热工流体第二章 热力学第一定律.docx

第二章 热力学第一定律第一节 第一定律的实质及热力学能和总能能量守恒与转换定律是自然界的基本规律之一，它指出：自然界中的一切物质都具有 能量，能量不可能被创造，也不能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且 在能量的转化过程中能量总量不变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它确定了热力过程中热力 系统与外界进行能量交换时，各种形态能量数量上的守恒关系一、热力学能热力学能是与物质内部粒子的微观运动和粒子的空间位置有关的能量它包括分子移 动、转动、粒子震动运动的内动能和分子间由于相互作用力的存在而具有的内位能，故又 称内能内动能取决于分子热运动，是温度的函数，而内位能取决于分子间的距离，是比 体积的函数，即u = f ( T, v )二、总能 除热力学能外，工质的总能量还包括工质在参考坐标系中作为一个整体，因有宏观 运动速度而具有动能、因有不同高度而具有位能前一种能量称之为内部储存能，后两种 能量则称之为外部储存能我们把内部储存能和外部储存能的总和，即热力学能与宏观运 动动能和位能的总和，叫做工质的总储存能，简称总能即E = U + E + E (2-1)pkE---总能；U---热力学能；Ek---宏观动能；kEp---宏观位能。

p第二节 第一定律的基本能量方程及工质的焓一、焓在有关热力计算总时常有 U+pV 出现，为了简化公式和计算，把它定义为焓，用符 号 H 表示，即2-2)H=U+pV1kg 工质的焓值称为比焓，用 h 表示，即h=u+pv （2-3）焓的单位是J，比焓的单位是J/kg焓是一个状态参数，在任一平衡状态下，u、p和 v 都有一定得值，因而焓 h 也有一定的值，而与达到这一状态的路径无关当 1kg 工质通过一定的界面流入热力系统时，储存于它内部的热力学能当然随着也 进入到系统中，同时还把从外部功源获得的推动功pv带进了系统因此系统中因引进1kg工质而获得的总能量是热力学能与推动功之和（u+pv）,即比 焓闭系热力学第一定律能量方程图 2-1图 2-1 所示，由气缸和活塞组成的一个不做宏观运动及不改变其在重力场中位置的闭 口系统气缸内有1kg气体系统初态为平衡状态，在外界向系统加入热量q时，使气缸 内气体膨胀，对外作膨胀功w,同时气体受热，热力学能业变化了 Au,最后系统又达到一 个新的平衡状态根据第一定律，则2-4)对于由质量 m 的气体组成的闭口系统，Q = A U + W （2-5）上两式为普适方程，它适用于初态，终态为平衡态的一切过程、一切系统、一切物 质。

例2-1有一闭口系统从外界吸收热量12000KJ，吸热后对外做膨胀功为8000KJ试 计算该闭口系统热力学能的变化量解：由题意可知， Q=12000KJ、W=8000KJ，AU=Q-W=12000-8000=4000（KJ）表明外界传入该闭口系统的12000KJ热量，一部分用于对外作膨胀功8000KJ，另一部分使系统热力学能增加 4000KJ第三节 稳定流动能量方程若工质以恒定流量连续流经热力设备，并且能量交换不随时间而变化，这就是稳态稳 流工况实际工程中的大多数热力设备除极短时间外，一般都是以这种稳态稳流工况运行， 其特征是：（ 1） 工质连续流经热力设备，其质量流量不随时间而变化；（2） 系统与外界的功量、热量交换不随时间而变化；（3） 系统内部储存的能量不随时间而改变；（ 4） 系统、外界各处状态参数不随时间而变化图 2-2 稳流方程推导图 2-2 表示任一稳定流动的热力设备入口截面为 1-1 ，出口截面 2-2，假定单位质量 工质以稳定稳态流动通过截面 1-1 进入系统，由截面 2-2 流出系统在热力过程中，外界对工质传热q,工质对外界作轴功w ,并且，进口截面1-1标高为z，工质在进口处的状s1态参数为p「V］、-、U］、％,流速为J；出口截面2-2标高为乙2，工质在出口处的状态 参数为p2、V、t2、u2、h2，流速为c2，即工质在进出口截面处所具有的能量形式有：热 力学能U］、u2；宏观动能c：；、c乙；重力位能gZ］、gz?既流动功PJ］、p2v2。

根据热力学第一定律，工质稳定流入系统的能量总和应等于流出系统的能量总和，即u + p v + C］ + gz + q = u + p v + c2 + gz + w (2-6)1 1 1 - 2 1 2 2 2 - 2 2 s整理得q = (u - u ) + ( p v - p v ) +2 1 22 11+ (gz - gz )+ w2 1丿2-7)以焓关系式： h=U+pv 带入上式得= (h - h ) +21(c2-c 2)/*2 + g(z2- z ) + w1sA h ++ g A z + ws2-8)由于机械能可全部转化为功，所以g A z 、 w 之和是技术上可资利用的功， s称之为技术功，用 w 表示，即2-9)t=ws则能量方程简化为：2-10)第四节 能量方程的应用在应用能量方程分析问题时，应根据具体问题的不同条件，做出某种假定和简化，使 能量方程更加简单明了一、动力机工质流经汽轮机、燃气轮机等动力机时，压力降低，对机器做功；进口和出口的速度相差不多，动能差很小，可以不计；对外界略有散热损失，q是负的，但数量通常不大, 也可以忽略；位能差极微，可不计因此能量方程简化可得1kg工质对机器所作的功为(h — h )212-11)、压气机工质流经压气机时，机器对工质做功，使工质升压，工质对外界略有放热， w 何 qs都是负的；动能差和位能差可忽略不计，从稳定流动能量方程式可得对每千克工质需做的功为：—ws=(h2— h ) +( — q)=— w1t2-12)图 2-3 图 2-4三、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交换，动能差和位能差也可忽略不计，若工质流动是稳定的，可得 1kg 工质的吸热量为：q = (h — h ) (2-13)21四、管道工质流经诸如喷管、扩压管等这类设备，不对设备做功，位能差很小，可不计；因喷管长度短，工质流速大，来不及和外界交换热量，故热量交换也可忽略不计，若流动稳定，(c 2 -2h - h12则可得 1kg 工质动能的增加为：2-14)五、节流工质流过阀门时流动截面突然收缩，压力下降，这种流动称为节流。

由于存在摩擦和 涡流，流动是不可逆的在离阀门不远的两个截面处，工质的状态趋于平衡设流动是绝 热的，前后两截面间的动能差和位能差忽略不计又不对外界做功，则两截面间工质应用 稳定流动能量方程式，可得节流前后焓值相等，即h = h （2-15 ）12。