工程熱力學(xué) 第二章 熱力學(xué)第一定律.ppt

1、第二章熱力學(xué)第一定律,2-1 熱力學(xué)第一定律的本質(zhì), 1909年，C. Caratheodory最后完善熱一律,本質(zhì)：能量轉(zhuǎn)換及守恒定律在熱過程中的應(yīng)用, 18世紀(jì)初，工業(yè)革命，熱效率只有1%, 1842年，J.R. Mayer闡述熱一律，但沒有 引起重視, 1840-1849年，Joule用多種實(shí)驗(yàn)的一致性 證明熱一律，于1850年發(fā)表并得到公認(rèn),焦耳實(shí)驗(yàn),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(fù) 原溫。,焦耳實(shí)驗(yàn),水溫升高可測得熱量， 重物下降可測得功,熱功當(dāng)量 1 cal = 4.1868 kJ,工質(zhì)經(jīng)歷循環(huán):,閉口系循環(huán)的熱一律

2、表達(dá)式,要想得到功，必須化費(fèi)熱能或其它能量,熱一律又可表述為“第一類永動(dòng)機(jī)是 不可能制成的”,2-2 熱一律的推論熱力學(xué)能,熱力學(xué)能的導(dǎo)出,閉口系循環(huán),熱力學(xué)能的導(dǎo)出,對(duì)于循環(huán)1a2c1,對(duì)于循環(huán)1b2c1,狀態(tài)參數(shù),p,V,1,2,a,b,c,熱力學(xué)能及閉口系熱一律表達(dá)式,定義 dU = Q - W 熱力學(xué)能U 狀態(tài)函數(shù),Q = dU + W Q = U + W,閉口系熱一律表達(dá)式,！兩種特例 絕功系 Q = dU 絕熱系 W = - dU,熱力學(xué)能U 的物理意義,dU = Q - W, W, Q,dU 代表某微元過程中系統(tǒng)通過邊界交換的微熱量與微功量兩者之差值，也即系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化。,U

3、 代表儲(chǔ)存于系統(tǒng)內(nèi)部的能量 內(nèi)儲(chǔ)存能（內(nèi)能、熱力學(xué)能）,熱力學(xué)能的性質(zhì),分子動(dòng)能（移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)） 分子位能（相互作用） 核能 化學(xué)能,熱力學(xué)能, 熱力學(xué)能是狀態(tài)量,U : 廣延參數(shù) kJ u : 比參數(shù) kJ/kg, 熱力學(xué)能總以變化量出現(xiàn)，熱力學(xué)能零點(diǎn)人為定,說明：,系統(tǒng)總能,外部儲(chǔ)存能,宏觀動(dòng)能 Ek= mc2/2 宏觀位能 Ep= mgz,機(jī)械能,系統(tǒng)總能,E = U + Ek + Ep,e = u + ek + ep,一般與系統(tǒng)同坐標(biāo)，常用U, dU, u, du,熱一律的文字表達(dá)式,熱一律: 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律,進(jìn)入系統(tǒng)的能量 - 離開系統(tǒng)的能量 = 系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的變化,2-3

4、閉口系能量方程, W, Q,一般式,Q = dU + W Q = U + W,q = du + w q = u + w,單位工質(zhì),適用條件： 1）任何工質(zhì) 2) 任何過程,閉口系能量方程中的功,功 （ w） 是廣義功 閉口系與外界交換的功量,q = du + w,準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功 pdv 拉伸功 w拉伸= - dl 表面張力功 w表面張力= - dA,w = pdv - dl - dA +.,準(zhǔn)靜態(tài)和可逆閉口系能量方程,簡單可壓縮系準(zhǔn)靜態(tài)過程,w = pdv,簡單可壓縮系可逆過程, q = Tds,q = du + pdv,q = u + pdv,熱一律解析式之一,Tds = du + pdv

5、, Tds = u + pdv,熱力學(xué)恒等式,門窗緊閉房間用電冰箱制冷,以房間為系統(tǒng),絕熱閉口系,閉口系能量方程,T,電冰箱,門窗緊閉房間用空調(diào)降溫,以房間為系統(tǒng),閉口系,閉口系能量方程,T,空調(diào),Q,1、對(duì)某種理想氣體加熱100KJ，使其由狀態(tài)1沿途徑A可逆變化到狀態(tài)2，同時(shí)對(duì)外做功60KJ。若外界對(duì)該氣體做功40KJ，迫使它沿途徑B可逆返回狀態(tài)1。問返回過程中該氣體是吸熱還是放熱？熱量是多少？,計(jì)算題,第二章 討論課,第二章 討論課,2、一個(gè)裝有2kg工質(zhì)的閉口系經(jīng)歷了如下過程：過程中系統(tǒng)散熱25kJ，外界對(duì)系統(tǒng)做功100KJ，比熱力學(xué)能減小15KJ/kg，并且整個(gè)系統(tǒng)被舉高1000m。試

