熱工基礎(chǔ)熱力學(xué)第一定律09.13

1、1第二章第二章 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律張小軍張小軍2015-03-172015-03-172提提 綱綱n2.1 熱力系統(tǒng)的儲存能熱力系統(tǒng)的儲存能n2.2 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)n2.3 熱力學(xué)中能量的傳遞轉(zhuǎn)化熱力學(xué)中能量的傳遞轉(zhuǎn)化n2.4 閉口系統(tǒng)閉口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式n2.5 開口系統(tǒng)開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式的穩(wěn)定流動能量方程式n2.6 穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用32.1 熱力系統(tǒng)的儲存能熱力系統(tǒng)的儲存能內(nèi)動能內(nèi)動能內(nèi)位能內(nèi)位能化學(xué)能化學(xué)能原子核能原子核能熱力學(xué)熱力學(xué)能能(U) 分子移動分子移動分子轉(zhuǎn)動分子轉(zhuǎn)動分

2、子振動分子振動工程熱力工程熱力學(xué)不涉及學(xué)不涉及宏觀動能宏觀動能 Ek= mc2/2宏觀位能宏觀位能 Ep= mgz機(jī)機(jī)械械能能內(nèi)部儲存能：內(nèi)部儲存能：外部儲存能：外部儲存能：系統(tǒng)總能系統(tǒng)總能=E = U + Ek + Epe = u + ek + ep (單位質(zhì)量單位質(zhì)量)熱力學(xué)能熱力學(xué)能+宏觀機(jī)械能宏觀機(jī)械能注意：熱力學(xué)能是注意：熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)。滿足狀狀態(tài)參數(shù)。滿足狀態(tài)參數(shù)的一切性質(zhì)。態(tài)參數(shù)的一切性質(zhì)。42.2 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第一定律基本關(guān)系式：熱力學(xué)第一定律基本關(guān)系式：52.2 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì) 6wq2.3 閉口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一

3、定律閉口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律12進(jìn)入系統(tǒng)能量進(jìn)入系統(tǒng)能量- -離開系統(tǒng)能量離開系統(tǒng)能量= =系統(tǒng)儲存能的變化系統(tǒng)儲存能的變化1Kg工質(zhì)工質(zhì)進(jìn)入：進(jìn)入：q離開：離開：w儲存能變化：儲存能變化：e= u+ ek+ eP072.3 閉口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律閉口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律q = u + w q = du + wQ = U + W Q = dU + W 適用條件：適用條件：1）任何任何工質(zhì)工質(zhì) 2) 任何任何過程過程 1Kg有限過程：有限過程：1Kg微元過程：微元過程：mKg有限過程：有限過程：mKg微元過程：微元過程：表達(dá)式的幾種形式：表達(dá)式的幾種形式：如 果 是 可 逆如 果 是 可 逆過

4、 程 ， 表 達(dá)過 程 ， 表 達(dá)式如何變化？式如何變化？82.3 閉口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律閉口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律思考題：思考題：n(1) (1) 如果將室內(nèi)電冰箱門打開，室內(nèi)溫度將如何變?nèi)绻麑⑹覂?nèi)電冰箱門打開，室內(nèi)溫度將如何變化？化？n(2) (2) 一個(gè)剛性絕熱容器，由一個(gè)隔板分為兩部分，一個(gè)剛性絕熱容器，由一個(gè)隔板分為兩部分，一側(cè)真空，一側(cè)充滿高壓氣體，突然將隔板抽掉，一側(cè)真空，一側(cè)充滿高壓氣體，突然將隔板抽掉，容器內(nèi)部的熱力學(xué)能如何變化？容器內(nèi)部的熱力學(xué)能如何變化？92.4 熱力學(xué)中能量的傳遞轉(zhuǎn)化熱力學(xué)中能量的傳遞轉(zhuǎn)化(1) 傳遞能量的兩種方式：傳遞能量的兩種方式：作功作功和和傳熱傳

