工程热力学与传热学(中文) 第2章 热力学第一定律

工程热力学与传热学工程热力学第二章热力学第一定律第二章热力学第一定律内容要求:掌握热力学能，储存能的含义深刻理解热力学第一定律的实质掌握热力学第一定律在闭口系统，开口系统中能量方程式的形式掌握体积变化功，流动功，技术功的含义及相互关系掌握焓的含义2-1热力系统的储存能热力系统的储存能：储存于热力系统的能量。（1）内部储存能——热力学能（2）外部储存能——宏观动能，宏观位能2-1-2热力学能（internalenergy）（1）内动能物质内部的分子，原子等微观粒子不停地作热运动的热运动动能。是温度的函数。1.热力学能组成物质的微观粒子所具有的能量。热力学能与物质的分子结构及微观运动形式有关。（2）内位能由于分子间相互作用力的存在所具有的位能，与气体的比体积有关。（3）化学能，原子核能，电磁能。热力学能内动能内位能+可忽略内动能内位能化学能原子核能电磁能++++（3）热力学能是状态参数，是工质温度和比体积的函数。（4）热力学能的大小是相对的。0),(),,(),,(1221duuuduuvpfuorpTfuorvTfu可否找到这样一个状态点：物质内部的一切运动都停止，热力学能为绝对零值？思考2.对热力学能的几点说明（2）比热力学能：单位质量物质的热力学能。u,J/kg。（1）热力学能的单位和符号：单位：焦耳J，符号U。2-1-2宏观动能和宏观位能1.宏观动能（Kineticenergy）由于宏观运动速度而具有的动能，用EK表示。2.宏观位能（Potentialenergy）由于其在重力场中的位置而具有的位能，用EP表示。2-1-3总储存能（storedenergy）mgzEmcEpfk221总储存能：E=U+EK+EP单位J，KJ。比储存能：e=u+ek+ep单位J/kg，KJ/kg。思考题思考题等量空气从相同的初态出发，分别经过可逆绝热过程A和不可逆绝热过程B到达相同的终态，分析空气的热力学能变化ΔUA,ΔUB的关系。2-2热力学第一定律的实质（Thefirstlawofthermodynamics)2-2-1热力学第一定律的几种表述形式表述2：不花费能量就可以产生功的第一类永动机（perpetualmotionmachineofthefirstkind）是永远不可能制造出来的。表述1：在热能和其他形式能的互相转换过程中，能的总量始终不变。2-2-2方程表达式对于任意热力系统（开口，闭口），热力过程：热力学第一定律是人类在实践中积累的经验的总结，不能用数学或其他理论证明。离开系统的能量系统储存能量的变化-进入系统的能量=功量，热量，工质的储存能热力学能，宏观动能，宏观位能的变化。思考题思考题分析下面的说法是否正确1.自然界中发生的一切过程都必须遵守能量守恒定律。2.遵守能量守恒与转换定律的一切过程都可以自发进行。3.热力学第一定律可用于任意系统，任意工质，任意过程。2-3闭口系统的热力学第一定律表达式2-3-1闭口系统的能量方程（energyequation）热力系统：汽缸活塞系统中的工质假设：工质由平衡态1变化到平衡态2从外界吸热Q对外作功W忽略工质宏观动能，位能的变化依据：热力学第一定律QW21闭口系统能量守恒QW21闭口系统能量守恒离开系统的能量系统储存能量的变化-进入系统的能量=离开系统的能量系统储存能量的变化-进入系统的能量=2-3-2几点说明（1）意义：加给工质的热量a:一部分用于增加工质的热力学能。b:另一部分以作功的方式传递到外界。（2）对于1kg工质：q=w+u（3）适用条件：a:可逆过程，不可逆过程。b:理想气体，实际气体。c:工质初，终态为平衡状态。——闭口系统能量方程式（热一解析式）推导：Q–W=UQ=W+U=W+U2-U1QWuQWu2-3-3几种不同形式的表达式（1）任意过程Q=U+Wq=u+w（2）任意微元过程Q=dU+Wq=du+w（3）可逆过程Q=U+12pdVq=u+12pdv（4）可逆微元过程Q=dU+pdVq=du+pdv（5）循环WQQnet=wnetq:微元热量w:微元功量du:热力学能的微元变化量21pdVW21dvpw思考题思考题分析下面的说法是否正确1.系统中工质经历一个可逆定温过程，由于没有温度变化，故该系统中工质不能与外界交换热量。2.封闭热力系内发生可逆定容过程时，系统一定不对外作容积变化功。3.封闭热力系中，不作膨胀功的过程一定是定容过程。4.气体膨胀时一定对外作功。5.工质吸热后一定会膨胀。q=w+u例题1.一个装有２kg工质的闭口系统经历了如下过程：过程中系统散热25kJ，外界对系统作功100kJ，比热力学能减少15kJ/kg，而且整个系统被举高1000m。试确定过程中系统动能的变化。2.一活塞汽缸中的气体经历了两个过程，从状态1到状态2，气体吸热500kJ，活塞对外做功800kJ。从状态2到状态3是一个定压的压缩过程，压力为400kPa，气体向外散热450kJ。并且已知U1=2000kJ，U3=3500kJ。试计算2-3过程中气体体积的变化。例题2-4开口系统稳定流动的能量方程式1.工质的热力状态参数及速度在不同截面上不同。2.开口系统除了通过作功和传热方式传递能量外，还可以借助工质的流动转移能量。3.除了考虑系统的能量平衡外，还必须考虑质量平衡。4.系统与外界交换的功，除了体积变化功，还有流动功。分析WsQ111mvp222mvp21121fc2fcWsQ111mvp222mvp21121fc2fc111mvp222mvp21121fc2fc2-4-1稳定流动（steadyflow）1.稳定流动开口系统内部及边界上各点工质的热力参数和运动参数不随时间变化的流动过程。