6、確定過程中系統(tǒng)動(dòng)能的變化。,由熱力學(xué)第一定律可知:,第二章 討論課,3、如圖所示,一定量氣體在汽缸內(nèi)體積由0.9m3，可逆地膨脹到1.4m3，過程中氣體壓力保持定值，且p0.2MPa。若在此過程中氣體的熱力學(xué)能增加了12000J，求： (1)此過程中氣體吸入或放出的熱量。 (2)若活塞質(zhì)量為20kg，且初速度為零，求 終態(tài)時(shí)活塞的速度。（大氣壓力p0=0.1MPa）,p,如果是表壓力為0.2MPa，怎么辦呢？, 2-4 開口系能量方程,推導(dǎo),Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,能量守恒原則 進(jìn)入系統(tǒng)的能量 - 離開系統(tǒng)的能量 = 系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的變化,推動(dòng)功的

7、引入,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,這個(gè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不符,少了推動(dòng)功,推動(dòng)功的表達(dá)式,推動(dòng)功（流動(dòng)功、推擠功）,p,A,p,V,dl,W推 = p A dl = pdV w推= pv,注意： 不是 pdv v 沒有變化,對(duì)推動(dòng)功的說明,1、與宏觀流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)停止，推動(dòng)功不存在,2、作用過程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，無狀態(tài)變化,3、w推pv與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量,4、并非工質(zhì)本身的能量（動(dòng)能、位能）變化引起， 而由外界做出，流動(dòng)

8、工質(zhì)所攜帶的能量,可理解為：由于工質(zhì)的進(jìn)出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機(jī)械功，表現(xiàn)為流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)出系統(tǒng)使所攜帶和所傳遞的一種能量,開口系能量方程的推導(dǎo),Wnet,Q,(pv)in,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,min,(pv)out,開口系能量方程微分式,Q + min(u + pv+c2/2 + gz)in - Wnet - mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv,工程上常用流率,開口系能量方程微分式,當(dāng)有多條進(jìn)出口：,流

9、動(dòng)時(shí)，總一起存在,焓的引入,定義：焓 h = u + pv,h,h,開口系能量方程,焓（Enthalpy) 的 說明,定義：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ ,1、焓是狀態(tài)量,2、H為廣延參數(shù) H=U+pV= m(u+pv)= mh h為比參數(shù),3、對(duì)流動(dòng)工質(zhì)，焓代表能量(內(nèi)能+推進(jìn)功) 對(duì)靜止工質(zhì)，焓不代表能量,4、物理意義：開口系中隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶的、取決 于熱力狀態(tài)的能量。,2-5 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,穩(wěn)定流動(dòng)條件,Steady State Steady Flow(SSSF),1、,2、,3

10、、,軸功Shaft work,每截面狀態(tài)不變,4、,穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo),穩(wěn)定流動(dòng)條件,0,穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo),1kg工質(zhì),穩(wěn)定流動(dòng)能量方程,適用條件：,任何流動(dòng)工質(zhì),任何穩(wěn)定流動(dòng)過程,技術(shù)功,動(dòng)能,工程技術(shù)上可以直接利用,軸功,機(jī)械能,位能,單位質(zhì)量工質(zhì)的開口與閉口,ws,q,穩(wěn)流開口系,閉口系(1kg),容積變化功,等價(jià),技術(shù)功,穩(wěn)流開口與閉口的能量方程,容積變化功w,技術(shù)功wt,閉口,穩(wěn)流開口,等價(jià),軸功ws,推動(dòng)功pv,幾種功的關(guān)系？,流動(dòng)功(pv),幾種功的關(guān)系,w,wt,(pv), c2/2,ws,gz,做功的根源,ws,對(duì)功的小結(jié),2、開口系，系統(tǒng)與外界交換的功為軸功ws,

11、3、一般情況下忽略動(dòng)、位能的變化,1、閉口系，系統(tǒng)與外界交換的功為容積變化功w,wswt,準(zhǔn)靜態(tài)下的技術(shù)功,準(zhǔn)靜態(tài),準(zhǔn)靜態(tài),熱一律解析式之一,熱一律解析式之二,技術(shù)功在示功圖上的表示,機(jī)械能守恒,對(duì)于流體流過管道，,壓力能 動(dòng)能 位能,機(jī)械能守恒,柏努利方程, 2-6 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例,什么是能量一般守恒方程？ 熱焓方程? 有什么用？, 2-6 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例,熱力學(xué)問題經(jīng)常可忽略動(dòng)、位能變化,例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kg,z1 = 0 m z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.

