工程熱力學(xué)第三章熱力學(xué)第一定律

1、 本章基本要求本章基本要求 深刻理解熱量、儲存深刻理解熱量、儲存能、功的概念，深刻能、功的概念，深刻理解內(nèi)能、焓的物理理解內(nèi)能、焓的物理意義意義 理解膨脹（壓縮）功、理解膨脹（壓縮）功、軸功、技術(shù)功、流動軸功、技術(shù)功、流動功的聯(lián)系與區(qū)別功的聯(lián)系與區(qū)別 本章重點本章重點 熟練應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解決具體問題分子動能（移動、轉(zhuǎn)動、振動）分子動能（移動、轉(zhuǎn)動、振動）分子位能（相互作用）分子位能（相互作用）核能核能 化學(xué)能化學(xué)能內(nèi)能內(nèi)能是狀態(tài)量是狀態(tài)量 U : 廣延參數(shù)廣延參數(shù) kJ u : 比參數(shù)比參數(shù) kJ/kg 內(nèi)能內(nèi)能總以變化量出現(xiàn)，總以變化量出現(xiàn)，內(nèi)能內(nèi)能零點人為定零點人為定說明：說明：注意：

2、注意：對理想氣體對理想氣體u=f (T)u=f (T) 注意：注意： 對理想氣體對理想氣體u=f (T) 因分子間不存在相互作用力因分子間不存在相互作用力.沒有內(nèi)位能沒有內(nèi)位能,故故其熱力學(xué)能僅包括分子內(nèi)動能其熱力學(xué)能僅包括分子內(nèi)動能系統(tǒng)工質(zhì)與外力場外力場的相互作用相互作用 所具有的能量如：重力位能以外界外界為參考坐標(biāo)參考坐標(biāo)的系統(tǒng)宏觀運動宏觀運動所具有的能量 如：宏觀動能 221mcEkmgzEp組組成成注意注意 C、z是獨立于熱力系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的外參數(shù)，因此將系統(tǒng)的宏觀動能和重力位能稱為外儲存能。 C、z是力學(xué)參數(shù)，處于同一熱力狀態(tài)的物體可以有不同的值。外部儲存能外部儲存能宏觀動能宏觀動能

3、Ek= mc2/2宏觀位能宏觀位能 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功隨物質(zhì)傳遞的能量隨物質(zhì)傳遞的能量 熱量熱量外界熱源外界熱源外界功源外界功源外界質(zhì)源外界質(zhì)源系系統(tǒng)統(tǒng)kJ 或 kcal 且l kcal=4.1868kJ 定義定義：在溫差溫差作用下,系統(tǒng)與外界通過界面?zhèn)鬟f的能量。規(guī)定規(guī)定:特點特點:是傳遞過程傳遞過程中能量的一種形式，與熱力過程熱力過程有關(guān)系統(tǒng)吸熱吸熱熱量為正正，系統(tǒng)放熱放熱熱量為負(fù)負(fù)單位：單位：熱量是除功以外另一種形式的能量傳遞傳遞除溫差以

4、外除溫差以外的其它不平衡勢差不平衡勢差所引起的系統(tǒng)與外界傳遞的能量.1膨脹功W：2 軸功W:在力差力差作用下，通過系統(tǒng)容積變化容積變化與外界傳遞的能量。規(guī)定規(guī)定: 系統(tǒng)對外作功對外作功為正正，外界對系統(tǒng)作功對系統(tǒng)作功為負(fù)負(fù)。熱力系通過葉輪機(jī)械的軸端與外界交換的能量稱為軸功熱力系通過葉輪機(jī)械的軸端與外界交換的能量稱為軸功定義定義:單位單位：l J=l Nm膨脹功是熱變功熱變功的源泉剛性閉口系統(tǒng)剛性閉口系統(tǒng)軸功不可能為正，軸功來源于能量轉(zhuǎn)換種類種類:注意注意:mgzmcUE2211122vpvpwf1 流動工質(zhì)流動工質(zhì) 本身具有的能量本身具有的能量2 流動功流動功(或推動功或推動功)為推動流體推動

