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第二章 热力学第一定律

第二章 热力学第一定律. 容积变化功 w. 技术功 w t. 轴功 w s. 流动功  ( pv ). 闭口系 循环 的热一律表达式. 开口系能量方程. 热力学 能（内能）. 焓. 推动功和流动功. §2-1 热力学第一定律的本质. 本质： 能量 转换 及 守恒 定律在热过程中的应用.  1909 年， C. Caratheodory 最后完善热一律.  18 世纪初，工业革命，热效率只有 1%.  1842 年， J.R. Mayer 阐述热一律，但没有 引起重视.  1840-1849年 ， Joule 用多种实验的一致性

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第二章 热力学第一定律

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Presentation Transcript

  1. 第二章热力学第一定律

  2. 容积变化功w 技术功wt 轴功ws 流动功(pv) 闭口系循环的热一律表达式 开口系能量方程 热力学能（内能） 焓 推动功和流动功

  3. §2-1 热力学第一定律的本质 本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用 1909年，C. Caratheodory最后完善热一律 18世纪初，工业革命，热效率只有1% 1842年，J.R. Mayer阐述热一律，但没有 引起重视 1840-1849年，Joule用多种实验的一致性 证明热一律，于1950年发表并得到公认

  4. 焦耳实验 1、重物下降，输 入功，绝热容 器内气体 T 2、绝热去掉，气 体 T，放出 热给水，T恢复 原温。

  5. 焦耳实验 水温升高可测得热量， 重物下降可测得功 热功当量 1 cal = 4.1868 kJ 工质经历循环:

  6. 闭口系循环的热一律表达式 要想得到功，必须化费热能或其它能量 热力学第一定律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的。”

  7. §2-2 热一律的推论热力学能（内能）

  8. 分子动能（移动、转动、振动） 分子位能（相互作用） 核能 化学能 热力学能 说明： 热力学能的性质    热力学能是状态量 • U :广延参数 [ kJ ] • u :比参数[kJ/kg] 热力学能总以变化量出现，热力学能零点人为定

  9. 机械能 系统总能 外部储存能 宏观动能 Ek= mc2/2 宏观位能 Ep= mgz 系统总能 E=U+Ek+ Ep e=u+ ek+ep 一般与系统同坐标，常用U, dU, u, du

  10. δQ =δW 热力学能的导出 闭口系循环

  11. 对于循环1a2c1 p 1 b a 对于循环1b2c1 c 2 V 热力学能的导出 状态参数

  12. 热力学能及闭口系热一律表达式 定义 dU = Q- W 热力学能U状态函数 Q =dU+W Q = U+W 闭口系热一律表达式 ！！！两种特例绝功系 Q=dU绝热系 W = -dU

  13. 热力学能U 的物理意义 dU = Q- W  W  Q dU代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。 U 代表储存于系统内部的能量 内储存能（内能、热力学能）

  14. u=f ( p,v ) u=f ( T,v ) u=f ( p,T ) ∮du=0

  15. 热一律的文字表达式 热一律: 能量守恒与转换定律 进入系统的能量-离开系统的能量 = 系统内部储存能量的变化

  16. §2-3 能量的传递和转换 一、功和热量 能量传递的方式： 作功——有宏观位移 传热——无宏观位移 共同点：能量；过程量 不同点：作功伴随着能量形态的变化：热力学能——机械能

  17. min uin gzin Wnet uout gzout Q 二、推动功和流动功

  18. A 推动功（推进功） p W推 =pAL=pV w推=pv p V L

  19. 对推动功的说明 1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化 3、w推＝pv与所处状态有关，是状态量 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，流动工质所携带的能量 可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量

  20. 流动功： 推动功差是系统维持工质流动所需的功。 Δ(pv)=p2v2 - p1v1

  21. §2-4 焓 定义：焓h=u+pv [ kJ/kg ] H=U+pV [ kJ ]

  22. 焓（Enthalpy)的 说明 定义：h=u+pv [ kJ/kg ] H=U+pV [ kJ ] 1、焓是状态量 2、H为广延参数H=U+pV=m(u+pv)= mh h为比参数 3、对流动工质，焓代表能量(内能+推动功)对静止工质，焓不代表能量 4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决 于热力状态的能量。

