热力学基本定律

§2-1热力学第一定律实质：能量守恒及转换定律在热过程中的应用要想得到功，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”热力学第一定律的表述:热能和机械能之间可以相互转移或转换,在转移或转换过程中能量的总量必定守恒。一、热力学第一定律实质分子动能分子位能热力学能(内能)U移动动能转动动能振动动能1.内储存能（内能、热力学能）U_____代表储存于系统内部的能量。Tf1vTf,2热力学能(内能)的微观组成：二、热力学能（内能）和热力系统的总能量2.外部储存能宏观动能Ek=mc2/2宏观位能Ep=mgz机械能热力系统的总能量=内部储存能+外部储存能E=U+(Ek+Ep)总能热力学能，内部储存能外部储存能宏观动能宏观位能e=u+ek+ep热力系统单位质量工质具有的总能量热力学能（内能）的说明：热力学能(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，内能零点人为定三、功和热量——迁移能1.体积功（或膨胀功）W——系统体积膨胀或压缩时与外界交换的功量。21WpdV可逆过程或准静态过程系统膨胀对外界做功，功为正W0（即dV0，膨胀）外界对系统做功，功为负W0（即dV0，压缩）功量正负号规定：几种常用功的介绍2流动功W推挤功=pAl=pV注意：不是pdvv没有变化pApVlWQminmout流动功Wf:系统维持物质流动所花费的代价Wf=（pV）2-（pV）1w推挤功=pv对流动功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、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：流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量。3轴功Ws4有用功Wu热力系通过叶轮机械的轴和外界交换的功量称∽。PδWu凡是可以提升重物，驱动机器的功统称为∽。如轴功和电功。反之，则为无用功P0dVδWu=δW-P0dVP0分析活塞汽缸系统中气体的作功问题热力学第一定律的文字表达式=进入热力系的能量离开热力系的能量热力系内部总能量的变化-§2-2热力学第一定律的一般表达式WtolQm1m2uinu2gz1gz2能量守恒原则进入系统的能量-离开系统的能量=系统内部总能量的变化2121c2221c[Q+m1(u1+c12/2+gz1)]-[m2(u2+c22/2+gz2)+Wtol]=dE热力学第一定律一般表达式又称开口系能量方程微分式Q=dE+m2(u2+c22/2+gz2)-m1(u1+c12/2+gz1)+Wtol当有多条进出口：Q=dE+∑m2(u2+c22/2+gz2)-∑m1(u1+c12/2+gz1)+Wtol2.闭口系能量方程WQ一般式Q=dU+WQ=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Q=dE+∑(u2+c22/2+gz2)m2-∑(u1+c12/2+gz1)m1+Wtol开口系能量方程对闭口系热力循环能量方程WQ1.简单可压缩闭口系准静态过程能量方程w=pdv2.简单可压缩闭口系可逆过程能量方程:q=Tdsq=du+pdv热一律解析式之一Tds=du+pdv闭口系能量方程分析:21pduq2121pduTdsq=du+w门窗紧闭房间用电冰箱降温？以房间为系统绝热闭口系由闭口系能量方程QUW0Q0UW0WT电冰箱门窗紧闭房间用空调降温以房间为系统闭口系由闭口系能量方程QUW0QUQW0WT空调QQW例绝热自由膨胀如图，U解：取气体为热力系—闭口系？开口系？QUW120UUU即抽去隔板，求0W?0Q结论：绝热自由膨胀，膨胀前后气体温度不变§2-5开口系稳定流动能量方程22211121vCAvCAmmm稳定流动条件：QConstnetsWConstWsdE=0稳定流动：是指热力系统在任意截面上工质的一切参数都不随时间变化（注意：不同截面参数可不同）1、进出口处工质状态不随时间变化。2、进出口处工质流量相等，且不随时间改变，满足质量守恒.3、系统与外界交换的热量与功量不随时间改变，满足能量守恒一、开口系稳定流动能量方程的推导WsQp1v1m2u1u2gz1gz2[Q+m1[u1+p1v1+c2/2+gz]-[m2[u2+p2v2+c22/2+gz2+Ws]=dEm1p2v22221c2121c进入系统的能量-离开系统的能量=系统内部总能量的变化开口系稳定流动能量方程推导Q=dE+m2(u2+p2v2+c22/2+gz2)-m1(u1+p1v1+c12/2+gz1)+Ws流动时，总一起存在定义：焓h=u+pv单位[kJ/kg]∴Q=dE+m2(u2+p2v2+c22/2+gz2)-m1(u1+p1v1+c12/2+gz1)+Wsh2h1焓的物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决于热力状态的能量。