热力学第二章第一定律.ppt

第二章第二章热力学第一定律热力学第一定律The First Law of Thermodynamics§2-1 热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质  1909年，年，C. Caratheodory最后完善热一律最后完善热一律本质：本质：能量能量转换转换及及守恒守恒定律定律在热过程中的应用在热过程中的应用  18世纪初，工业革命，热效率只有世纪初，工业革命，热效率只有1%  1842年，年，J.R. Mayer阐述热一律，但没有阐述热一律，但没有 引起重视引起重视  1840-1849年年，，Joule用多种实验的一致性用多种实验的一致性 证明热一律，于证明热一律，于1850年发表并得到公认年发表并得到公认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焦耳实验焦耳实验水温升高可测得水温升高可测得热量热量，， 重物下降可测得重物下降可测得功功热功当量热功当量1 cal = 4.1868 kJ工质经历循环工质经历循环:Mechanical equivalent of heat闭口系循环的热一律表达式闭口系循环的热一律表达式要想得到要想得到功功，必须花费，必须花费热能热能或或其它能量其它能量热一律热一律又可表述为又可表述为“第一类永动机是第一类永动机是 不可能制成的不可能制成的”Perpetual –motion machine of the first kindQPerpetual –motion machine of the first kind锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器WnetQout电电加加热热器器§§2-2 2-2 热一律的推论热一律的推论内能内能内能内能的导出的导出闭口系循环闭口系循环Internal energy内能的导出内能的导出对于循环对于循环1a2c1对于循环对于循环1b2c1状态参数状态参数pV12abc内能及闭口内能及闭口系热一律表达式系热一律表达式定义定义 dU =   Q -   W 内能内能U 状态函数状态函数 Q = dU +  WQ =   U + W闭口系闭口系热一律表达式热一律表达式！！！两种特例两种特例 绝功系绝功系   Q = dU 绝热系绝热系   W = - dU内能内能U 的的物理意义物理意义dU =   Q -   W  W  Q dU 代表某微元过程中系统通过边界代表某微元过程中系统通过边界交换的交换的微热量微热量与与微功量微功量两者之差值，也两者之差值，也即即系统内部能量系统内部能量的变化。

的变化 U 代表储存于系统代表储存于系统内部的能量内部的能量  内储存能内储存能（（内能内能、、热力学能热力学能））内能的组成内能的组成分子动能分子动能分子位能分子位能 binding forces化学能化学能 chemical energy核能核能 nuclear energy内能内能microscopic forms of energy  移动移动 translation转动转动 rotation振动振动 vibration系统总能系统总能 total energy外部储存能外部储存能macroscopic forms of energy宏观动能宏观动能 kinetic Ek= mc2/2宏观位能宏观位能 potential Ep= mgz机械能机械能系统总能系统总能E = U + Ek + Epe = u + ek + ep一般与系统同坐标，常用一般与系统同坐标，常用U, dU, u, du内能的说明内能的说明  内能内能是状态量是状态量 state property· U : : 广延参数广延参数 [ [ kJ ] ] · u : : 比参数比参数 [ [kJ/kg] ]  内能内能总以变化量出现，总以变化量出现，内能内能零点人为定零点人为定热一律的文字表达式热一律的文字表达式热一律热一律: 能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律=进入进入系统系统的的能量能量离开离开系统系统的的能量能量系统系统内部储存内部储存能量能量的的变化变化-Total energy entering the systemTotal energy leaving the systemChange in the total energy of the system=-能量的传递和转化能量的传递和转化一、能量传递的两种方式一、能量传递的两种方式■ ■ 作功作功作功的说明q““作功作功””是系统与外界间的一种相互作用，是越过是系统与外界间的一种相互作用，是越过系统边界的能量交换。

