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第二章 热力学第一定律

第二章 热力学第一定律. The First Law of Thermodynamics. 目录. §2-1 热力学第一定律的本质 §2-2 热一律的推论  内能 §2-3 闭口系能量方程 §2-4 开口系能量方程 § 2-5 稳定流动能量方程 § 2-6 稳定流动能量方程应用举例. §2-1 热力学第一定律的本质.  1909 年， C. Caratheodory 最后完善热一律. 本质： 能量转换及守恒定律 在热过程中的应用.  18 世纪初，工业革命，热效率只有 1%.

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Presentation Transcript

  1. 第二章热力学第一定律 The First Law of Thermodynamics

  2. 目录 §2-1 热力学第一定律的本质 §2-2 热一律的推论内能 §2-3 闭口系能量方程 §2-4 开口系能量方程 §2-5稳定流动能量方程 §2-6 稳定流动能量方程应用举例

  3. §2-1 热力学第一定律的本质 1909年，C. Caratheodory最后完善热一律 本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用 18世纪初，工业革命，热效率只有1% 1842年，J.R. Mayer（德国）阐述热一律，但没有引起重视 1840-1849年，Joule（英国）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 Mechanical equivalent of heat 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，必须花费热能或其它能量 热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”

  7. 第一类永动机 Q 汽轮机 电加热器 锅 炉 Wnet 发电机 凝汽器 Qout 给水泵

  8. 内能的导出 §2-2 热一律的推论内能 对于循环1a2c1 p 1 b a 对于循环1b2c1 c 2 V 状态参数

  9. 内能及闭口系热一律表达式 定义 dU = Q- W 内能U状态参数 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

  10. 内能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（内能或热力学能）

  11. 内能的微观组成 移动  转动 分子动能 分子位能 化学能 核能 振动  内能

  12. 系统总能 total energy 外部储存能 宏观动能 Ek= mc2/2 宏观位能 Ep= mgz 机械能 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

  13. 内能的说明  内能是状态量 • U :广延参数 [ kJ ] • u :比参数[kJ/kg]  内能总以变化量出现，内能零点人为定

  14. - 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 = 热一律的文字表达式 热力学第一定律: 能量守恒与转换定律

  15. §2-3 闭口系能量方程 一般式 Q= dU+W Q= U+W  W  Q q=du+wq=u+w 单位工质 适用条件：1）任何工质2) 任何过程

  16. 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+…...

  17. 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

  18. 应用示例 已知：孤立系 求： 能量方程 解：∵ Q = △U+W Q= 0；W = 0 ∴ △U = 0

  19. 准静态和可逆闭口系能量方程 1.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 2.简单可压缩系可逆过程  q = Tds Tds = du + pdv 热力学恒等式 Tds =  u +  pdv

  20. 思考： 一直敞开冰箱门 能制冷整个房间吗？ 打开冰箱凉快一下

  21. 门窗紧闭房间用电冰箱降温 绝热闭口系 以房间为系统 闭口系能量方程 Refrigerator Icebox 电冰箱 T

  22. 门窗紧闭房间用空调降温 闭口系 以房间为系统 闭口系能量方程 Air-conditioner 空调 Q T

  23. 例 自由膨胀 解：取气体为热力系 —闭口系？开口系？ 如图， 抽去隔板，求 强调：功是通过边界传递的能量。

  24. §2-4 开口系能量方程 min uin 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 Wi gzin mout uout Q gzout

  25. 开口系能量方程的推导 min uin gzin Wi 这个结果与实验不符 mout uout gzout 少了推进功 Q Q+min(u+c2/2+gz)in -mout(u+c2/2+ gz)out-Wi=dEcv

  26. 推进功的表达式 A 推进功 Flow work p p V W推 =pAdl=pV w推=pv dl 注意： 不是pdv v 没有变化

  27. - 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 = 回顾：热一律的文字表达式 热力学第一定律: 能量守恒与转换定律

  28. 回顾： 闭口系能量方程 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

  29. 回顾：对推进功的说明 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（泵与风机）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

  30. 开口系能量方程的推导 uin pvin min gzin Wi mout uout Q pvout gzout Q+min(u+c2/2+gz)in -mout(u+c2/2+ gz)out-Wi=dEcv

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

  32. 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

  33. 焓Enthalpy的引入 定义：焓h= u+pv h h 开口系能量方程

  34. 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+推进功)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。

  35. §2-5稳定流动能量方程 流动过程中，开口系统内部及其边界上各点工质的热力参数及运动参数都不随时间改变。 min 稳定流动条件 uin 1、 Wi gzin 2、 mout 3、 uout Q 4、 每截面状态不变 gzout

  36. 稳定流动能量方程的推导 稳定流动条件 0

  37. 稳定流动能量方程的推导 1kg工质

  38. 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

  39. 技术功 动能 位能 内部功 机械能 工程技术上可以直接利用

  40. 单位质量工质的开口与闭口 闭口系(1kg) wi 容积变化功 等价 q 技术功 稳流开口系

  41. 稳流开口与闭口的能量方程 闭口 等价 稳流开口 容积变化功w 技术功wt 几种功的关系？ 内部功wi 流动功(pv)

  42. 几种功的关系 △ c2/2 wi g△z wt wi w 做功的根源（容积变化功） △(pv)

  43. 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内部功wi 3、一般情况下忽略动、位能的变化 wiwt

  44. 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

  45. 技术功在示功图上的表示

  46. 伯努利方程 对于流体流过管道， 柏努利方程 Bernoulli’s equation

  47. §2-6 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

  48. 例1：透平(Turbine)机械 火力发电 核电 蒸汽轮机 Steam turbine 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 燃气机 1-轴；2-叶轮； 3-动叶片；4-喷嘴

  49. 透平(Turbine)机械 1)体积不大 2）流量大 3）保温层 q0 wi = -△h =h1 -h2>0 输出的功是靠焓降转变的

  50. 例2：压缩机械 Compressor 火力发电 核电 水泵 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 压气机 制冷 空调 压缩机

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