热力学第一定律刘英光.ppt

1 第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律First law of thermodynamics2–1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质一、第一定律的实质一、第一定律的实质 能量守恒与转换定律在热现象中的应用能量守恒与转换定律在热现象中的应用二、第一定律的表述二、第一定律的表述 在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传递和转换前后能量的总量维持恒定递和转换前后能量的总量维持恒定 或：或： 热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热与之相应量的热焦耳实验焦耳实验1、重物下降，输、重物下降，输 入功，绝热容入功，绝热容 器内气体器内气体 T  2、绝热去掉，气、绝热去掉，气 体体 T  ，放出，放出 热给水，热给水，T 恢复恢复 原温2-2 热力学能和总能热力学能热力学能 U: 是指组成热力系的大量微观粒子本身所具有的能量，由两部分组成：内动能：分子热运动的动能内位能：分子之间由于相互作用所形成的位能热力学能是工质的状态参数，完全取决于工质的初态和终态，与过程的途径无关。

总能总能动能动能势能势能宏观机械能宏观机械能热力学能热力学能 化学能、原子核能、电磁能化学能、原子核能、电磁能……内动能内动能内位能内位能分子移动分子移动分子转动分子转动分子振动分子振动总能量总能量宏观动能与内动能的区别宏观动能与内动能的区别2—3 能量的传递和转化能量的传递和转化一、作功和传热能量的传递方式：一是作功，二是传热共同点共同点：能量；过程量：能量；过程量不同点不同点：作功有宏观位移，伴随着能量形态的变化：：作功有宏观位移，伴随着能量形态的变化：热力学能热力学能——机械能机械能 传热无宏观位移，无能量形态的变化传热无宏观位移，无能量形态的变化二、推动功和流动功二、推动功和流动功推动功：推动功：开口系统与外界之间因为工质流动而传递的机械功对于单位质量工质，推动功等于pv流流动功：功：出口处付出的推动功与入口处得到的推动功的差流动功可以理解为开口系统维持流动所要付出的代价 推动功的特点：推动功的特点： 1. 1.流动过程才有推动功；流动过程才有推动功； 2.2.工质不断从后面得到推动功，对前面作出该功；工质不断从后面得到推动功，对前面作出该功； 3.3.工质时时具有工质时时具有pvpv能量；能量； 4.4.工质作出推动功时参数不变（与作容积变化功不同）工质作出推动功时参数不变（与作容积变化功不同）. . 一一. .焓的定义焓的定义 在热功计算的公式中，常有在热功计算的公式中，常有 为了简化公式与计算，定义为了简化公式与计算，定义 1. 1.焓是状态参数：焓是状态参数： 称之为焓。

称之为焓 二二. .焓的特性与意义焓的特性与意义 所以焓是状态参数所以焓是状态参数2-4 焓 2. 2.焓有特定的意义焓有特定的意义 取其中取其中1 1千克为研究对象，它时时具有的能量包括：千克为研究对象，它时时具有的能量包括： 则焓的特定意义为：则焓的特定意义为： 焓是焓是流动工质流动工质所时时携带能量中的所时时携带能量中的一部分一部分 2–5 热力学第一定律基本表达式热力学第一定律基本表达式 加入系统的能量总和加入系统的能量总和－－热力系统输出的能量总和热力系统输出的能量总和= 热力系总储存能的增量热力系总储存能的增量EE+dE流入：流入：流出：流出：内部贮能的增量内部贮能的增量：dE 闭口系，闭口系， 忽略宏观动能忽略宏观动能Uk和位能和位能Up，，第一定律第一解析式第一定律第一解析式—功的基本表达式功的基本表达式热热Ø意义：加给工质的热量意义：加给工质的热量= a: 一部分用于增加工质的热力学能，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。

另一部分以作功的方式传递到外界讨论：讨论： 1））对于可逆过程对于可逆过程2））对于循环对于循环3）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W 的的 “+”、、“–”、数值大小数值大小Ø适用条件：适用条件：a: 可逆过程，不可逆过程可逆过程，不可逆过程 b: 理想气体，实际气体理想气体，实际气体 c: 工质初、终态为平衡状态工质初、终态为平衡状态例例 自由膨胀自由膨胀如图，如图，解：取气体为热力系解：取气体为热力系 —闭口系闭口系？？开口系开口系？？强调：强调：功是通过边界传递的能量功是通过边界传递的能量抽去隔板，求抽去隔板，求?2-6 稳定流动能量方程稳定流动能量方程(steady-flow energy equation) 稳定流动 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. 条件：（1）单位时间流入系统的工质质量等于流出系统的工质质量，保证系统内工质质量流量维持恒定； （2）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，保证系 统储存能量维持不变； （3）任何截面上工质的一切参数都不随时间而变化。