系统边界的能量交换q 功是指作功过程中在传递着的能量的总称，过程一旦结束功是指作功过程中在传递着的能量的总称，过程一旦结束就再无所谓功就再无所谓功q 机械能与机械功、电能与电功等同吗？机械能与机械功、电能与电功等同吗？q 系统是否作功应以过程在外界所引起的效果来判断，而不系统是否作功应以过程在外界所引起的效果来判断，而不应从系统的内部去寻找依据，对系统的内部来说无所谓应从系统的内部去寻找依据，对系统的内部来说无所谓““功功””q 功是有序能量传递功是有序能量传递q过程功：按照系统在热力过程中的状态变化而过程功：按照系统在热力过程中的状态变化而应该作出的功应该作出的功q系统的过程功中通常可以区分为有用功和无用功的两系统的过程功中通常可以区分为有用功和无用功的两个部分q对大气所作的任何功是无用的，克服摩擦所作的功都对大气所作的任何功是无用的，克服摩擦所作的功都转变为热量，因而也是无用的转变为热量，因而也是无用的q像设备从转轴上传出的轴功，提升重物所作的机械功，像设备从转轴上传出的轴功，提升重物所作的机械功，以及工质本身的宏观动能和重力位能的增加（可以利以及工质本身的宏观动能和重力位能的增加（可以利用相关机械设备进一步使之转变为轴功等机械功）都用相关机械设备进一步使之转变为轴功等机械功）都属于系统所作的有用功。

属于系统所作的有用功q有用功：技术上有用的，可以输给功源的功有用功：技术上有用的，可以输给功源的功q功源：一种可以向热力系作功或从热力系统接受功功源：一种可以向热力系作功或从热力系统接受功的外界物体或装置的外界物体或装置■ 传热　　　系统与外界之间的另一种相互作用，　系统与外界之间的另一种相互作用，是系统与外界之间依靠温差进行的一种能是系统与外界之间依靠温差进行的一种能量传递现象，所传递的能量称为热量量传递现象，所传递的能量称为热量•热能和热量不是同一个概念热能和热量不是同一个概念•温差虽然是传热过程的推动势差，但是系统温度的变化温差虽然是传热过程的推动势差，但是系统温度的变化与传热并无必然的联系与传热并无必然的联系•热能是微观粒子无序紊乱运动的能量热能是微观粒子无序紊乱运动的能量•热量符号规定：系统从外界热量符号规定：系统从外界吸热吸热为为正正；向外界放热为负；向外界放热为负§2-3 闭口系能量方程闭口系能量方程  W  Q一般式一般式 Q = dU +  W Q =  U + W q = du +  w q =  u + w单位工质单位工质适用条件：适用条件： 1）任何工质）任何工质 2) 任何过程任何过程Energy balance for closed systemPoint function---Exact differentials--- dPath function---Inexact differentials---  闭口系能量方程中的功闭口系能量方程中的功功功 （（  w）） 是广义功是广义功  闭口系与外界交换的功量闭口系与外界交换的功量 q = du +  w准静态容积变化功准静态容积变化功 pdv拉伸功拉伸功  w拉伸拉伸= -  dl表面张力功表面张力功  w表面张力表面张力= -   dA w = pdv -  dl -   dA +…...闭口系能量方程的通式闭口系能量方程的通式 q = du +  w若在地球上研究飞行器若在地球上研究飞行器  q = de +  w = du + dek + dep +  w 工程热力学用此式较少工程热力学用此式较少准静态和可逆闭口系能量方程准静态和可逆闭口系能量方程简单可压缩系简单可压缩系准静态过程准静态过程 w = pdv简单可压缩系简单可压缩系可逆过程可逆过程  q = Tds q = du + pdv q =   u +   pdv热一律解析式之一热一律解析式之一Tds = du + pdv  Tds =   u +   pdv热力学恒等式热力学恒等式门窗紧闭房间用电冰箱升温门窗紧闭房间用电冰箱升温以房间为以房间为系统系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程T电电冰冰箱箱RefrigeratorIcebox门窗紧闭房间用空调降温门窗紧闭房间用空调降温以房间为以房间为系统系统 闭口系闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程T空空调调 QAir-condition§ 2-4 开口系能量方程开口系能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout能量守恒原则能量守恒原则进入进入系统的系统的能量能量 - -离开离开系统的系统的能量能量 = =系统系统储存能量储存能量的的变化变化Energy balance for open system推进功的引入推进功的引入 