工程热力学—2-热力学第一定律

12热力学第一定律2.1热力学第一定律的内容2.1.1热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象上的应用。能量守恒与转换定律是自然界的基本规律之一，它指出：自然界中一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态；在能量的转变过程中，一定量的一种形态的能量总是确定地相应于另一种形态的能量，能的总量保持不变。这一在现代看来非常明显，非常质朴的定律，是人类经过很长时期的生活和生产实践才认识的。人类对热的本质的认识，从热素说发展到分子动理论，用了几千年。1840～1851年间，经过迈耶、焦耳等人的努力，才确立了这一定律。对于任何一个热力系统，热力学第一定律可以表达成：进入系统的能量–离开系统的能量=系统贮存能量的变化（2－1）2.1.2热力学能（内能，internalenergy）某一热力系统与外界进行功（W）和热量（Q）的交换时，将引起系统内贮存的全部能量––––总能量E的变化。系统贮存的总能量包括：系统工质做宏观运动时的动能EK；系统工质在有势场（重力场、电磁场等等）中处于一定位置时具有的势能（位能）EP；和系统工质内部物质运动所具有的能量––––热力学能U。（国家标准《量和单位》GB3100––93系列中规定物理量“内能”由“热力学能”取代，但相当多的一批学者认为这个规定有问题。）Internalenergy——内能，即内部贮存能，它的大小不需要系统外边的参照物，只由系统工质自身的性质来决定。而动能和势能大小的确定必须有外部参照物做基准，所以动能和势能又称为外部贮存能。热力学能是工质内部物质运动所具有的能量，工质内部物质运动形式有热运动、分子间相互作用、原子间作用（化学反应）、核子间作用等等①。在工程热力学讨论范围内，一般不考虑原子间作用（化学反应）、核子间作用等等，所以关于热力学能我们仅仅考虑热运动和分子间相互作用的部分。分子的热运动形成内动能。包括分子的移动、转动和分子内原子振动的动能。温度与分子运动速度成正比，温度越高，内动能越大。分子间相互作用力形成内位能（内势能）。内位能与分子间的平均距离有关，即与工质的比体积有关。温度升高，分子运动加快，碰撞频率增加，进而使分子间相互作用增强，所以内位能也与温度有关。因此，工质的热力学能决定于工质的温度T和比体积v，也就是决定于工质所处的状①在这个意义上，热力学能包括化学能和核能。“热力学能”显然是按学科命名，但是小学科热力学包括了大学科化学，有点滑稽。另外，化学能实际是来源于化学键，与学科无关，其他能的命名也与学科无关，所以热力学能的命名很不恰当。第三，在国际交往中也可能产生障碍，尤其是稍稍懂点中文的外国人理解起来还真不容易。2态。热力学能是一个状态参数，可写成u=f(T，v)我们用U表示一定质量的工质的热力学能，单位为焦耳，J；用u表示单位质量的工质的热力学能，称为比热力学能，单位为焦耳每千克，J/kg。热力学能的绝对值无法测定，因为物质的运动是永恒的，要想找到一个没有运动而热力学能为零值的基点是不可能的（本质上这是热力学第三定律的内容）。在工程计算中，通常只涉及到比热力学能的相对变化u，所以可以任意选取某一状态的热力学能为零，作为计算基准。2.2热力学第一定律的表达式首先考虑一个与外界只有能量交换而无物质交换的闭口系统。以气缸内的工质为热力系统，当系统从外界吸取热量Q后，从状态1膨胀到状态2，并对外作功W。由于是闭口系统，工质的质量恒定不变，且工质的动能和势能也可以忽略（想一想为什么？），于是由式（2–1）得Q－W=U（2－2a）对于单位质量（1kg）工质，则可写成q=u＋w（2－2b）对于一个微元变化过程，则有dq=du＋dw（2－2c）式（2–2）称为热力学第一定律基本方程式（还称为闭口系统能量方程、闭口系统热力学第一定律数学表达式、热力学第一定律第一表达式和热力学第一定律第一解析式）。