流入系统的能量流入系统的能量: :流出系统的能量流出系统的能量: :系统内部储能增量系统内部储能增量: ΔECV–=考虑到稳流特征：考虑到稳流特征： ΔECV=0 qm1=qm2=qm; 及及h=u+pv 讨论：1）改写式（）改写式（B）为式（）为式（C））热能转变热能转变成功部分成功部分输出轴功输出轴功流动功流动功机械能增量机械能增量（C）2）技术功技术功(technical work)—由式（由式（C））技术上可资利用的功技术上可资利用的功 wt可逆过程可逆过程3)第一定律第二解析式第一定律第二解析式1)通过膨胀，由热能通过膨胀，由热能 2)第一定律两解析式可相互导出，但只有在开系中第一定律两解析式可相互导出，但只有在开系中 能量方程才用焓能量方程才用焓4）两个解析式的关系）两个解析式的关系功，功，w = q –Δu总之：总之：可逆可逆1.动力机械Ø 各种热力发动机，如燃气轮机，蒸汽轮机；2-7 能量方程式的应用Ø 主要表现 （1）略散热，近似绝热过程, q=0 ; （2）动能，位能的变化较小， 可忽略cf2 =0,  z = 0Ø 能量方程式：Ø说明（1）对外输出的轴功等于工质的焓降； （2）此时轴功就是技术功。

2.压气机 Ø主要表现：（1）略散热，q为负，近似绝热过程;（2）动能，位能的变化较小，可忽略cf2 =0,  z =0Ø 能量方程式：Ø 说明： 工质流经泵或风机时，消耗的轴功等 于工质焓的增加Ø 水泵，风机等压缩机械热交换器之换热器3.热交换器Ø能量方程式：Ø说明：q等于换热器进出口工质比焓的变化 即：加入的热量用于增加工质的焓Ø各种加热器，冷却器，散热器，蒸发器，冷凝器等Ø主要表现（1）与外界只有热量交换，无功量交换，ws=0;（2）动能，位能的变化较小，可忽略cf2 =0,  z =0气体或液体4.绝热节流 Ø 主要表现：（1）流动是绝热的；（2）不对外作功；（3）前后两个截面的动能，位能的变化较小，可忽 略cf2 =0,  z =0Ø 能量方程式： Ø说明（1）节流前后焓值相等； （2）节流过程是典型的不可逆过程Ø 阀门，孔板流量计等11225.喷管Ø 主要表现：（1）流经喷管时，速度大，时间短，散热很小 流动近似是绝热的；（2）属于管内流动，无轴功输入或输出；（3）位能的变化较小，可忽略  z =0。

Ø 能量方程式：Ø 说明 ：工质流经喷管时，动能的增加等于 焓值的减少Ø 收缩型喷管，缩放型喷管（拉伐尔喷管）  0.1 MPa，，20 ℃的空气在压气机中绝热压缩升压升温后导入的空气在压气机中绝热压缩升压升温后导入换热器排走部分热量，再进入喷管膨胀到换热器排走部分热量，再进入喷管膨胀到0.1 MPa、、20℃喷管出口截面积出口截面积A = 0.032 4 m2，气体流速，气体流速cf2 = 300 m/s已知压气机已知压气机耗功率耗功率710 kW，，问换热器中空气散失的热量问换热器中空气散失的热量解：解：对对 CV 列能量方程列能量方程流入：流入：流出：流出：内增：内增： 0或据稳定流动能量方程或据稳定流动能量方程据据题义，题义，忽略位能差　忽略位能差　黑箱技术黑箱技术 有一台稳定工况下运行的水冷式压缩机，运行参数如有一台稳定工况下运行的水冷式压缩机，运行参数如附图所示设空气的比热容附图所示设空气的比热容cp=1.003 kJ/(kg·K),水的比水的比热容热容cw= 4.187 kJ/(kg·K)若不计压气机向环境的散热。

若不计压气机向环境的散热损失以及动能差及位能差，试确定驱动该压气机所需的损失以及动能差及位能差，试确定驱动该压气机所需的功率[已知空气的焓差已知空气的焓差h2- -h1= cp(T2- -T1)]取控制体为压气机（但不包括取控制体为压气机（但不包括水冷部分）考察能量平衡水冷部分）考察能量平衡解：解：流入：流入： 流出：流出：内增：内增： 0 取整个压气机（包括水冷部分）为系统，忽略动能差及位取整个压气机（包括水冷部分）为系统，忽略动能差及位能差则：能差则：流入：流入：流出：流出：内增内增 0查水蒸气表得查水蒸气表得本题说明：本题说明： 1）同一问题，取不同热力系，能量方程形式不同同一问题，取不同热力系，能量方程形式不同 2）黑箱技术不必考虑内部细节，只考虑边界上交换及状况黑箱技术不必考虑内部细节，只考虑边界上交换及状况 3）不一定死记能量方程，可从第一定律的基本表达出发不一定死记能量方程，可从第一定律的基本表达出发。