工程熱力學(xué)第2章

1、第二章第二章熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律The First Law of Thermodynamics2-1 熱力學(xué)第一定律的本質(zhì)熱力學(xué)第一定律的本質(zhì) 1909年，年，C. Caratheodory最后完善熱一律最后完善熱一律本質(zhì)：本質(zhì)：能量能量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換及及守恒守恒定律定律在熱過程中的應(yīng)用在熱過程中的應(yīng)用 18世紀(jì)初，工業(yè)革命，熱效率只有世紀(jì)初，工業(yè)革命，熱效率只有1% 1842年，年，J.R. Mayer闡述熱一律，但沒有闡述熱一律，但沒有 引起重視引起重視 1840-1849年年，Joule用多種實(shí)驗(yàn)的一致性用多種實(shí)驗(yàn)的一致性 證明熱一律，于證明熱一律，于1950年發(fā)表并得到公認(rèn)年發(fā)表并得

2、到公認(rèn)焦耳實(shí)驗(yàn)焦耳實(shí)驗(yàn)1、重物下降，輸重物下降，輸 入功，絕熱容入功，絕熱容 器內(nèi)氣體器內(nèi)氣體 T 2、絕熱去掉，氣絕熱去掉，氣 體體 T ，放出，放出 熱給水熱給水，T 恢復(fù)恢復(fù) 原溫。原溫。焦耳實(shí)驗(yàn)焦耳實(shí)驗(yàn)水溫升高可測得水溫升高可測得熱量熱量， 重物下降可測得重物下降可測得功功熱功當(dāng)量熱功當(dāng)量1 cal = 4.1868 kJ工質(zhì)經(jīng)歷循環(huán)工質(zhì)經(jīng)歷循環(huán):WQMechanical equivalent of heat閉口系循環(huán)的熱一律表達(dá)式閉口系循環(huán)的熱一律表達(dá)式要想得到要想得到功功，必須化費(fèi)，必須化費(fèi)熱能熱能或或其它能量其它能量熱一律熱一律又可表述為又可表述為“第一類永動(dòng)機(jī)是第一類永動(dòng)機(jī)是

3、不可能制成的不可能制成的”WQPerpetual motion machine of the first kindQPerpetual motion machine of the first kind鍋鍋爐爐汽輪機(jī)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵給水泵凝凝汽汽器器WnetQout電電加加熱熱器器2-2 2-2 熱一律的推論熱一律的推論熱力學(xué)熱力學(xué)能能熱力學(xué)能熱力學(xué)能的導(dǎo)出的導(dǎo)出閉口系循環(huán)閉口系循環(huán)0QW Internal energyWQ熱力學(xué)能的導(dǎo)出熱力學(xué)能的導(dǎo)出對于循環(huán)對于循環(huán)1a2c11 22 1()()0acQWQW對于循環(huán)對于循環(huán)1b2c11 22 1()()0bcQWQW1 21 2()(

4、)abQWQW0QW 狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)pV12abc熱力學(xué)能及閉口熱力學(xué)能及閉口系熱一律表系熱一律表達(dá)式達(dá)式定義定義 dU = Q - W 熱力學(xué)能熱力學(xué)能U 狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù) Q = dU + WQ = U + W閉口系閉口系熱一律表達(dá)式熱一律表達(dá)式！兩種特例兩種特例 絕功系絕功系 Q = dU 絕熱系絕熱系 W = - dU熱力學(xué)能熱力學(xué)能U 的的物理意義物理意義dU = Q - W W Q dU 代表某微元過程中系統(tǒng)通過邊界代表某微元過程中系統(tǒng)通過邊界交換的交換的微熱量微熱量與與微功量微功量兩者之差值，也兩者之差值，也即即系統(tǒng)內(nèi)部能量系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化。的變化。 U 代表儲(chǔ)存于系統(tǒng)代表儲(chǔ)

5、存于系統(tǒng)內(nèi)部的能量內(nèi)部的能量 內(nèi)儲(chǔ)存能內(nèi)儲(chǔ)存能（內(nèi)能內(nèi)能、熱力學(xué)能熱力學(xué)能）熱力學(xué)能的微觀組成熱力學(xué)能的微觀組成分子動(dòng)能分子動(dòng)能分子位能分子位能 binding forces化學(xué)能化學(xué)能 chemical energy核能核能 nuclear energy熱力熱力學(xué)能學(xué)能microscopic forms of internal energy 移動(dòng)移動(dòng) translation轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng) rotation振動(dòng)振動(dòng) vibration系統(tǒng)總能系統(tǒng)總能 total energy外部儲(chǔ)存能外部儲(chǔ)存能macroscopic forms of energy宏觀動(dòng)能宏觀動(dòng)能 kinetic Ek= mc2/2