5、流體通過控制體界面而傳遞的機(jī)械功機(jī)械功.推動1kg工質(zhì)進(jìn)、出控制體時需功 注意注意: 取決于取決于控制體進(jìn)出口界面工質(zhì)的熱力狀態(tài)工質(zhì)的熱力狀態(tài)由泵風(fēng)機(jī)等提供思考思考：與其它功區(qū)別推進(jìn)功推進(jìn)功（流動功、推動功）（流動功、推動功）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 熱力系統(tǒng)（控制體）熱力系統(tǒng)（控制體）111111 111 1FLp ALpVm p v1 1p v22222F Lp A L22222p Vm p v221 1p vp v1 1、與宏觀與宏觀流動流動有關(guān)，流動停止，推進(jìn)功不存在有關(guān)，流動停止，推進(jìn)功不存在

6、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)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， 而由外界做出，流動工質(zhì)所而由外界做出，流動工質(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)為流動工質(zhì)進(jìn)，表現(xiàn)為流動工質(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對于m千克工質(zhì)： pVUHv焓的定義式焓的定義式：焓焓=內(nèi)能內(nèi)能

7、+流動功流動功 v焓的物理意義：焓的物理意義：1對流動流動工質(zhì)(開口開口系統(tǒng))，表示沿流動方向傳遞的總能量中，取決于取決于熱力狀態(tài)熱力狀態(tài)的那部分能量.思考：思考：特別的對理想氣體 h= f (T) 對于1千克工質(zhì)： h=u+ p v 2 對不流動不流動工質(zhì)(閉口閉口系統(tǒng))，焓只是一個復(fù)合復(fù)合狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)加入系統(tǒng)的能量總和加入系統(tǒng)的能量總和 - 熱力系統(tǒng)輸出的能量總和熱力系統(tǒng)輸出的能量總和 =熱力系總儲存能的增量熱力系總儲存能的增量ddQUWQUWquwquw 1）對于可逆過程netnetdQUWQWddQUp V2）對于循環(huán)3）對于定量工質(zhì)吸熱與升溫關(guān)系，還取決于W的 “+”，“”，大小

8、。 dTcduvdTcduv21dTcuv適用于理想氣體一切過程或者實際氣體定容過程適用于理想氣體一切過程或者實際氣體定容過程1)(12TTcuv2)適用于理想氣體一切過程或者實際氣體定容過程適用于理想氣體一切過程或者實際氣體定容過程（用定值比熱計算）（用定值比熱計算）3)102000121221tctcdtcdtcdtcutvmtvmtvtvttv適用于理想氣體一切過程或者實際氣體定容過程（用平均比熱計算）4)把 Tfcv21dTcuv代入進(jìn)行積分適用于理想氣體一切過程或者實際氣體定容過程（用真實比熱公式計算）5)niiiniinumUUUUU1121由理想氣體組成的混合氣體的熱力學(xué)能等于各

9、組成氣體熱力學(xué)能之和，各組成氣體熱力學(xué)能又可表示為單位質(zhì)量熱力學(xué)能與其質(zhì)量的乘積。SW =100kJQout=500kJU1=800kJU2=?圖33 例31示意圖totQUW totsWW21sUQUW500800100400kJ 500kJsWQ 推導(dǎo)推導(dǎo) 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)儲存能量儲存能量的的變化變化 Wnet Q min m2uinuoutgzingzout212inc212outc Q + min(u + c2/

10、2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv這個結(jié)果與實驗這個結(jié)果與實驗不符不符少了少了推進(jìn)功推進(jìn)功 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout212inc212outc Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv minpvout 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0limQQ0limmm0limWW2cvout