它表明：系统工质吸收的热量，一部分用于增加系统的热力学能，贮存于系统内部，另一部分以功的形式传递给外界转换为机械能。式（2–2）虽然是由闭口系统推出的，但它适用于任意系统、任意工质和任意过程。对于可逆过程，Q=U＋12pdV（2－3a）q=u＋12pdv（2－3b）dq=du＋pdv（2－3c）2.3稳定流动能量方程实际工程中，所遇到的系统几乎全是开口系统，因为生产都是连续的。为简单起见，仅研究开口系统中的特例––––稳定流动系统。热工设备在正常运行时，工质的流动均可视为稳定流动。所谓稳定流动，是指在热力系统中，任何截面上工质的一切参数都不随时间而变。因为稳定流动，所以进出口处工质的状态不随时间而变；因为稳定流动，所以进出口处工质流量相等且不随时间而变，满足质量守恒条件；因为稳定流动，所以系统和外界交换的热和功等一切能量不随时间而变，满足能量守恒条件。那么，稳定流动系统能满足热力学平衡的条件吗？严格讲，开口的流动系统均不是热力学平衡的，而是在其内部发生了状态变化过程。我们按照准平衡过程乃至可逆过程的要求来将其理想化，从而可以对其进行热力学分析。3图2–1考虑单位质量工质，如图2–1所示。由于系统内部各个截面上工质的一切参数均不随时间而变，所以系统内部贮存的能量也不变，★进入系统的能量有：工质从外界吸收的热量q和工质经进口截面1–1流进系统时带进的能量ein。工质带进的能量有：1.工质的比热力学能u1。2.工质的推动功p1v1。推动功（亦称为流动功）的定义为，工质在流动时，推动它下游工质时所作的功。该功等于作用力pA（A为流动截面积）乘以流体延伸的距离s，即等于pAs，而As等于流体的比体积v。推动功由上游推下游，一拨推一拨，依次传递。（我个人认为推动功应该定义为由于工质在一定状态下占有一定空间所具有的能量，它是工质本身所固有的性质，是一个状态参数。）3.工质相对外界某一基准面有一定高度z1而具有的位能gz1。4.工质的流速为cf1，因而具有动能2121fc。（因为v已用来表示比体积，w已用来表示功，所以只好用cf来表示速度了。）★离开系统的能量有：系统对外界输出的轴功ws（轴功，顾名思义是从轴上输出的功，即从系统中输出给外界利用的功。）和经出口截面2–2流出系统时带出的能量eout。工质带出的能量有：1.工质的比热力学能u2。2.工质的推动功p2v2。3.工质相对外界某一基准面有一定高度z2而具有的位能gz2。4.工质的流速为cf2，因而具有动能2221fc。根据式（2–1），有(u1＋p1v1＋2121fc＋gz1＋q)－(u2＋p2v2＋gz2＋2221fc＋ws)＝0整理得q＝(u2＋p2v2＋gz2＋2221fc)－(u1＋p1v1＋2121fc＋gz1)＋ws（2－4a）或者写成4q＝u＋(pv)＋gz＋221fc＋ws（2－4b）对于微元系统dq＝du＋d(pv)＋gdz＋221fdc＋dws（2－4c）式（2–4）就叫做稳定流动能量方程式。稳定流动能量方程与前面从闭口系统推出的式（2–2）热力学第一定律基本方程式是等价的，式（2–2）也适用于开口系统。在图2–1中，取截面1–1处1kg工质为一闭口系统，该系统流经整个开口系统，经历变化，到达截面2–2处，工质状态从1变化到2，可以使用式（2–2）。显然，对一个热力学问题，热力系统可以有不同的划分方法，而不同的划分方法可以建立不同的方程。但一个过程的物理本质只有一个，所以针对同一个过程建立的不同的方程必然是等价的。因此，式（2–2）与式（2–4）完全等价。在式（2–4）的右侧，u和(pv)都是决定于系统状态的量，是由工质本身携带的能量，而gz、221fc和ws都是机械能，通过使z=0和cf=0可以使gz和221fc全部转换为外界所能利用的机械能，而pv则不可能等于零，因而(pv)也就不可能全部转换为外界所能利用的机械能，令wt＝gz＋221fc＋ws，wt就是能够全部为外界所利用的机械能，称之为技术功；令h＝u＋pv，h就是工质携带的、随着工质流动而转移的能量，称之为焓，焓也是一个状态参数，由于焓的性质，在热力工程中焓比热力学能有更广泛的应用。