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout Q +  min(u + c2/2 + gz)in-  mout(u + c2/2 + gz)out -  Wnet = dEcv这个结果与实验这个结果与实验不符不符少了少了推进功推进功推进功的表达式推进功的表达式推进功推进功（流动功、推动功）（流动功、推动功）pApVdl W推推 = p A dl = pV w推推= pv注意：注意： 不是不是 pdv v 没有变化没有变化Flow work对推进功的说明对推进功的说明1 1、、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推进功不存在有关，流动停止，推进功不存在2 2、、作用过程中，工质仅发生作用过程中，工质仅发生位置位置变化，无状态变化变化，无状态变化3 3、、w推推＝＝pv与所处状态有关，是与所处状态有关，是状态量状态量4 4、、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，流动工质所而由外界做出，流动工质所携带的能量携带的能量可理解为：可理解为：由于工质的进出，外界与系统之由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种间所传递的一种机械功机械功，表现为流动工质进，表现为流动工质进出系统时所出系统时所携带携带和所和所传递传递的一种的一种能量能量开口系能量方程的推导开口系能量方程的推导 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout Q +  min(u + c2/2 + gz)in-  mout(u + c2/2 + gz)out -  Wnet = dEcv minpvout开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式 Q +  min(u + pv+c2/2 + gz)in -  Wnet -  mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv工程上常用工程上常用流率流率开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式当有多条进出口：当有多条进出口：流动时，总一起存在流动时，总一起存在焓焓Enthalpy的引入的引入定义：定义：焓焓 h = u + pvhh开口系能量方程开口系能量方程焓焓Enthalpy的的 说明说明 定义：定义：h = u + pv [ kJ/kg ] H = U + pV [ kJ ]1、、焓焓是状态量是状态量 state property2、、H为广延参数为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh h为比参数为比参数3、、对流动工质，对流动工质，焓焓代表能量代表能量(内能内能+推进功推进功) 对静止工质，对静止工质，焓焓不代表不代表能量能量4 4、、物理意义：开口系中随工质物理意义：开口系中随工质流动而携带流动而携带的、取决的、取决 于热力状态的于热力状态的能量能量。

§§2-5 稳定流动能量方程稳定流动能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout稳定流动条件稳定流动条件1、、2、、3、、轴功轴功Shaft work每截面状态不变每截面状态不变4、、Energy balance for steady-flow systems稳定流动的定义稳定流动的定义q当流动系统中（包括进、出口截面上）各点的热力学状态及流动情况（流速、流向）不随时间变化时，称系统处于稳定流动1 1、、系统各截面状态参数不随时间变化系统各截面状态参数不随时间变化2 2、系统与外界的能量交换不随时间变化、系统与外界的能量交换不随时间变化3 3、、系统系统自身能量贮存自身能量贮存与与质量贮存质量贮存不随时间变化不随时间变化稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导稳定流动条件稳定流动条件0稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导1kg工质工质稳定流动能量方程稳定流动能量方程适用条件：适用条件：任何流动工质任何流动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程Energy balance for steady-flow systems技术技术功功 technology work动能动能工程技术上可以直接利用工程技术上可以直接利用轴功轴功机械能机械能位能位能单位质量工质的开口与闭口单位质量工质的开口与闭口wsq稳流开口系稳流开口系闭口系闭口系(1kg)容积变化功容积变化功等价等价技术功技术功稳流开口与闭口的能量方程稳流开口与闭口的能量方程容积变化功容积变化功w技术功技术功wt闭口闭口稳流开口稳流开口等价等价轴功轴功ws推进功推进功 (pv)几种功的关系？