5、熱p21Q作功：作功：必須有必須有物體的宏觀位移，物體的宏觀位移，必然有必然有能量形態(tài)的轉(zhuǎn)變。能量形態(tài)的轉(zhuǎn)變。傳熱：傳熱：不需要不需要物體的宏觀位移，物體的宏觀位移，沒有沒有能量形態(tài)的轉(zhuǎn)變。能量形態(tài)的轉(zhuǎn)變。例如：內(nèi)燃機(jī)的壓、爆過程。例如：內(nèi)燃機(jī)的壓、爆過程。例如：換熱器。例如：換熱器。102.4 熱力學(xué)中能量的傳遞轉(zhuǎn)化熱力學(xué)中能量的傳遞轉(zhuǎn)化(2) 推進(jìn)功（流動功）推進(jìn)功（流動功）對于吸氣過程而言（如左對于吸氣過程而言（如左圖）：圖）：氣體推動活塞作功，氣體推動活塞作功，其狀其狀態(tài)參數(shù)沒有發(fā)生變化態(tài)參數(shù)沒有發(fā)生變化，這，這部分功與氣體膨脹作功不部分功與氣體膨脹作功不同。同。m千克：千克：pV1千

6、克：千克：pvpLA112.4 熱力學(xué)中能量的傳遞轉(zhuǎn)化熱力學(xué)中能量的傳遞轉(zhuǎn)化進(jìn)口截面進(jìn)口截面(1-1):n除了除了m1自身能量，推動自身能量，推動功功m1p1v1也進(jìn)入系統(tǒng)；也進(jìn)入系統(tǒng)；出口截面出口截面(2-2):n除了除了m2自身能量，相應(yīng)自身能量，相應(yīng)推動功推動功m2p2v2也離開系也離開系統(tǒng)。統(tǒng)。ws1122p2,v2p1v1(2) 推進(jìn)功（流動功）推進(jìn)功（流動功）m1m212與宏觀流動有關(guān)，與宏觀流動有關(guān)，流動停止，推進(jìn)功不存在流動停止，推進(jìn)功不存在。作用過程中，作用過程中，工質(zhì)工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，僅發(fā)生位置變化，無狀態(tài)變化無狀態(tài)變化。w推推pv與所處狀態(tài)有關(guān)，與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量

7、是狀態(tài)量。并非工質(zhì)本身的能量（動能、位能）變化引起并非工質(zhì)本身的能量（動能、位能）變化引起， 而而由外界做出，流動工質(zhì)所攜帶的能量。由外界做出，流動工質(zhì)所攜帶的能量。2.4 熱力學(xué)中能量的傳遞轉(zhuǎn)化熱力學(xué)中能量的傳遞轉(zhuǎn)化(2) 推進(jìn)功（流動功）推進(jìn)功（流動功）132.5 開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程WsQm1m2u1u2gz1gz22112fc2212fc穩(wěn)定流動條件穩(wěn)定流動條件:(1)12mmm(2)QConst(3)sWConst每截面狀態(tài)不變每截面狀態(tài)不變(4),/0C VdE142.5 開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程進(jìn)入系統(tǒng)能量進(jìn)入系統(tǒng)能量- -離開

8、系統(tǒng)能量離開系統(tǒng)能量= =系統(tǒng)儲存能的變化系統(tǒng)儲存能的變化進(jìn)入系統(tǒng)：進(jìn)入系統(tǒng)：離開系統(tǒng)：離開系統(tǒng)：儲存能的變化：儲存能的變化：總能保持不變?？偰鼙３植蛔?。(1) 工質(zhì)自身攜帶：工質(zhì)自身攜帶：m1e1(2) 推動功：推動功：m1p1v1(3) 吸熱：吸熱：Q1(1) 工質(zhì)自身攜帶：工質(zhì)自身攜帶：m2e2(2) 推動功：推動功：m2p2v2(3) 軸功：軸功：Ws152.5開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程焓焓 定義：定義：H = U + pV kJ h = u + pv kJ/kg u焓是狀態(tài)量焓是狀態(tài)量。u對流動工質(zhì)，焓代表能量對流動工質(zhì)，焓代表能量( (內(nèi)能內(nèi)能+ +推進(jìn)功推進(jìn)