6、宏觀位能宏觀位能 potential Ep= mgz機(jī)械能機(jī)械能系統(tǒng)總能系統(tǒng)總能E = U + Ek + Epe = u + ek + ep一般與系統(tǒng)同坐標(biāo)，常用一般與系統(tǒng)同坐標(biāo)，常用U, dU, u, du熱力學(xué)能的說明熱力學(xué)能的說明 熱力學(xué)能熱力學(xué)能是狀態(tài)量是狀態(tài)量 state property U : : 廣延參數(shù)廣延參數(shù) kJ u : : 比參數(shù)比參數(shù) kJ/kg 熱力學(xué)能熱力學(xué)能總以變化量出現(xiàn)，總以變化量出現(xiàn)，熱力學(xué)能熱力學(xué)能零零點(diǎn)人為定點(diǎn)人為定熱一律的文字表達(dá)式熱一律的文字表達(dá)式熱一律熱一律: 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律能量守恒與轉(zhuǎn)換定律=進(jìn)入進(jìn)入系統(tǒng)系統(tǒng)的的能量能量離開離開系統(tǒng)系統(tǒng)的的能

7、量能量系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)部儲(chǔ)存內(nèi)部儲(chǔ)存能量能量的的變化變化-Total energy entering the systemTotal energy leaving the systemChange in the total energy of the system=-2-3 閉口系能量方程閉口系能量方程 W Q一般式一般式 Q = dU + W Q = U + W q = du + w q = u + w單位工質(zhì)單位工質(zhì)適用條件：適用條件： 1）任何工質(zhì)）任何工質(zhì) 2) 任何過程任何過程Energy balance for closed systemPoint function-Exact diff

8、erentials- dPath function-Inexact differentials- 閉口系能量方程中的功閉口系能量方程中的功功功 （ w） 是廣義功是廣義功Generalized Work 閉口系與外界交換的功量閉口系與外界交換的功量 q = du + w準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功 pdv拉伸功拉伸功 w拉伸拉伸= - dl表面張力功表面張力功 w表面張力表面張力= - dA w = pdv - dl - dA +.閉口系能量方程的通式閉口系能量方程的通式 q = du + w若在地球上研究飛行器若在地球上研究飛行器 q = de + w = du + dek + dep

9、+ w 工程熱力學(xué)用此式較少工程熱力學(xué)用此式較少準(zhǔn)靜態(tài)和可逆閉口系能量方程準(zhǔn)靜態(tài)和可逆閉口系能量方程簡單可壓縮系簡單可壓縮系準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程 w = pdv簡單可壓縮系簡單可壓縮系可逆過程可逆過程 q = Tds q = du + pdv q = u + pdv熱一律解析式之一熱一律解析式之一Tds = du + pdv Tds = u + pdv熱力學(xué)恒等式熱力學(xué)恒等式門窗緊閉房間用電冰箱降溫門窗緊閉房間用電冰箱降溫以房間為以房間為系統(tǒng)系統(tǒng) 絕熱閉口系絕熱閉口系閉口系能量方程閉口系能量方程QU W0Q0UW0W T電電冰冰箱箱RefrigeratorIcebox門窗緊閉房間用空調(diào)降溫門窗

10、緊閉房間用空調(diào)降溫以房間為以房間為系統(tǒng)系統(tǒng) 閉口系閉口系閉口系能量方程閉口系能量方程QU W0QUQ W0W T空空調(diào)調(diào) QQWAir-conditioner 2-4 開口系能量方程開口系能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc能量守恒原則能量守恒原則進(jìn)入進(jìn)入系統(tǒng)的系統(tǒng)的能量能量 - -離開離開系統(tǒng)的系統(tǒng)的能量能量 = =系統(tǒng)系統(tǒng)儲(chǔ)存能量儲(chǔ)存能量的的變化變化Energy balance for open system開口系能量方程的推導(dǎo)開口系能量方程的推導(dǎo) Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212

