第三章能量與熱力學(xué)第一定律

1、第三章 能量與熱力學(xué)第一定律第一類永動(dòng)機(jī) 1、定義：某物質(zhì)循環(huán)一周回復(fù)到初始狀態(tài)，不吸熱而向外放熱或做功，叫做“第一類永動(dòng)機(jī)”。 2、特征：這種機(jī)器不消耗任何能量，卻可以源源不斷的對(duì)外做功。第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)達(dá)芬奇（1452年4月15日1519年5月2日） “永恒運(yùn)動(dòng)的幻想家們！你們的探索何等徒勞無功！” 第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì) 一、能量轉(zhuǎn)換與能量守恒定律 自然界一切物質(zhì)都具有能量。能量既不能被創(chuàng)造，也不可能被消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。在轉(zhuǎn)換過程中，能量的總量恒定不變。 二、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)就是能量守恒，可表述為多種形式，如“第一類永動(dòng)機(jī)是

2、不可能造成第一類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的的”“當(dāng)熱能與其它形式的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，能當(dāng)熱能與其它形式的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，能的總量保持恒定的總量保持恒定”第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì) 三、熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式 式中Esys-熱力系的能量變化；Esur-外界的能量變化 四、封閉熱力系的熱力學(xué)第一定律 對(duì)于封閉熱力系來說: Esys=U， Esur=-（Q+W） 代入上式得0sursysEEWQU第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì) 四、封閉熱力系的熱力學(xué)第一定律 對(duì)于熱力學(xué)第一定律解析式，如果考慮到熱力系動(dòng)能和位能的變化，則上式可化為WQUWQEEUpk第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì) 例3-1：定量空氣在狀態(tài)變化

3、過程中對(duì)外放對(duì)外放熱熱40 kJ/kg，內(nèi)能增加內(nèi)能增加80 kJ/kg，試問空氣是被壓縮還是膨脹？功量是多少？第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì) 例3-2 對(duì)定量的某種氣體提供熱能提供熱能100kJ,使其由狀態(tài)1沿A途徑變化至狀態(tài)2，同時(shí)對(duì)外做功對(duì)外做功60 kJ。若外界對(duì)該氣體做功該氣體做功40 kJ，迫使它從狀態(tài)2沿B途徑返回至狀態(tài)1，問返回過程中工質(zhì)是吸熱還是放熱？其量為多少？又若返回時(shí)不沿途徑B而沿途徑C，此時(shí)壓縮氣體的功壓縮氣體的功為50 kJ，問C過程中有無吸收熱量?第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì) 五、穩(wěn)流熱力系的熱力學(xué)第一定律 1.穩(wěn)流熱力系的概念:如果在流動(dòng)過程中，開口系統(tǒng)內(nèi)部及其邊

4、界上各點(diǎn)工質(zhì)的熱力參數(shù)熱力參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)都不隨時(shí)間而變不隨時(shí)間而變，這種流動(dòng)過程就稱穩(wěn)定流動(dòng)過程，相應(yīng)的熱力系則稱為穩(wěn)流熱力系。 當(dāng)熱力設(shè)備在不變的工況下工作時(shí)，工質(zhì)的流動(dòng)過程可視為穩(wěn)定流動(dòng)過程；當(dāng)其在啟動(dòng)、加速等變動(dòng)工況工作時(shí)，工質(zhì)的流動(dòng)過程則屬不穩(wěn)定流動(dòng)，如向氣罐充氣和氣罐排空的過程等均屬不穩(wěn)定流動(dòng)。 想一想：大部分設(shè)備正常工作時(shí)是穩(wěn)流過程還是非穩(wěn)流過程？第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì) 五、穩(wěn)流熱力系的熱力學(xué)第一定律 2.穩(wěn)流熱力系熱力系第一定律0sursysEEpksysEEHEssurWQEsWQzmgCmH2210sursysEEssurWQEpksysEEHE0sursysE

5、EssurWQE第二節(jié) 穩(wěn)流熱力系的軸功與技術(shù)功 一、穩(wěn)流熱力系的輸出功軸功 1.概念:在實(shí)際生產(chǎn)中，常用的動(dòng)力設(shè)備：耗功設(shè)備，如泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)；產(chǎn)功設(shè)備，如熱力機(jī)械中的蒸汽輪機(jī)、水力機(jī)械中的水輪機(jī)等，都是通過設(shè)備機(jī)械軸的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱力系，即工質(zhì)與外界之間的功交換，這些設(shè)備的輸入、輸出功就是軸功。第二節(jié) 穩(wěn)流熱力系的軸功與技術(shù)功 一、穩(wěn)流熱力系的輸出功軸功 2、軸功計(jì)算： 對(duì)于穩(wěn)流熱力系，對(duì)外輸出的軸功等于流動(dòng)過程中工質(zhì)容積變化功與各種形式的機(jī)械功增量的代數(shù)和。 對(duì)于封閉熱力系：不存在工質(zhì)的流進(jìn)流出，輸出功就是容積變化功。ZgCvpvpwws2112221第二節(jié) 穩(wěn)流熱力系的軸功與技術(shù)功二、穩(wěn)

