程中 柴油機(jī)還在工作，水泵停止 約10分鐘，柴油機(jī)安全嗎？, 從廣告詞吃出苗條說起。,？, 能量方程的尷尬,金屬熔液結(jié)晶過程中能量變化應(yīng)是 還是,2,第二章 熱力學(xué)第一定律 First law of thermodynamics,21 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì),2-2 熱力學(xué)能（內(nèi)能）和總能,23 熱力學(xué)第一定律基本表達(dá)式,24 閉口系基本能量方程式,25 開口系能量方程,3,21 熱力學(xué)第一定律

2、的實(shí)質(zhì),一、第一定律的實(shí)質(zhì) 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的應(yīng)用。 二、第一定律的表述 熱是能的一種，機(jī)械能變熱能，或熱能變機(jī)械能的時(shí)候，他們之間的比值是一定的。 或： 熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊?；一定量的熱消失時(shí)必定產(chǎn)生相應(yīng)量的功；消耗一定量的功時(shí)，必出現(xiàn)與之相應(yīng)量的熱。,4,22 熱力學(xué)能（內(nèi)能）和總能,一、熱力學(xué)能(internal energy),Uch Unu Uth,Uk,平移動(dòng)能 轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能 振動(dòng)動(dòng)能,Up,二、總（儲(chǔ)存）能(total stored energy of system),總能,熱力學(xué)能，內(nèi)部儲(chǔ)存能,外部儲(chǔ)存能,宏觀動(dòng)能,宏觀位能,5,三、熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù),測量 p

3、、V、T 可求出,四、熱力學(xué)能單位,五、工程中關(guān)心,宏觀動(dòng)能與內(nèi)動(dòng)能的區(qū)別,6,23 熱力學(xué)第一定律基本表達(dá)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(chǔ)存能的增量,E,E+dE,流入：,流出：,內(nèi)部儲(chǔ)能增量：dE,7,或,E,E+dE,8,24 閉口系基本能量方程式,閉口系，,忽略宏觀動(dòng)能和位能,第一定律第一解析式,功的基本表達(dá)式,熱,簡單可壓縮系,9,討論：,1）可逆過程,2）循環(huán),3）對于定量工質(zhì)吸熱與升溫關(guān)系， 還取決于W 的“+”、“”、數(shù)值大小。,10,?,?,例 自由膨脹,如圖，,解：取全部氣體為熱力系 閉口系,強(qiáng)調(diào)：功是通過邊界傳遞的能量。,抽去隔板，,A,B,真空

4、,p1 T1,p2 T2,？開口系？,例A4302661,例A4303771,剛性絕熱,11,歸納熱力學(xué)解題思路,1）取好熱力系; 2）計(jì)算初、終態(tài); 3）兩種解題思路,從已知條件逐步推向目標(biāo),從目標(biāo)反過來缺什么補(bǔ)什么,4）不可逆過程的功可嘗試從外部參數(shù)著手。,課堂討論:導(dǎo)熱微分方程,12,？,25 開口系能量方程,一、推動(dòng)功(flow work; flow energy)和 流動(dòng)功(flow work; flow energy),推動(dòng)功：系統(tǒng)引進(jìn)或排除工質(zhì)傳遞的功量。,活塞和大氣壓力被移動(dòng)，作功,作功主體,外部功源,13,流動(dòng)功：系統(tǒng)維持流動(dòng) 所花費(fèi)的代價(jià)。,推動(dòng)功在p-v圖上：,.,1,2

5、,.,14,二、焓 (enthalpy),定義：H = U + pV h = u + pv 單位：J（kJ） J/kg（kJ/kg） 焓是狀態(tài)參數(shù)。 物理意義： 引進(jìn)或排出工質(zhì)而輸入或排出系統(tǒng)的總能量。,15,三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程(steady-flow energy equation),穩(wěn)定流動(dòng)特征：,注意：區(qū)分各截面間參數(shù)可不同。,1）各截面上參數(shù)不隨時(shí)間變化。,2）ECV = 0， SCV = 0， mCV = 0,16,流入系統(tǒng)的能量:,流出系統(tǒng)的能量:,系統(tǒng)內(nèi)部儲(chǔ)能增量: ECV,=,考慮到穩(wěn)流特征： ECV = 0 qm1 = qm2 = qm; 及 h = u + pv,17,討

6、論：,1）改寫式（B）為式（C）,熱能轉(zhuǎn)變 成功部分,輸出軸功,流動(dòng)功,機(jī)械能增量,（C）,18,2）技術(shù)功(technical work),由式（C）,技術(shù)上可資利用的功 wt,可逆過程,可逆過程技術(shù)功可用過程線與p軸包圍的面積表示,19,3)第一定律第二解析式,1)通過膨脹，由熱能,2)第一定律兩解析式可相互導(dǎo)出，但只有在開系中 能量方程才用焓。,4）兩個(gè)解析式的關(guān)系,功，w = q u,總之：,可逆,20,四、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的應(yīng)用,1.蒸汽輪機(jī)、氣輪機(jī) (steam turbine、gas turbine),流進(jìn)系統(tǒng)：,流出系統(tǒng)：,內(nèi)部儲(chǔ)能增量： 0,21,2.壓氣機(jī)(compres

7、sor) ，水泵類 (pump),流入,流出,內(nèi)部儲(chǔ)能增量 0,22,3.換熱器（鍋爐、加熱器等）,(heat exchanger: boiler、heater etc.),23,流入：,流出：,內(nèi)增： 0,若忽略動(dòng)能差、位能差,24,4. 管內(nèi)流動(dòng),流入：,流出：,內(nèi)增： 0,25,5. 合（分）流,流入：,流出：,內(nèi)部儲(chǔ)存能增量： 0,26,例A4312661,例A4322661,例A4332771,例A4333771,歸納： 1）開口系問題也可用閉口系方法求解。 2）注意閉口系邊界面上熱、功交換；尤其是邊界面 變形時(shí)需考慮功的交換。 3）例A4333771中若有無摩擦及充分導(dǎo)熱的活塞，結(jié)果如何？ 解法三即可認(rèn)為是這種情況， 故無影響。 4）若A4333771活塞為絕熱材料制造， 活塞下有彈簧， 若 ,如何？,27,課堂討論:,導(dǎo)熱微分方程的推導(dǎo),常見 傳熱 形式,熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱） 溫度不同的各部分直接接觸進(jìn)行的熱量傳輸。,對流換熱 流體通過宏觀運(yùn)動(dòng)與壁面進(jìn)行的熱量傳輸,熱輻射通過輻射進(jìn)行的能量傳輸,一維穩(wěn)態(tài)平壁,28,推導(dǎo)常物性各向同性的材料有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱微分方程。,解： 微元體的熱平衡式可以表示為下列形式： （導(dǎo)入微元體的總熱流量）+（微元體內(nèi)熱源的生成熱）