11、outc Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv這個(gè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)這個(gè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不符不符少了少了推進(jìn)功推進(jìn)功推進(jìn)功的表達(dá)式推進(jìn)功的表達(dá)式推進(jìn)功推進(jìn)功（流動(dòng)功、推動(dòng)功）（流動(dòng)功、推動(dòng)功）pApVdl W推推 = p A dl = pV w推推= pv注意：注意： 不是不是 pdv v 沒有變化沒有變化Flow work對推進(jìn)功的說明對推進(jìn)功的說明1 1、與宏觀與宏觀流動(dòng)流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)停止，推進(jìn)功不存在有關(guān)，流動(dòng)停止，推進(jìn)功不存在2 2、作用過程中，工質(zhì)僅發(fā)生作用過程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置位置變化，無狀態(tài)變化變化，無狀態(tài)

12、變化3 3、w推推pv與所處狀態(tài)有關(guān)，是與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量狀態(tài)量4 4、并非工質(zhì)本身的能量（動(dòng)能、位能）變化引起，并非工質(zhì)本身的能量（動(dòng)能、位能）變化引起，而由外界（泵與風(fēng)機(jī)）做出，流動(dòng)工質(zhì)所而由外界（泵與風(fēng)機(jī)）做出，流動(dòng)工質(zhì)所攜帶的能量攜帶的能量可理解為：可理解為：由于工質(zhì)的進(jìn)出，外界與系統(tǒng)之由于工質(zhì)的進(jìn)出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種間所傳遞的一種機(jī)械功機(jī)械功，表現(xiàn)為流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)，表現(xiàn)為流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)出系統(tǒng)使所出系統(tǒng)使所攜帶攜帶和所和所傳遞傳遞的一種的一種能量能量開口系能量方程的推導(dǎo)開口系能量方程的推導(dǎo) Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout212inc212outc

13、 Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv minpvout開口系能量方程微分式開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0limQQ0limmm0limWW2cvout2innetind/ 2/ 2outQEupvcgzmupvcgzmW開口系能量方程微分式開口系能量方程微分式當(dāng)有多條進(jìn)出口：當(dāng)有多條進(jìn)出口：netcv2outout2inind/ 2/ 2QEWup

14、vcgzmupvcgzm流動(dòng)時(shí)，總一起存在流動(dòng)時(shí)，總一起存在焓焓Enthalpy的引入的引入定義：定義：焓焓 h = u + pvnetcv2outout2inind/ 2/ 2QEWupvcgzmupvcgzmhh開口系能量方程開口系能量方程焓焓Enthalpy的的 說明說明 定義：定義：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 1、焓焓是狀態(tài)量是狀態(tài)量 state property2、H為廣延參數(shù)為廣延參數(shù) H=U+pV= m(u+pv)= mh h為比參數(shù)為比參數(shù)3、對流動(dòng)工質(zhì)，對流動(dòng)工質(zhì)，焓焓代表能量代表能量(熱力學(xué)能熱力學(xué)能+推進(jìn)功推進(jìn)功) 對靜止工質(zhì)，對靜止工質(zhì)

15、，焓焓不代表不代表能量能量4 4、物理意義：開口系中隨工質(zhì)物理意義：開口系中隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶流動(dòng)而攜帶的、取決的、取決 于熱力狀態(tài)的于熱力狀態(tài)的能量能量。2-5 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程穩(wěn)定流動(dòng)能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc穩(wěn)定流動(dòng)條件穩(wěn)定流動(dòng)條件1、outinmmm2、QConst3、netsWConstW軸功軸功Shaft work每截面狀態(tài)不變每截面狀態(tài)不變4、,/0C VdEEnergy balance for steady-flow systems穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)outinmmmQConstnet

16、sWConstW,/0C VdEnetcv2outout2inind/ 2/ 2QEWhcgzmhcgzm穩(wěn)定流動(dòng)條件穩(wěn)定流動(dòng)條件0mmsW穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)22soutin22ccQmhgzhgzWQm qssWm w1kg工質(zhì)工質(zhì)22soutin22ccqhgzhgzw2s12qhcgzw 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程穩(wěn)定流動(dòng)能量方程2s12qhcgzw 適用條件：適用條件：任何流動(dòng)工質(zhì)任何流動(dòng)工質(zhì)任何穩(wěn)定流動(dòng)過程任何穩(wěn)定流動(dòng)過程Energy balance for steady-flow systems技術(shù)技術(shù)功功 Technical work動(dòng)能動(dòng)能工程技術(shù)上可以直接利用

