工程热力学幻灯片(3、4、5章上)

1第三章热力学第一定律2第一节热力学第一定律的实质本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用能量既不可能创造，也不可能消灭，只能从一种形式转换成另一种形式。在转换中，能的总量不变。第一类永动机是不可能制成的。它是一种不供给能量而能永远对外作功的机器。基本能量方程式：进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能的变化量3分子动能（直线移动、转动、振动）（温度的函数）分子位能（内位能）（比容的函数）核能化学能内能内能是状态量。理气的内能是温度的单值函数U:广延参数[kJ]u:比参数[kJ/kg]内能总以变化量出现，内能零点人为定说明：第二节系统储存能一、内能：储存于系统内部的能量)(),(TfuvTfu理气4二、外部储存能宏观动能Ek=mc2/2宏观位能Ep=mgz机械能（需借助系统外的参考坐标）三、系统总储存能系统总能=内部储存能+外部储存能E=U+Ek+Ep=U+mc2/2+mgze=u+ek+ep一般与系统同坐标，常用U,dU,u,due=u+ek+ep=u+c2/2+gz5第三节系统与外界传递的能量一、热量二、功量1、膨胀功2、轴功：系统通过机器轴与外界传递的功三、随物质流传递的能量1、流动工质本身的能量当min进入系统时，带入了它本身的储存能：(u+c2/2+gz)inmin6pfpVdsW推=Pfds=PdVdV为m所占的容积dV=vm则1Kg工质：w推=pv注意：不是pdvv没有变化推进功的表达式：流动净功：w=p2v2-p1v17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（如动能、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8四、焓及其物理意义1、定义：焓h=u+pv[kJ/kg]H=U+pV[kJ]焓是状态参数2、物理意义：1Kg工质进入系统所带入的能量有：（u+c2/2+gz）+pv而其中仅（u+pv）取决于工质的热力状态。如果动位能可以忽略不计，则焓就是总能量93、理想气体的焓h=u+pv=u+RT理气的焓也是温度的单值函数焓（Enthalpy)的说明1、焓是状态量2、H为广延参数H=U+pV=m(u+pv)=mhh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。10第四节闭口系统能量方程式一、闭口系统能量方程式1、闭口系统能量方程式的推导QWQ-W=EE=UQ=U+WQ=dU+W单位工质q=du+wq=u+w闭口系热一律表达式11说明：1）适用条件：任何工质任何过程2)代数式：吸热为正；作功为正3）加给系统的热量，一部分增加系统的内能，一部分作功4）对于可逆过程：q=du+pdvq=u+pdvQ=dU+pdVQ=U+pdV12二、循环过程wwduq1、正向循环向冷源放热功热向热源吸热20121021000)(qwqqqwqqqwwqTS1213正向循环的总效果：伴随着由热源吸取的热量中一部分转化为功的同时，另一部分热量放向冷源12121101qqqqqqw2、逆向循环：从冷源吸热热功向热源放热绝对值2012102100)(qwqqqwqqqwwq14121101'21202qqqwqqqqwq三、理想气体1、理想气体的内能变化量等温线又是等内能线、等焓线V12pT1T22’2’’dTcqwqudTducdTcqwqduuuuuvvvvvvvvvvvvvp/'2,12,115理气的定容比热是温度的单值函数dTcuuvv)(12TTcuv定比热2、理想气体闭口系统能量方程式q=cvdT+pdvq=cv（T2-T1）+pdvQ=mcvdT+pdVQ=mcv（T2-T1）+pdV3、混合气体的内能：等于各组成气体内能之和16iniiiniiniiinnininugummuumumumumummuUUUUUU1113322111321......17•闭口系能量方程中的功功（w）是广义功闭口系与外界交换的功量q=du+w容积变化功、拉伸功、表面张力功•闭口系能量方程的通式若在地球上研究飞行器q=de+w=du+dek+dep+w18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简单可压缩系可逆过程q=Tdsq=du+pdvq=u+pdv热一律解析式之一Tds=du+pdvTds=u+pdv热力学恒等式19第五节开口系统能量方程WsQminmoutuinuoutgzingzout212inc212outc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一、开口系能量方程的推导20Q+(u+c2/2+gz+pv)inmin-(u+c2/2+gz+pv)outmout-Ws=dEcv进入系统的能量：Q+(u+c2/2+gz+pv)inmin离开系统的能量：Ws+(u+c2/2+gz+pv)outmoutQ=dEcv+(u+pv+c2/2+gz)outmout-(u+pv+c2/2+gz)inmin+Ws21工程上常用流率：2cvout2innetind//2/2outQEupvcgzmupvcgzmW当有多条进出口：netcv2outout2inind//2/2QEWupvcgzmupvcgzm流动时，总一起存在22hh23第六节开口系统稳态稳流能量方程WsQminmoutuinuoutgzingzout稳态稳流条件：1、2、3、每截面状态不变4、24一、稳定流动能量方程的推导稳定流动条件0mmsW25稳定流动能量方程的推导22soutin22ccQmhgzhgzW1kg工质22soutin22ccqhgzhgzw2s12qhcgzw任何流动工质、稳定流动过程26二、技术功技术功wt1、技术功2、用技术功表示的能量方程3、方程也可以写成q=u+w的形式q-u=wq-u=（p2v2-p1v1）+c2/2+gz+wsq=h+wtq=dh+wt27如果把w理解为对外输出的功时，方程式仅适用于闭系；如果把w理解为工质膨胀所作的膨胀功时，方程式既适用于闭系又适用于开系。