12、3 kJ/kg,1bar下, 0 oC水的 h1 = 84 kJ/kg 100 oC水蒸氣的 h2 = 2676 kJ/kg,例1：透平(Turbine)機(jī)械,火力發(fā)電 核電,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 輪船發(fā)動(dòng)機(jī) 移動(dòng)電站,燃?xì)廨啓C(jī),蒸汽輪機(jī),透平(Turbine)機(jī)械,1) 進(jìn)出口速度相差不大,2) 進(jìn)出口位能相差不大,3）散熱損失小,q 0,ws = -h = h1 - h20,輸出的軸功是靠焓降轉(zhuǎn)變的,例2：壓縮機(jī)械,火力發(fā)電 核電,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 輪船發(fā)動(dòng)機(jī) 移動(dòng)電站,壓氣機(jī),水泵,制冷 空調(diào),壓縮機(jī),壓縮機(jī)械,ws = -h = h1 - h20,輸入的軸功轉(zhuǎn)變?yōu)殪噬?1) 進(jìn)出口速度相差不大,2)

13、進(jìn)出口位能相差不大,3）散熱損失小,q 0,例3：換熱設(shè)備,火力發(fā)電：,鍋爐、凝汽器,核電：,熱交換器、凝汽器,制冷 空調(diào),蒸發(fā)器、冷凝器,換熱設(shè)備,熱流體放熱量：,沒有作功部件,熱流體,冷流體,h1,h2,h1,h2,冷流體吸熱量：,焓變,例4：絕熱節(jié)流,管道閥門,制冷 空調(diào),膨脹閥、毛細(xì)管,絕熱節(jié)流,絕熱節(jié)流過程，前后h不變，但h不是處處相等,h1,h2,沒有作功部件,絕熱,例5：噴管和擴(kuò)壓管,火力發(fā)電,蒸汽輪機(jī)靜葉,核電,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 輪船發(fā)動(dòng)機(jī) 移動(dòng)電站,壓氣機(jī)靜葉,噴管和擴(kuò)壓管,亞音速噴管目的：,壓力降低，速度提高,擴(kuò)壓管目的：,動(dòng)能與焓變相互轉(zhuǎn)換,速度降低，壓力升高,動(dòng)能參與轉(zhuǎn)換，不

14、能忽略,第二章 小結(jié),1、本質(zhì)：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律,進(jìn)入系統(tǒng)的能量 - 離開系統(tǒng)的能量 = 系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的變化,第二章 小結(jié),通用式,2、熱一律表達(dá)式：,第二章 小結(jié),熱力學(xué)原理分析問題的方法:,(1) 首先選取適當(dāng)?shù)臒崃ο?(2) 寫出相應(yīng)的熱一律通用能量方程,(3) 根據(jù)過程具體條件簡化通用能量方程,(4) 通過推導(dǎo)演繹計(jì)算得到所討論問題的結(jié)論,第二章 小結(jié),穩(wěn)流：,dEcv / = 0,通用式,第二章 小結(jié),閉口系：,通用式,第二章 小結(jié),通用式,循環(huán),dEcv = 0,out = in,第二章 小結(jié),孤立系：,通用式,第二章 小結(jié),3、熱力學(xué)第一定律表達(dá)式和適用條件,任何工質(zhì)，任何過程

15、,任何工質(zhì)，準(zhǔn)靜態(tài)過程,任何工質(zhì)，任何穩(wěn)流過程,第二章 小結(jié),4、準(zhǔn)靜態(tài)下兩個(gè)熱力學(xué)微分關(guān)系式,適合于閉口系統(tǒng)和穩(wěn)流開口系統(tǒng),后續(xù)很多式子基于此兩式,第二章 小結(jié),5、u與 h,U, H 廣延參數(shù) u, h 比參數(shù),U 系統(tǒng)本身具有的內(nèi)部能量,H 開口系中隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶的，取 決于狀態(tài)參數(shù)的能量,第二章 小結(jié),6、四種功的關(guān)系,準(zhǔn)靜態(tài)下,閉口系過程,開口系過程,第二章 討論課,思考題,工質(zhì)膨脹是否一定對(duì)外作功？,向真空膨脹，自由膨脹,定容過程是否一定不作功？,開口系，技術(shù)功,定溫過程是否一定不傳熱？,相變過程（冰融化，水汽化）,水輪機(jī),第二章 討論課,對(duì)工質(zhì)加熱，其溫度反而降低， 這種情況不