17、工程技術(shù)上可以直接利用軸功軸功機(jī)械能機(jī)械能212sQmhmcm gzW212sqhcgzw 位能位能tWtwtQHW tqhw 單位質(zhì)量工質(zhì)的開口與閉口單位質(zhì)量工質(zhì)的開口與閉口wsq穩(wěn)流開口系穩(wěn)流開口系tqhw quw 閉口系閉口系(1kg)容積變化功容積變化功等價(jià)等價(jià)技術(shù)功技術(shù)功穩(wěn)流開口與閉口的能量方程穩(wěn)流開口與閉口的能量方程tqhw 容積變化功容積變化功w技術(shù)功技術(shù)功wtquw 閉口閉口穩(wěn)流開口穩(wěn)流開口等價(jià)等價(jià)軸功軸功ws推進(jìn)功推進(jìn)功 (pv)幾種功的關(guān)系？幾種功的關(guān)系？幾種功的關(guān)系幾種功的關(guān)系2t12swcgzwt()tqhwupvw quw ()twpvwwwt(pv) c2/2wsg

18、z做功的根源做功的根源ws對功對功的小結(jié)的小結(jié)2、開口系，開口系，系統(tǒng)系統(tǒng)與與外界交換的功為外界交換的功為軸功軸功ws3、一般情況下忽略動(dòng)、位能的變化一般情況下忽略動(dòng)、位能的變化1、閉口系，系統(tǒng)閉口系，系統(tǒng)與與外界交換的功為外界交換的功為容積變化功容積變化功wws wt準(zhǔn)靜態(tài)下的技術(shù)功準(zhǔn)靜態(tài)下的技術(shù)功()tpdvd pvw()twpvw()twd pvw準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)()()twpdv d pvpdvpdv vdpvdptwvdp準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)qdupdvqdh vdp熱一律解析式之一熱一律解析式之一熱一律解析式之二熱一律解析式之二twvdp技術(shù)功在示功圖上的表示技術(shù)功在示功圖上的表示1 12 2

19、ddv pp vpvp vt1 12 2wwpvp vt()wwpv12 1ba12341 140 1a230 2b機(jī)械能守恒機(jī)械能守恒s2t2/wgdzdcvdpw對于流體流過管道，對于流體流過管道，0sw2102vdpdcgdz 壓力能壓力能 動(dòng)能動(dòng)能 位能位能機(jī)械能守恒機(jī)械能守恒2102dpdcdzgg柏努利方程柏努利方程Bernoullis equation 2-6 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例s22/wzgchq熱力學(xué)問題經(jīng)?？珊雎詣?dòng)、位能變化熱力學(xué)問題經(jīng)常可忽略動(dòng)、位能變化例：例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 =

20、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水蒸氣水蒸氣的的 h2 = 2676 kJ/kgsqhw 例例1：透平：透平(Turbine)機(jī)械機(jī)械火力發(fā)電火力發(fā)電核電核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站移動(dòng)電站 燃?xì)鈾C(jī)燃?xì)鈾C(jī)蒸汽輪機(jī)蒸汽輪機(jī)Steam turbine透平透平(Turbine)機(jī)械機(jī)械sqhw 1) 體積不大體積不大2）流量大流量大3）保溫層保溫層q 0ws = -h = h1 - h20輸出的軸功是靠焓降轉(zhuǎn)變的輸出的軸功是靠焓降

21、轉(zhuǎn)變的例例2：壓縮機(jī)械：壓縮機(jī)械 Compressor火力發(fā)電火力發(fā)電核電核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站移動(dòng)電站 壓氣機(jī)壓氣機(jī)水泵水泵制冷制冷空調(diào)空調(diào)壓縮機(jī)壓縮機(jī)壓縮機(jī)械壓縮機(jī)械sqhw 1) 體積不大體積不大2）流量大流量大3）保溫層保溫層q 0ws = -h = h1 - h2T0m,u,p,T00000kTp TTT pT pkTp3） T與與T0有關(guān)有關(guān)000( )kp TTkp TppTT0T000p VmRTm0m-m0帶入能量帶入能量T的表達(dá)式分析的表達(dá)式分析m0,u0,p0,T0h,p,TT0m,u,p,T00000kTp TTT pT pkTp4） T與與p0/ p有關(guān)有關(guān)0000()kTTTpTkTTpp0/ p Tp0/ p反映充氣數(shù)量反映充氣數(shù)量 取系統(tǒng)問題之二取系統(tǒng)問題之二已知：已知：p1=35bar, t1 =16h0V要求：要求：輸出輸出4kW,持續(xù)持續(xù)30s (kW=kJ/s)允許：允許：p1 p2=3.5barvuc Tphc T718 /.vcJ kg K287 /.RJ kg K求：求：需要的容積需要的容積V解解1:1:取儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng)（開口取儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng)（開口）h0Vcvnet2outout2inind/2/2QEWhcgzmhcgzmcvout0dEh m21outUUh m 12outU