是状态量开口系稳定流动能量方程推导∴Q=dE+m2(u2+p2v2+c22/2+gz2)-m1(u1+p1v1+c12/2+gz1)+Wsh2h1针对稳定流动工程上常采用流率表示0limQQ0limmm0limWWh2111112212222cvout2innetind//2/2outQEupvcgzmupvcgzmWs210h2h10limQQC0limWWCs210limmm=0limmm0limmm=mmssWmw111112212222cvout2innetind//2/2outQEupvcgzmupvcgzmWs210h2h1mmQmq1kg工质2s12qhcgzw整理得开口系稳定流动能量方程推导2s12qhcgzw适用条件：___mkg工质任何稳定流动过程开口系稳定流动能量方程:sWZmgcmHQ221任何流动工质___单位质量工质技术功动能工程技术上可以直接利用轴功机械能212sQmhmcmgzW212sqhcgzw位能tWtwtQHWtqhw___开口系稳定流动能量方程单位质量工质的开口系与闭口系wsq开口系稳流tqhwquw闭口系(1kg)容积变化功等价技术功讨论闭口系与稳流开口系的能量方程tqhw容积变化功w技术功wtquw闭口系稳流开口系等价轴功ws流动功(pv)几种功的关系？几种功的关系2t12swcgzwt()tqhwupvwquw()twpvwwwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源对功的小结2、开口系，工质流经热机时系统通过机器轴与外界传递的功轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功w∴wswt2t12swcgzw准静态下的技术功()tpdvdpvw()twpvw()twdpvw准静态()()twpdvdpvpdvpdvvdpvdp准静态qdupdvqdhvdp_____热一律解析式之一_____热一律解析式之二twvdpdpw21t_____准静态下的技术功的计算式技术功在示功图上的表示t1122wwpvpv121ba123411401a2302b22112121pppddpwt由功之间的关系推导机械能守恒定律s2t2/wgdzdcvdpw对于流体流过管道，0sw2102vdpdcgdz机械能守恒2102dpdcdzgg伯努利方程Bernoulli’sequation压力能动能位能§2-6稳定流动能量方程应用举例s22/wzgchq热力学问题经常可忽略动、位能变化例：c1=1m/sc2=30m/s(c22-c12)/2=0.449kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0oC水的h1=84kJ/kg100oC水蒸气的h2=2676kJ/kgsqhw稳定流动能量方程∴1)体积不大2）进出口动能差小3）保温层q0ws=-△h=h1-h20输出的轴功是靠焓降转变的例1：动力机械—利用工质膨胀获得机械能的设备如蒸汽轮机、汽轮机s22/wzgchqΔZ0Δc2/20ΔZ0Δc2/20喷管目的：压力降低，速度提高扩压管目的：动能与焓变相互转换速度降低，压力升高动能参与转换，不能忽略s0w0qs22/wzgchq0gz212ch例3喷管和扩压管（NozzlesandDiffusers）35例4绝热节流s12212222)()(21)(wzzgcchhq特点q=0，ws=0，c2=c1，z2≈z1所以有、h2=h1但需要指出，由于在节流孔口附近流体的流速变化很大，焓值并不处处相等，不能把整个过程看作是定焓过程。绝热节流节流前、后焓相等当气体在管道中稳定流动时，如遇到缩口和阀门等局部阻力装置时，其压力显著下降，这种现象叫做节流。工程上由于气体经过阀门等流阻元件时，流速大、时间短，来不及与外界进行热交换，可近似地作为绝热过程来处理，称为绝热节流.注意：运用热一律分析问题时，经常用到一些假设1、流速较快的过程可按绝热处理。3、除喷管和扩压管外，动能位能的变化常忽略。2、过程进行缓慢时，可认为系统和外界随时处于热平衡。例1空气在某压气机中被压缩．压缩前空气的参数是P1=0.1MPa,v1=0.845m3／kg；压缩后的参数是P2=0.8MPa,v2=0.175m3／kg假定在压缩过程中，1Kg空气的热力学能增加146kJ，同时向外放出热量50kJ，压气机每分钟生产压缩空气10kg。求：(1)压缩过程中对每公斤气体所做的功;(2)每生产lkg的压缩气体所需的功;(3)带动此压气机至少要多大功率的电动机?在压缩过程中，进，排气阀均关闭，因此取汽缸中的气体为热力系，则为闭口系，由闭口系能量方程得1.计算压缩过程所做的功：已知:P1=0.1MPa,v1=0.845m3／kg,P2=0.8MPa,v2=0.175m3／kg；△u=146KJ/kg,q=-50KJ/kgW=q-Δu=(-50KJ/Kg)-146KJ/Kg=-196KJ/Kg2.计算生产压缩气体所需的功选气体的进出口．汽缸内壁及活塞左端面所围空间为热力系，如图b中的虚线所示,由开口系能量方程得已知:P1=0.1MPa,v1=0.845m3／kg,P2=0.8MPa,v2=0.175m3／kg△u=146KJ/kg,q=-50KJ/kgWt=q-Δh=q-Δu-Δ(Pv)=(-50KJ/Kg)-(146KJ/Kg)-(0.8х106Paх0.175m3/kgх10-3-0.1х106Paх0.845m3/kgх10-3)=-251.5KJ/Kg电动机的功率KWKgkJskgwmPt9.41/5.2516010充气问题与热力系统的选取例2:储气罐原有气体m0,u0输气管状态不变，h经时间充气，关阀储气罐中气体m求：充气后储气罐中气体内能u’忽略动、位能变化，且管路、储气罐、阀门均绝热m0,u0h采用二种可取热力系统分析1）取储气罐为系统开口系2）取储气罐原有气体和充入罐中气体一起为系统闭口系m0,u0h1)取储气罐为系统(开口系)忽略动位能变化hcvnet2outout2inind