16、可能,1、絕熱的閉口系統(tǒng)即為孤立系統(tǒng)。,判斷題,2、平衡態(tài)是系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。 3、不可逆過程是指系統(tǒng)通過逆過程無法恢復(fù)到初始狀態(tài)的過程。,4、閉口體系在給定兩狀態(tài)間的一切絕熱過程中與外界交換的功量均相等,否 否 否 是,第二章 討論課,準(zhǔn)平衡過程中，系統(tǒng)經(jīng)歷的所有狀態(tài)都接近于（） A、初態(tài) B、環(huán)境狀態(tài) C、臨近狀態(tài) D、平衡態(tài) 可逆過程一定是（） A、非平衡過程 B、存在著耗散的準(zhǔn)平衡過程 C、工質(zhì)回復(fù)到初態(tài)的過程 D、準(zhǔn)平衡過程 下列系統(tǒng)中與外界不發(fā)生能量交換的系統(tǒng)是（） A、絕熱系統(tǒng) B、孤立系統(tǒng) C、閉口系統(tǒng) D、AB,D D B,單選題,第二章 討論課,第二章

17、 討論課,下列說法中，那些是錯(cuò)誤的（） A、孤立系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)不能發(fā)生變化 B、熱力學(xué)第一定律的能量方程式也可寫成 q2-q1=(u2-u1)+(w2-w1) C、經(jīng)過一個(gè)不可逆過程后，系統(tǒng)就不可能回復(fù)到原來的狀態(tài) D、質(zhì)量相同的物體A和B，若TATB，物體A具有的熱量大于物體B,A B C D,多選題,循環(huán),思考題4附圖,第二章 討論課,某燃?xì)廨啓C(jī)裝置如圖所示，已知壓氣機(jī)進(jìn)口處空氣的比焓h1為290kJ/kg。經(jīng)壓縮后空氣升溫使比焓增為h2=580kJ/kg，在截面2處空氣和燃料的混合物以cf2=20m/s的速度進(jìn)入燃燒室，在定壓下燃燒，使工質(zhì)吸入熱量q=670kJ/kg。燃燒后燃?xì)膺M(jìn)入噴

18、管絕熱膨脹到狀態(tài)3，h3=800kJ/kg，流速增加到cf3，此燃?xì)膺M(jìn)入動(dòng)葉片，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪回轉(zhuǎn)作功。若燃?xì)庠趧?dòng)葉片中的熱力狀態(tài)不變，最后離開燃?xì)廨啓C(jī)的速度cf4=100m/s，求：,若空氣流量為100kg/s，壓氣機(jī)消耗的功率為多少？ 若燃?xì)獾陌l(fā)熱值qB=43960kJ/kg，燃料的耗量為多少？ 燃?xì)鈬姽艹隹谔幍牧魉偈嵌嗌伲?燃?xì)廨啓C(jī)的功率為多少？ 燃?xì)廨啓C(jī)裝置的總功率為多少？,充氣問題與取系統(tǒng),儲(chǔ)氣罐原有氣體m0,u0,輸氣管狀態(tài)不變，h, u, p, v,經(jīng)時(shí)間充氣，關(guān)閥,儲(chǔ)氣罐中氣體m,求：儲(chǔ)氣罐中氣體內(nèi)能u,忽略動(dòng)、位能變化，且管路、儲(chǔ)氣罐、閥門均絕熱,m0,u0,h,四種可取系統(tǒng),1）取儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng),開口系,2）取最終罐中氣體為系統(tǒng),閉口系,3）取將進(jìn)入儲(chǔ)氣罐的氣體為系統(tǒng),m0,u0,h,閉口系,4）取儲(chǔ)氣罐原有氣體為系統(tǒng),閉口系,1)取儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng)(開口系),忽略動(dòng)位能變化,h,絕熱,無作功部件,無離開氣體,1)取儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng)(開口系),經(jīng)時(shí)間充氣，積分概念,h,h是常數(shù),四種可取系統(tǒng) 2）,1）取儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng),開口系,2）取最終