两个方程是等价的。w=（p2v2-p1v1）+c2/2+gz+ws技术功wt4、技术功的定义式Wt=w+p1v1-p2v2Wt=w-d(pv)285、对于可逆过程6、技术功在示功图上的表示：29wwt△(pv)ws做功的根源c2/2g△z容积变化功w技术功wt轴功ws推进功(pv)7、几种功的关系？308、小结：（技术功是过程量）q=h+c2/2+gz+wsq=h+wtq=dh+wtq=h-∫vdp准静态热一律解析式之一热一律解析式之二31三、理想气体1、理想气体焓的变化量dTcqwqhdTducdTcqwqdhhhhhppppppppppppvp/'2,12,1理气的定压比热是温度的单值函数dTchhpp)(12TTchp定比热2、理想气体开口系统稳流能量方程式32q=cpdT-vdpq=cp（T2-T1）-vdpQ=mcpdT-VdpQ=mcp（T2-T1）-Vdp3、混合气体的焓：等于各组成气体焓之和iniiiniiniiinnininhghmmhhmhmhmhmhmmhHHHHHH1113322111321......33第七节稳定流动能量方程的应用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/kg34锅炉汽轮机给水泵过热器压气机燃气轮机燃烧室空气废气35火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站燃气轮机蒸汽轮机一、动力机：q=h+c2/2+gz+ws000ws=-h=h1-h236二、压缩机械火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机水泵制冷空调压缩机1、q02、动、位能变化量0ws=-△h=h1-h20wc=-ws=h2-h1同前：输入的轴功转变为焓升37三、换热设备热流体放热量：没有作功部件：热流体冷流体h1h2h1’h2’冷流体吸热量：焓变锅炉、凝汽器蒸发器、冷凝器38绝热节流过程前后h不变，但h不是处处相等h1h2没有作功部件：绝热：四、绝热节流管道阀门膨胀阀、毛细管39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，不能忽略五、喷管和扩压管蒸汽轮机静叶压气机静叶40六、涡轮机1)g△z02）流动前后不发生热力状态的变化△h=03）流动很快q0s22/wzgchqws=-c2/2=c21/2-c22/2是单纯的机械能转变过程41第八节开口系统一般能量方程式的应用（充放气过程）充放气过程是典型的不稳定流动过程两点假定：（均匀状态定态）1、在每一瞬时各处的参数是均匀一致的2、气体在入口处的状态是稳定的充气过程：例：储气罐原有气体m0,u0输气管状态不变经时间充气，关阀储气罐中气体mh1、p1、T142m0,u0h、p、T忽略动、位能变化，且管路、储气罐、阀门均绝热求：储气罐中气体内能u’取系统：1）取储气罐为系统开口系2）取最终罐中气体为系统闭口系闭口系4）取储气罐原有气体为系统闭口系3）取将进入储气罐的气体为系统43解：1)取储气罐为系统(开口系)忽略动位能变化绝热无作功部件无离开气体h、p、T内能的增量充入的能量44经时间充气，积分：h是常数若充气前储气罐内是真空：u’=h若充气后压力与总管压力相同，求终温：cvT’=h=u+RT=cvT+RT=cpTT’=cpT/cv=κT452）取最终罐中气体为系统(闭口系)hm0m-m0绝热m-m0463）取将进入储气罐的气体为系统(闭口系)m0hm-m0m0与m-m0有温差传热Q1m-m0对m0作功W1??m-m0474）取储气罐原有气体为系统(闭口系)m0hm-m0m0与m-m0有温差传热Q1’m0得m-m0作功W1’??4849四种可取系统1）取储气罐为系统开口系2）取最终罐中气体为系统闭口系3）取将进入储气罐的气体为系统m0,u0h闭口系4）取储气罐原有气体为系统闭口系√√50利用热一律的文字表达式进－出＝内能变化h内能变化：取储气罐为系统(开口系)进：出：m0,u051充气终温的计算已知：理想气体求：储气罐中气体终温m0=0h两种算法t=15℃℃K?52充气终温的计算关键看u与h的零点是否相同m0=0ht=15℃℃K理想气体53第三章小结1、本质：能量守恒与转换定律进-出=储存能的增量2、闭口系统热一律表达式：q=du+wq=u+w3、开口系统热一律表达式54准静态下两个热力学微分关系式适合于闭口系统和稳流开口系统后续很多式子基于此两式554、u与hU系统本身具有的内部能量H不是系统本身具有的能量，开口系中随工质流动而携带的，取决于状态参数的能量q=cvdT+pdvq=cv（T2-T1）+pdvq=cpdT-vdpq=cp（T2-T1）-vdp56第三章讨论课思考题工质膨胀是否