9、功) )u對靜止工質(zhì)，焓不代表能量對靜止工質(zhì)，焓不代表能量，僅為狀態(tài)參數(shù)。，僅為狀態(tài)參數(shù)。說明：說明：比焓的物理意義：比焓的物理意義： 單位質(zhì)量工質(zhì)沿流動方向單位質(zhì)量工質(zhì)沿流動方向向前傳遞的總能量中取決于熱向前傳遞的總能量中取決于熱力狀態(tài)的那部分能量。力狀態(tài)的那部分能量。162s12qhcgzw 適用條件：適用條件：任何流動工質(zhì)任何流動工質(zhì)任何穩(wěn)定流動過程任何穩(wěn)定流動過程2.5 開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式17動能動能工程技術(shù)上可以直接利用工程技術(shù)上可以直接利用軸功軸功機(jī)械能機(jī)械能2f12smHmWcQgz2f12shgwcqz位能位能tWtwtQHW tqhw 開

10、口系統(tǒng)能量方程式：開口系統(tǒng)能量方程式：2.5 開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式18wsq穩(wěn)流開口系穩(wěn)流開口系tqhw quw 容積變化功容積變化功等價(jià)等價(jià)技術(shù)功技術(shù)功2.5 開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式開、閉口系熱一律比較：開、閉口系熱一律比較：192t12swcgzwt()tqhwupvw quw ()twpvwwwt(pv) c2/2wsgz做功的根源做功的根源ws2.5 開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式(穩(wěn)流開口系穩(wěn)流開口系)(閉口系閉口系)20()tpdvd pvw()twpdv d pvvdptwvdpqdu

11、pdvqdh vdp對于可逆過程：對于可逆過程：熱一律解析式熱一律解析式(可逆過程可逆過程)：2.5 開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式wpdv212.6 穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用火力發(fā)電火力發(fā)電核電核電飛機(jī)發(fā)動機(jī)飛機(jī)發(fā)動機(jī)輪船發(fā)動機(jī)輪船發(fā)動機(jī)移動電站移動電站 燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽輪機(jī)蒸汽輪機(jī)輸出的軸功是靠焓降轉(zhuǎn)變的輸出的軸功是靠焓降轉(zhuǎn)變的1) 體積不大體積不大; 2）流量大）流量大; 3）保溫層（即）保溫層（即q=0）特點(diǎn)：特點(diǎn)：例例1 動力機(jī)械動力機(jī)械透平機(jī)透平機(jī)22火力發(fā)電火力發(fā)電核電核電飛機(jī)發(fā)動機(jī)飛機(jī)發(fā)動機(jī)輪船發(fā)動機(jī)輪船發(fā)動機(jī)移動電站移動電

12、站 壓氣機(jī)壓氣機(jī)水泵水泵例例1 動力機(jī)械動力機(jī)械壓縮機(jī)壓縮機(jī)2.6 穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用輸入的軸功轉(zhuǎn)變?yōu)殪噬斎氲妮S功轉(zhuǎn)變?yōu)殪噬?3火力發(fā)電：火力發(fā)電： 鍋爐、凝汽器鍋爐、凝汽器核電：核電： 熱交換器、凝汽器熱交換器、凝汽器制冷制冷空調(diào)空調(diào)蒸發(fā)器、冷凝器蒸發(fā)器、冷凝器2.6 穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用例例2 換熱器換熱器特點(diǎn)：特點(diǎn)：工質(zhì)與外界無功量交工質(zhì)與外界無功量交換，即換，即ws=0q=h1-h224管道閥門管道閥門制冷制冷空調(diào)空調(diào)膨脹閥、毛細(xì)管膨脹閥、毛細(xì)管2.6 穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用例例3 絕熱節(jié)流絕熱節(jié)流120hh節(jié)流前后焓值相等，即節(jié)流前后焓值相等，即注意：非注意：非等焓變化等焓變化25思考題思考題判斷正誤：判斷正誤：n氣體膨脹時(shí)一定對外作功。氣體膨脹時(shí)一定對外作功。n氣體被壓縮時(shí)一定消耗外功