几种功的关系？几种功的关系几种功的关系wwt△△(pv)△△ c2/2wsg△△z做功的根源做功的根源ws对对功功的小结的小结2、、开口系，开口系，系统系统与与外界交换的功为外界交换的功为轴功轴功ws3、、一般情况下忽略动、位能的变化一般情况下忽略动、位能的变化1、、闭口系，系统闭口系，系统与与外界交换的功为外界交换的功为容积变化功容积变化功wws wt简单可压缩系可逆过程的技术功简单可压缩系可逆过程的技术功可逆过程可逆过程简单可压缩系简单可压缩系可逆过程可逆过程热一律解析式之一热一律解析式之一热一律解析式之二热一律解析式之二技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示机械能守恒机械能守恒对于流体流过管道，对于流体流过管道， 压力能压力能 动能动能 位能位能机械能守恒机械能守恒伯努利方程伯努利方程Bernoulli’s equation§ 2-6 稳定流动能量方程应用举例稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略动、位能变化热力学问题经常可忽略动、位能变化例：例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kgz1 = 0 m z2 = 30 mg ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg1bar下下, 0 oC水的水的 h1 = 84 kJ/kg100 oC水蒸气水蒸气的的 h2 = 2676 kJ/kg例例1：透平：透平(Turbine)机械机械火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 燃气轮机燃气轮机蒸汽轮机蒸汽轮机Steam turbineGas turbine透平透平(Turbine)机械机械1) 体积不大体积不大2））流量大流量大3））保温层保温层q   0ws = -△△h = h1 - h2>0输出的轴功是靠焓降转变的输出的轴功是靠焓降转变的例例2：压缩机械：压缩机械 Compressor火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机压气机水泵水泵制冷制冷空调空调压缩机压缩机压缩机械压缩机械1) 体积不大体积不大2））流量大流量大3））保温层保温层q   0ws = -△△h = h1 - h2<0输入的轴功转变为焓升输入的轴功转变为焓升例例3：换热设备：换热设备Heat Exchangers火力发电：火力发电：锅炉、凝汽器锅炉、凝汽器核电：核电：热交换器、凝汽器热交换器、凝汽器制冷制冷空调空调蒸发器、冷凝器蒸发器、冷凝器换热设备换热设备热流体放热量：热流体放热量：没有作功部件没有作功部件热流体热流体冷流体冷流体h1h2h1’h2’冷流体吸热量：冷流体吸热量：焓变焓变例例4：喷管和扩压管：喷管和扩压管火力发电火力发电蒸汽轮机静叶蒸汽轮机静叶核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机静叶压气机静叶Nozzles and Diffusers 喷管和扩压管喷管和扩压管喷管目的：喷管目的： 压力降低，速度提高压力降低，速度提高扩压管目的：扩压管目的：动能与焓变相互转换动能与焓变相互转换速度降低，压力升高速度降低，压力升高动能参与转换，不能忽略动能参与转换，不能忽略例例5：绝热节流：绝热节流Throttling Valves管道阀门管道阀门制冷制冷空调空调膨胀阀、毛细管膨胀阀、毛细管绝热节流绝热节流绝热节流过程，前后绝热节流过程，前后h不变不变，但，但h不是处处相等不是处处相等h1h2没有作功部件没有作功部件绝热绝热q例：已知新蒸汽进入汽轮机时的焓例：已知新蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3230kJ/kg，流，流速速c1=50m/s，乏汽流出汽轮机时的焓，乏汽流出汽轮机时的焓h2=2300kJ/kg，，流速流速c2=120m/s。

