工程热力学课件----第二章-热力学第一定律

第二章热力学第一定律第一节热力学第一定律的实质热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象中的应用。热是一种能量，机械能可以转变为热能，热能也可以转变为机械能，在转变过程中保持量的守恒。第二节热力学能和系统的总能量一、热力学能1、外部储存的能量:系统由于宏观运动所具有的能量。动能Ek势能Ep。2、内部储存能量:系统内部分子运动的内动能、相互作用的内位能及维持分子结构的化学能和原子核内部的原子能等。这些能量总称为热力学能。热力系所储存的能量可分为外部能量和内部能量：UvTT)()(热力学能原子核能化学能、内势能内动能在无化学反应和核反应的简单可压缩系统中•由热力学能所包含的能量形式可知，热力学能是状态参数。比热力学能可表示为：1)-(2),();,(),(vpfupTfuvTfu或根据状态参数的特点可有：00dUdu热力学能U单位:J或kJ比热力学能u=U/m单位:J/kg或kJ/kgUvTT)()(热力学能、内势能内动能二、系统的总能量pkEEUEgzcueeuepk2f21mgzEmcEpfk;212第三节热力学第一定律的能量方程式根据热力第一定律，对于一个任意热力系统，能量方程可写成进入系统的能量－离开系统的能量＝系统能量的增加（2－9）一、闭口系统的能量方程式EWQ当宏观的动能的势能的变化可以忽略不计或系统静止时ΔE＝ΔU，则第一定律的方程式可写成)102(WUQUWQ或Q与W正、负号的规定系统吸热Q为正，放热Q为负；系统对外作功W为正，外界对系统作功W为负能量方程式（2－10）常写成)132,122()112,102(wduqwuqWdUQWUQ上式的适用条件是：任何过程，任可工质。对于可逆过程2121pdvwpdVWpdvwpdVW闭口系任何工质、可逆过程的能量方程式可写成5)-(214)-(22121pdvuqpdvduqpdVUQpdVdUQ对于一个循环0所以由于dUWdUQWdWdQQnetnetwdwdqqnetnet二、开口系统的能量方程式1、稳定流动系统的能量方程稳定流动：流动过程中开口系内部的状态参数（热力学参数和动力学参数）不随时间变化的流动称为稳定流动。mmm21稳定流动时必有0CVE稳定系统的能量分析(在一段时间内）：进入系统的能量：离开系统的能量：系统能量的增加：ΔECV＝0111121f11111)21(vpmgzcumQVpEQiiWvpmgzcumWVpE222222f22222)21(进入系统的能量－离开系统的能量＝系统能量的增加（2－9）iWvpmgzcumvpmgzcumQ111121f11222222f22)21()21(由于m1=m2=m,整理上式得iWgzcvpumgzcvpumQ)21()21(121f111222f222代入上式得令pVUH)242(21)232(212f2fiiWmgdzmdcdHQWzmgcmHQ对上式两边同除以m得3、焓的定义及物理意义2、推动功和流动功推动功：由于工质移动而传递的功称为推动功：pV流动功：用于维持流动所需要的功：Δ(pV)=p2V2－p1V1定义：H=U+pV或h=u+pv单位：J,kJ或J/kg,kJ/kg焓的物理意义:随着工质移动的能量.。iwzzgcchhq)()(21)(1221f22f12)212(212fiwzgchq)222(212fiwgdzdcdhq4、技术功在式(2-16)中是机构能的iwzzgcc)()(211221f22f形式,可供工程中直接利用，所以定义它为技术功：)262()()(211221f22fitwzzgccw比较式（2－12)和（2－21）ttwpvuwhqwuq)(25)-(221)()(2fitwzgcpvwpvuqw若为可逆过程(29)vdpwt)()(2121ttwpvdwpvpdvw)(2121212121vdppdvpdvpvdpdvwt(28)21vdpwt引入技术功后稳定系统能量方程式可写为)312()302(ttWHQwhq)332()322(ttWdHQwdhq若过程可逆)352()342(2121VdpdHQVdpHQvdpdhqvdphq5、一般开口系统的能量方程进入系统的能量：离开系统的能量：系统能量的增加：ΔECV111dVpdEQiWdVpdE222在dτ间内)182()21()21(1121f12222f2iCVWmgzchmgzchdEQ代入式（2－9）整理后得第四节稳定系统能量方程式的应用)212(212fiwzgchq一、动力机（蒸汽轮机和燃气轮机)21tiwhhhw二、压气机12tiCwhhhww压气机的耗功为wc三、换热器12hhhq四、管道2121f22f)(21hhcc五、节流21hh例题一：p43例2－1例题二：p50例2－3(1)燃气在喷管出口的流速cf3;(2)每干克燃气在燃气轮机中所作的功；(3)当燃气质量流量为5.23kg/s时，燃气轮机输出的功率。燃气轮机装置如图所示。已知在截面1处h1=286kJ/kg的燃料与空气的混合物以20m/s的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，相当于从外界获得热量q=879kJ/kg。燃烧后的燃气在喷管中绝热膨胀到3，h3=502kJ/kg.流速增加到cf3。然后燃气推动叶轮转动作功。若燃气推动叶轮时热力状态不变，只是流速降低。离开燃气轮机的速度cf4=150m/s.试求：例题三：解：（1）取1－3截面为热力系统13132f13131321iwzgchq方程简化为＝＝由于001313iwz)(212f12f31313cchhq2f331f13322[()]2[87910J/kg(502286)10J/kg20(m/s)1152m/scqhhc（2）取3－4截面为热力系统34342f34343421iwzgchq0z03434＝由于q又由“若燃气推动叶轮时热力状态不变”，方程化简为即所以03443ΔhhhkJ/kg652J/kg652302])m/s(150)m/s(1152[212122222f3434cwi（3）功率为PP＝qmwi34=5.23×652=3410kW试分析有无其它的解题思路？问答题1、热力学第一定律的实质是什么？2、工程热力学中，热力学能包含哪几项能量的形式。3、写出稳定流动系统的能量方程式，当用于锅炉、汽轮机及节流过程时方程的简化形式。在以上三种过程中膨胀功的表现形式。4、说明焓的定义式及物理意义。5、写出技术功的定义式。可逆过程的技术功在p-v图上如何表示。6、给一不可压缩的流体绝热的情况下加压，热力学能和焓如何变化？作业•2-3•2-5•2-7•2-10•2-13•2-18傅秦生教授