6、流熱力系的做功能力-技術(shù)功 1. 對(duì)軸功公式 變化得 令 wt稱為開口熱力系的技術(shù)功，是容積功和流動(dòng)功的代數(shù)和。ZgCvpvpwws2112221ZgCwvpvpws2112221ZgCwvpvpwwst2112221第二節(jié) 穩(wěn)流熱力系的軸功與技術(shù)功三、可逆軸功的計(jì)算及其應(yīng)用 1.對(duì)于可逆過程： 若工質(zhì)進(jìn)、出熱力設(shè)備的宏觀動(dòng)能、位能的變化很小，可忽略不計(jì)，則ZgCvdpwRs2212121vdpwwRtRs作業(yè) P50,3-7第三節(jié) 理想氣體的顯熱計(jì)算 顯熱的定義 指工質(zhì)在不發(fā)生相變化相變化和化學(xué)變化化學(xué)變化的條件下，在加熱或冷卻過程中吸收或放出的熱量。第三節(jié) 理想氣體的顯熱計(jì)算一、比熱容一、

7、比熱容 1.定義：1 kg物質(zhì)溫度變化1K時(shí)與外界交換的顯熱，稱為物質(zhì)的比熱容。用符合c表示。 2.單位：J/(kgK)或kJ/(kgK) 3.影響因素：工質(zhì)的性質(zhì)；換熱方式；工質(zhì)所處的狀態(tài)。 思考：水的比熱容是多少？ 4200 J/(kgoC)第三節(jié) 理想氣體的顯熱計(jì)算二、摩爾熱容 1、定義：1mol物質(zhì)溫度變化1K時(shí)與外界交換的顯熱，稱為物質(zhì)的摩爾熱容。用符合c表示。 2、單位：J/(molK)或kJ/(molK) 3、影響因素：工質(zhì)的性質(zhì)；換熱方式；工質(zhì)所處的狀態(tài)。第三節(jié) 理想氣體的顯熱計(jì)算四、摩爾定壓熱容 1.定義：在定壓條件下，使1 mol物質(zhì)溫度變化1 K時(shí)，與外界交換的顯熱，稱摩

8、爾定容熱容，用符合cp表示。 2.計(jì)算公式： 3.條件：定壓定壓，像BdTdhcp三、摩爾定容熱容 1.定義：在定容條件定容條件下，使1 mol物質(zhì)溫度變化1 K時(shí)，與外界交換的顯熱，稱摩爾定容熱容，用符合cv表示。 2.計(jì)算公式： 3.條件：容積容積不變，像AdTdUcvcp和和cv的關(guān)系：的關(guān)系： cp=cv+R第三節(jié) 理想氣體的顯熱計(jì)算五、顯熱的計(jì)算五、顯熱的計(jì)算 1.定義：指工質(zhì)在不發(fā)生相變化和化學(xué)變化的條件下，在加熱或冷卻過程中吸收或放出的熱量。 2.計(jì)算公式： 3.采用定值摩爾定壓熱容計(jì)算顯熱qp 公式：qp =h=cp(T2-T1)=cpT= cp t(J/mol)21TTppd

9、Tchq理想氣體的定值摩爾熱容和絕熱指數(shù)理想氣體的定值摩爾熱容和絕熱指數(shù)理想氣體單原子氣體雙原子氣體多原子氣體cv1.5R2.5R3.5Rcp2.5R3.5R4.5Rk=cp/cv1.6671.401.286第三節(jié) 理想氣體的顯熱計(jì)算五、顯熱的計(jì)算五、顯熱的計(jì)算 4.采用真實(shí)摩爾定壓熱容計(jì)算顯熱qp 無機(jī)氣體 有機(jī)氣體 5.采用平均摩爾定壓熱容計(jì)算顯熱qp21TTppdTchq23221TaTaTaacop33221TaTaTaacop1221ttchqttpp12122121ttdTcttqcTTppttp第三節(jié) 理想氣體的顯熱計(jì)算六、顯熱的計(jì)算 5.采用平均摩爾定壓熱容計(jì)算顯熱qp 由于t