蒸汽流量为蒸汽流量为600t/h，试求：，试求： q(1)(1)汽轮机的功率；汽轮机的功率； q(2)忽略蒸汽进、出口动能变化引起的计算误差忽略蒸汽进、出口动能变化引起的计算误差 解：（解：（1））因　　　　，所以每小时在汽轮机中所做的功为：蒸汽机的功率为：蒸汽机的功率为：（（2）忽略蒸汽进、出口时的动能差时，蒸汽进、出）忽略蒸汽进、出口时的动能差时，蒸汽进、出口的动能有：口的动能有：由此引起的误差为：由此引起的误差为：第二章第二章 小结小结 Summary1、、本质：本质：能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律=进入进入系统系统的的能量能量离开离开系统系统的的能量能量系统系统内部储存内部储存能量能量的的变化变化-第二章第二章 小结小结通用式通用式2、、热一律表达式：热一律表达式：第二章第二章 小结小结稳流：稳流： dEcv /    = 0通用式通用式第二章第二章 小结小结闭口系：闭口系：通用式通用式第二章第二章 小结小结 通用式通用式循环循环dEcv = 0out = in第二章第二章 小结小结孤立系：孤立系： 通用式通用式第二章第二章 小结小结3、热力学第一定律表达式和适用条件、热力学第一定律表达式和适用条件任何工质，任何过程任何工质，任何过程任何工质，任何工质，可逆可逆过程过程任何工质，任任何工质，任何何稳流稳流过程过程或或忽略动、位忽略动、位能变化能变化第二章第二章 小结小结4、、可逆过程下两个热力学微分关系式可逆过程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后续很多式子基于此两式第二章第二章 小结小结5、、u与与 h U, H 广延广延参数参数 u, h 比参数比参数 U 系统本身具有的内部能量系统本身具有的内部能量H 不是系统本身具有的能量，不是系统本身具有的能量， 开口系中随工质流动而携带的，取开口系中随工质流动而携带的，取 决于状态参数的能量决于状态参数的能量 第二章第二章 小结小结6、、四种功的关系四种功的关系 准静态下准静态下闭口系过程闭口系过程开口系过程开口系过程第二章第二章 讨论讨论 Discussion思考题思考题 工质膨胀是否一定对外作功？工质膨胀是否一定对外作功？做功对象和做功部件做功对象和做功部件定容过程是否一定不作功？定容过程是否一定不作功？开口系，技术功开口系，技术功定温过程是否一定不传热？定温过程是否一定不传热？相变过程（冰融化，水汽化）相变过程（冰融化，水汽化）水轮机水轮机第二章第二章 讨论讨论气体被压缩时一定消耗外功气体被压缩时一定消耗外功热力学功指有用功热力学功指有用功p0对外作功指有用功对外作功指有用功第二章第二章 讨论讨论气体边膨胀边放气体边膨胀边放热是可能的热是可能的对工质加热，其温度反而降低，对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能这种情况不可能第二章第二章 小结小结循环循环思考题思考题4附图附图P q 例：燃气轮机循环例：燃气轮机循环充气问题与取系统充气问题与取系统例例 储气罐原有气体储气罐原有气体m0,u0输气管状态不变，输气管状态不变，h经经 时间充时间充气，关阀气，关阀储气罐中气体储气罐中气体m求：求：储气罐中气体储气罐中气体内能内能u’ 忽略动、位能变化，且管路、忽略动、位能变化，且管路、储气罐、阀门均绝热储气罐、阀门均绝热m0,u0h四种可取系统四种可取系统1））取储气罐为系统取储气罐为系统开口系开口系2））取最终罐中气体为系统取最终罐中气体为系统闭口系闭口系3））取将进入储气罐的气体为系统取将进入储气罐的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4））取储气罐原有气体为系统取储气罐原有气体为系统闭口系闭口系1)1)取取储气罐为储气罐为系统系统( (开口系开口系) )忽略动位能变化忽略动位能变化h绝热绝热无作功部件无作功部件无离开气体无离开气体1)1)取取储气罐为储气罐为系统系统( (开口系开口系) )经经 时间充气，积分概念时间充气，积分概念hh是常数是常数2 2）取最终罐中气体为系统）取最终罐中气体为系统( (闭口系闭口系)hm0m-m0绝热绝热m-m03 3）取将进入储气罐的气体为系统）取将进入储气罐的气体为系统( (闭口系闭口系)m0hm-m0m0与与m-m0有温差传热有温差传热Q1m-m0对对m0作功作功W1??m-m04 4）取储气罐）取储气罐原有原有气体为系统气体为系统( (闭口系闭口系)m0hm-m0m0与与m-m0有温差传热有温差传热Q1’m0得得m-m0作功作功W1’??4 4）取储气罐）取储气罐原有原有气体为系统气体为系统( (闭口系闭口系)m0hm-m0利用热一律的文字表达式利用热一律的文字表达式进进 －－ 出出 ＝＝ 内能变化内能变化h内能变化：内能变化：取储气罐为系统取储气罐为系统( (开口系开口系) )进：进：出：出：m0,u0作业q思考题思考题q2－－5，，2－－7，，2－－11，，2－－12q习题习题q2－－8，，2－－9第二章第二章 完完End of Chapter Two。