11、2innetind/ 2/ 2outQEupvcgzmupvcgzmW當(dāng)有多條進(jìn)出口：當(dāng)有多條進(jìn)出口：netcv2outout2inind/ 2/ 2QEWupvcgzmupvcgzm流動時，總一起存在流動時，總一起存在CVSdEWmgzChmgzChQ11211222222121上式對不穩(wěn)定流動和穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流，可逆與不可逆過程都適用，也能適用于閉口系統(tǒng)。12mmm常數(shù), , ssQQWW常量常量,0, c vdEmm常量 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc穩(wěn)定流動條件穩(wěn)定流動條件1、outinmmm2、QConst3、netsWConstW軸

12、功軸功Shaft work每截面狀態(tài)不變每截面狀態(tài)不變4、,/0C VdEoutinmmmQConstnetsWConstW,/0C VdEnetcv2outout2inind/ 2/ 2QEWhcgzmhcgzm穩(wěn)定流動條件穩(wěn)定流動條件0mmsW22soutin22ccQmhgzhgzWQm qssWm w1kg工質(zhì)工質(zhì)22soutin22ccqhgzhgzw2s12qhcgzw 2s12qhcgzw 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2t12swcgzwt()tqhwupvw quw ()twpvwwwt(pv) c2/2wsgz做功的根源做功的根

13、源ws()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twvdp1 12 2vdppdvpvp v1 12 2twwpvp v()twwpv12 1ba12341 140a 230b()twpvw用定值比熱計算用定值比熱計算:用平均比熱計算用平均比熱計算 :經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式:代入 TfRTuhdTchp21102000121221tctcdtcdtcdtchtpmtpmtptpttp Tfcp21dTchp適用于

14、理想理想氣體的一切一切熱力過程或者實際氣體實際氣體的定壓過定壓過程22212121()2ffsccqhhzz gwquw 2221()()2ffstccwpvg zwpvw 222121()()2ffsccupvzz gw ()twwpv2t12swcgzwt()tqhwupvw quw ()twpvwwwt(pv) c2/2wsgz做功的根源做功的根源ws2211()()22nmffoutioutiinjinjsijccQmhgzmhgzW一一、蒸汽輪機(jī)、氣輪機(jī)蒸汽輪機(jī)、氣輪機(jī) 流進(jìn)系統(tǒng)：1111hvpu 流出系統(tǒng)：Swhvpu,222212Sthhww12kJsWHH12kJ/kgswhh

15、22212121()()()2ffsccQhh mmzz gmW2221210;()0;02ffcczz gQsE12kJsWHH12kJ/kgswhh二、壓氣機(jī)二、壓氣機(jī)、水泵類水泵類擴(kuò)壓管進(jìn)氣室進(jìn)氣室進(jìn)氣口進(jìn)氣口葉葉 輪輪蝸殼蝸殼出氣口出氣口出口擴(kuò)壓器出口擴(kuò)壓器主軸主軸出口擴(kuò)壓器出口擴(kuò)壓器2狀態(tài)狀態(tài)1狀態(tài)狀態(tài)1狀態(tài)狀態(tài)2狀態(tài)狀態(tài)21kJsWHH21kJ/kgswhh2221210;()0;02ffcczz gQ22212121()()()2ffsccQHHmzz gmWsE21 kJsWHH21 kJ/kgswhh冷流體入口冷流體入口1冷流體出口冷流體出口2熱流體入口熱流體入口熱流體出口熱流體出口去汽輪機(jī)去汽輪機(jī)來自水泵來自水泵過熱器過熱器爐墻爐墻蒸發(fā)管蒸發(fā)管2狀態(tài)狀態(tài)1狀態(tài)狀態(tài)來自汽輪機(jī)的水蒸氣來自汽輪機(jī)的水蒸氣去水泵的凝結(jié)水去水泵的凝結(jié)水冷卻水冷卻水冷卻水冷卻水1狀態(tài)狀態(tài)2狀態(tài)狀態(tài)冷流體入口冷流體入口1冷流體出口冷流體出口2熱流體入口熱流體入口熱流體出口熱流體出口熱流體熱流體冷流體入口1冷流體出口冷流體出口1熱流體熱流體Q21kJQHH21kJ/kgqhh21kJQHH21kJ/kgqhh222121()0;()02ffcczz g0sW 22212121()()()2ffsccQHHm