利用wt和h，式（2–4）变成：q=h＋wt（2－5）式（2–5）称为热力学第一定律第二表达式（或热力学第一定律第二解析式）。它与热力学第一定律第一表达式和稳定流动能量方程式都是等价的。由式（2–2）、（2–4）和（2–5）可得：w＝wt＋(pv)（2–6）这意味着，热力过程中工质膨胀所作出的功一部分用来补充推动功的变化，另一部分是技术功，可以由外界利用。对于可逆过程，由于wpdv1212，所以wvdpt,1212（2–7）它可以用pv图上用过程曲线左侧的面积1–2–3–4–1表示，如图2–2所示。技术功也是与过程有关的量。图2–2q=u+wq=u+(pv)+21cf2+gz+wiq=h+wt52.4热力学第一定律的具体应用热力学第一定律在工程上的应用很广，可用于计算任何一种热力设备中能量的传递和转化。从热功互换角度来看，热力学第一定律解析式是热力状态变化过程的核心。具体应用如下：图2–3热力学第一定律的具体应用于各种热工设备2.4.1锅炉和各种换热器：工质流经锅炉、回热器等热交换器时，和外界有热量交换而无功的作用。动能差、位能差均可忽略。当工质的稳定流动时，工质的吸热量为：q=h2–h12.4.2汽轮机和燃气轮机等动力机械：工质流经汽轮机等动力机械时，压力降低对外作轴功，动能差、散热损失、位能差均可忽略：ws=h1–h22.4.3压气机、泵与风机：工质流经压气机时，外界对工质作功，使工质升压。动能差、位能差均可忽略：ws=q+(h1–h2)对于绝热压缩：ws=h1–h22.4.4管道：工质流经诸如喷管、扩压管道时，不对设备作功，位能差、换热量均可忽略。若工质的流动稳定，则可得工质动能的增量：cf22–cf12=2(h1–h2)2.4.5节流：在离阀门前后不远的两个截面处，工质的状态趋于平衡，设流动是绝热的，两截面间动能差、位能差均可忽略，也无对外作功：h1=h22.4.6涡轮机叶轮：工质流经涡轮机叶轮上的动叶栅，推动叶轮对外作功。散热损失、位能差可忽略。并设工质冲击叶栅时不发生热力状态变化，焓值可不计：wi=（cf22–cf12）/22.5企业热平衡2.5.1企业热平衡6企业能量平衡是对企业用能进行科学的数量分析，探索能源使用最优化的方法，从而节约能源的一种能源科学管理措施。企业能量平衡包括用热设备和企业的热能利用的数量平衡––––热平衡，把动力、照明、水气供应等等均考虑在内的能量平衡和既考虑数量又考虑质量的平衡等不同层次，其中热平衡是能量平衡的主要内容和基本方面。企业热平衡是指从企业生产活动中的能量收支平衡出发，分析企业用能情况，得出产品的能耗指标和企业能源利用率，并通过与国内外先进企业水平的对比，分析能耗高、利用率低的原因，找出生产中浪费能源的环节，明确节能方向，制订近期的节能措施和长远的节能规划。企业热平衡的基础是设备热平衡，后者以设备为体系，研究进入设备的能量和离开设备的能量在数量上的平衡关系（可用热平衡方程式、热平衡表或热流图表示），并用热效率指标来体现设备的用能水平。通过企业热平衡，可以达到如下目的：一、摸清能耗状况通过收集和统计资料、测试、计算等手段，摸清能源构成及其来龙去脉（设备、企业的能量收支情况），计算出产品的单位能耗、综合能耗和可比能耗，制定或核定能耗定额，使工艺能耗定额和企业燃料供应定额更科学合理。二.掌握用能水平通过企业热平衡工作，掌握主要用能设备的热效率和整个企业的能源利用率。编制整个企业的热平衡表和绘制热流图，形象直观地反映企业用能情况和水平。三.加强能源科学管理建立能源管理制度，为企业的能源科学管理奠定基础。主要内容包括：技术干部、工人的培训制度；建立健全节能管理体系和明确热管理师职能范围；建立能源管理技术档案；建立用能调度制度；根据企业情况制定岗位责任制和奖惩条例。四.制定节能规划通过对重点工艺、设备测试的结果进