2.特点单位时间流入系统的工质质量等于流出系统的工质质量工质质量流量维持恒定单位时间内加入系统的净热及系统对外做的净功不随时间改变系统储存能量维持恒定任何空间点上工质的状态参数和流速不随时间而变化。流通截面上一切参数恒定2-4-2流动功（flowwork）1.流动功开口系统中因工质流动而传递的功。2.表示2222211111vpdmWwvpdmWwffff1111ATvp2222ATvp211dm2dx1dx2dm121111ATvp2222ATvp211dm2dx1dx2dm12222222222111111111dmvpdVpdxApWdmvpdVpdxApWff入口处：出口处：单位质量工质：系统为维持工质流动所需的流动功：1122)(vpvppv（1）是工质在开口系统中流动而传递的能量；只有在工质流动过程中才出现。（2）工质在传递流动功时，没有热力状态的变化，也没有能量形态的变化。（3）流动功并不是工质本身的能量。是由泵（或风机）提供的用来维持工质流动，并伴随工质的流入（出）而带入（出）系统的能量。说明1111ATvp2222ATvp211dm2dx1dx2dm121111ATvp2222ATvp211dm2dx1dx2dm122-4-3焓（enthalpy）1.定义：焓H=U+pVJ，kJ比焓h=u+pvJ/kg，kJ/kg（1）物理意义：焓表示随工质流动而转移的总能量中取决于热力状态的那部分能量。（2）焓是一个状态参数。（3）焓的基准点可以人为确定。0),(122121dHHHdHHvTfH什么条件下，热力学能和焓值可以同时为零”？思考2.对焓的几点说明2-4-4开口系统稳定流动能量方程式（Thefirstlawappliedtoopensystem-steadyflow）1.稳定流动能量方程式系统：选开口系统假设：在时间t内流入工质：质量m1，cf1流出工质：质量m2，cf2系统与外界：吸热Q，对外做轴功WS完成过程：工质质量m，总储存能ECV2112Q1fc1z2zWs111mvp222mvp2fc2112Q1fc1z2zWs111mvp222mvp2fct时间内进入系统的能量：11112111)21(vpmgzcumQft时间内流出系统的能量：22222222)21(vpmgzcumWfS系统储存能的增量：CVE依据：离开系统的能量系统储存能量的变化-进入系统的能量=离开系统的能量系统储存能量的变化-进入系统的能量=稳定流动时，系统储存能的增量是多少？思考2112Q1fc1z2zWs111mvp222mvp2fc2112Q1fc1z2zWs111mvp222mvp2fc整理：——开口系统稳定流动的能量方程式适用条件（1）稳定流动。（2）可逆过程，不可逆过程。（3）理想气体，实际气体。SffWvmpgzcumvmpgzcumQ111211222222)21()21(SffWgzgzmccmHHQ)()2121()(12212212SfWzmgcmHQ221Sfwzgchq221h2h12.稳定流动能量方程式的分析Sfwpvzgcuq)(212工质对机器所作轴功)(212pvuhwzgchqSf为维持工质流动所需流动功工质机械能的变化工质热力学能的变化工质吸收的热量热量，热能，热力学能的含义。思考wuq闭口系统能量方程式开口系统稳定流动能量方程式Sfwpvzgcuq)(212结论：无论闭口系统，开口系统，其热变为功的实质是一样的，都是通过工质体积的膨胀将热能转变为机械能，只不过对外表现形式不同。分析Sfwpvzgc)(212w2-4-5技术功1.技术功的定义热力学中，将工程技术上可以直接利用的动能增量，位能增量，轴功总和称为技术功。Sftwzgcw2212.W、WS、Wt、(pv)的关系)()(pvwwpvwwtt3.可逆过程中技术功的计算式21vdpwt4.技术功在坐标图中的表示pv120pdvwvdpvdpwt技术功的坐标图表示pv120pdvwvdpvdpwtpv120pdvwvdpvdpwt技术功的坐标图表示若dp0，wt0，系统对外作技术功。若dp0，wt0，外界对系统作技术功。若dp=0，wt=0，技术功为零。说明212121212121)()()(vdpvdppdvpdvpvdpdvpvwwt2-4-6开口系统稳定流动能量方程式的其它形式（1）任意过程Q=H+Wtq=h+wt（2）任意微元过程Q=dH+Wtq=dh+wt（3）可逆过程Q=H-12Vdpq=h-12vdp（4）可逆微元过程Q=dH-Vdpq=dh-vdpSfwzgchq22121vdpwt分析下面的说法是否正确1.根据热力学第一定律，任何循环的净热量等于该循环的净功量。2.热力过程中，工质向外界放热，其温度必然降低。3.工质从同一初态出发，分别经历可逆过程和不可逆过程到达相同的终态，则两过程中工质与外界交换的热量相同。4.工质所作的膨胀功与技术功，在某种条件下，两者的数值会相等。思考题思考题思考题思考题5.功不是状态参数，热力学能与流动功之和也不是状态参数。6.焓是状态参数。对于闭口系统，其没有物理意义。7.流动功的改变量仅取决于系统进出口状态，而与工质经历的过程无关。2-5稳定流动能量方程式的应用工程中经常使用的热工设备汽轮机和压缩机（Turbinesandcompressors）热交换器（Heatexchanges）喷嘴和扩压器（Nozzlesanddiffusers）节流装置（Throttlingvalves）应用能量方程式的形式tSfwhwzgchqwuq2212-5-1热交换器（heatexchange）3.能量方程式12hhq1.形式：各种加热器，冷却器，散热器，蒸发器，冷凝器等。