  23. h=f ( p,v ) h=f ( T,v ) h=f ( p,T ) ∮dh=0

  24.  W  Q §2-5 热力学第一定律的基本能量方程式 一般式 Q= dU+W Q= U+W q=du+wq=u+w 单位工质 适用条件：1）任何工质2) 任何过程

  25. 闭口系能量方程中的功 q= du+w 功（w）是广义功  闭口系与外界交换的功量 准静态容积变化功 pdv 拉伸功 w拉伸= -dl 表面张力功 w表面张力= - dA w=pdv-dl- dA+…...

  26. 闭口系能量方程的通式 q= du+w 若在地球上研究飞行器 q=de+w=du+dek+dep+w 工程热力学用此式较少

  27. 准静态和可逆闭口系能量方程 简单可压缩系准静态过程 w = pdv q=du+pdv 热一律解析式之一 q=  u+ pdv 简单可压缩系可逆过程  q = Tds Tds = du + pdv 热力学恒等式 Tds =  u +  pdv

  28. 以房间为系统 绝热闭口系 电冰箱 例1：门窗紧闭房间用电冰箱降温 闭口系能量方程 T

  29. 闭口系 以房间为系统 空调 Q 例2：门窗紧闭房间用空调降温 闭口系能量方程 T

  30. 例3： • 定量空气在状态变化过程中，对外放热40kJ/kg，内能增加80 40kJ/kg，问这一过程中，空气是膨胀还是被压缩？

  31. 1 A C B 2 例4： Q1-A-2=100kJ W1-A-1=60kJ W2-B-1=-40kJ 求：（1） Q2-B-1 （2）当W2-C-1=-50kJ时 Q2-C-1=?

  32. §2-6 开口系能量方程 一、开口系能量方程 能量守恒原则 进入系统的能量- 离开系统的能量 = 系统储存能量的变化

  33. uin pvin qmin gzin qmout uout zin pvout gzout zout 开口系能量方程的推导 Wnet Q

  34. 开口系能量方程微分式 Q+qmin(u+pv+c2/2+gz)in -Wnet -qmout(u+pv+c2/2+ gz)out=dEcv 工程上常用流率

  35. 开口系能量方程微分式 当有多条进出口： 流动时，总一起存在

  36. min uin Wnet gzin mout uout Q gzout 二、稳定流动能量方程 Steady State Steady Flow(SSSF) 稳定流动条件 1、 2、 3、 轴功Shaft work 4、 每截面状态不变

  37. 稳定流动条件 0 稳定流动能量方程的推导

  38. 稳定流动能量方程的推导 1kg工质

  39. 稳定流动能量方程 适用条件： 任何流动工质 任何稳定流动过程

  40. 技术功 动能 位能 轴功 机械能 工程技术上可以直接利用

  41. ws q 单位质量工质的开口与闭口 闭口系(1kg) 容积变化功 等价 技术功 稳定流动开口系

  42. 闭口 等价 稳流开口 容积变化功w 技术功wt 轴功ws 推进功(pv) 几种功的关系？

  43. 几种功的关系 △ c2/2 g△z wt ws ws w 做功的根源 △(pv)

  44. 对功的小结 1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功w 2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws 3、一般情况下忽略动、位能的变化 wswt

  45. 准静态下的技术功 准静态 热一律解析式之一 准静态 热一律解析式之二

  46. 技术功在示功图上的表示

  47. 机械能守恒 对于流体流过管道， 机械能守恒 压力能动能位能 柏努利方程

  48. §2-7 稳定流动能量方程应用举例 热力学问题经常可忽略动、位能变化 例：c1 = 1m/s c2 = 30m/s(c22 - c12) /2 = 0.449kJ/ kg z1 = 0 m z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg 1bar下, 0oC水的 h1 = 84 kJ/kg 100 oC水蒸气的 h2 = 2676 kJ/kg

  49. 例1：透平(Turbine)机械 火力发电 核电 蒸汽轮机 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 燃气轮机

  50. 火力发电装置 汽轮机 过热器 锅 炉 发电机 凝汽器 给水泵

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