10、1、t2是變化的， 也是變化的，為了計(jì)算方便，我們采用以0 oC或25 oC為基準(zhǔn)溫度計(jì)算平均摩爾定壓熱容 當(dāng)t0=0 oC時(shí)，上式可寫成 其中：cp2從基準(zhǔn)溫度t0(一般是0 oC)至t2時(shí)的平均摩爾定壓熱容； t0(一般是0 oC)至t1時(shí)的平均摩爾定壓熱容.1221ttchqttpp21ttcp01021020ttcttcqttpttpp1122tctchqppp第三節(jié) 理想氣體的顯熱計(jì)算六、顯熱的計(jì)算 6.采用焓值數(shù)據(jù)計(jì)算顯熱qp：qp =h=h2-h1 7.理想氣體混合物的計(jì)算 上述各式同樣適用，只不過將各計(jì)算式中純氣體的摩爾定壓熱容換成混合物的摩爾定壓熱容即可。 8.液體、固體物料

11、的顯熱計(jì)算 除了上述各種計(jì)算方式外，其摩爾定壓熱容與摩爾定容熱容近似相等BpBBpmcycBBBBBBBpmhhyhyq12vpcc 第三節(jié) 理想氣體的顯熱計(jì)算 例3-3：試求常壓下，將1 mol氧氣由100 oC加熱至 500 oC時(shí)所需的熱量。 例3-4：已知煙氣的容積為15.6 m3（標(biāo)準(zhǔn)狀況），測(cè)得其容積分?jǐn)?shù)為CO2=0.104、O2=0.0518、H2O=0.0992、 N2=0.745。若該煙氣在鍋爐空氣預(yù)熱器進(jìn)口處的溫度為500 oC，出口處溫度為200 oC，試求該煙氣所放出的熱量第四節(jié) 第一定律在穩(wěn)流熱力系中的應(yīng)用一、鍋爐及各種換熱器 1.以設(shè)備中的某種工質(zhì)為熱力系 對(duì)于鍋爐

12、，Ws=0, z=0, C=0，上式可化為: H=Q傳傳 式中: H工質(zhì)在換熱過程中的焓變； Q傳工質(zhì)與外界間傳遞的熱量 例3-5：有一水平位置的熱交換器，其進(jìn)、出口的截面積相等?？諝膺M(jìn)入時(shí)的溫度、壓力和流速分別為30 oC、0.105 MPa和10 m/s，離開時(shí)的溫度和壓力為130 oC和0.104 MPa。試計(jì)算當(dāng)空氣的質(zhì)量流量為100 kg/h時(shí)，從熱交換器吸收多少熱量？已知空氣的平均比定壓熱容為1.005 kJ/(kgK)sWQzmgCmH221第四節(jié) 第一定律在穩(wěn)流熱力系中的應(yīng)用一、鍋爐及各種換熱器 2.以整個(gè)設(shè)備為熱力系H熱+H冷=Q損 ，H熱I+ H冷=0 H熱熱流體的焓變；

13、H冷冷流體的焓變； Q損整個(gè)設(shè)備與外界環(huán)境的熱交換，即設(shè)備的熱損失 例3-6：某臺(tái)鍋爐每小時(shí)產(chǎn)汽40t，已知鍋爐進(jìn)水焓h1=410 kJ/kg, 鍋爐出口蒸汽焓h2=2780 kJ/kg, 燃煤的發(fā)熱量qdw=-30000 kJ/kg，鍋爐效率為I=80%，試求鍋爐每小時(shí)燃煤量m為多少？sWQzmgCmH221第四節(jié) 第一定律在穩(wěn)流熱力系中的應(yīng)用 例3-7：用6857 kJ的熱量加熱空氣，問能將多少立方米的空氣（標(biāo)準(zhǔn)狀況）由t1=40 oC加熱到t2=300 oC。 假定煙氣與空氣的換熱過程中無散熱損失； 若換熱過程中有熱損失700 kJ，求被加熱的空氣量及加熱器的熱效率。第四節(jié) 第一定律在穩(wěn)

14、流熱力系中的應(yīng)用二、汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)二、汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī) 工質(zhì)流過汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)壓力降低，對(duì)外做功。外界未給工質(zhì)加熱，工質(zhì)對(duì)外散熱也很小，動(dòng)能差和位能差也很小，即工質(zhì)的Q、Ek、Ep可以忽略，得 Ws=H=H2-H1 即工質(zhì)在汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)中所做的功的數(shù)值等于工質(zhì)即工質(zhì)在汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)中所做的功的數(shù)值等于工質(zhì)焓的減少。焓的減少。 例3-8：已知蒸氣進(jìn)入透平時(shí)的焓值為3230 kJ/kg，流速為50 m/s，離開透平時(shí)的焓值為2300 kJ/kg, 流速為120 m/s，蒸氣出口管比進(jìn)口管低3 m，蒸氣的流量為10000 kg/h。若忽略透平的散熱損失，試求：透平輸出功率；若忽略進(jìn)出口蒸氣的動(dòng)能差和位能差，計(jì)算對(duì)輸出功率的計(jì)算值產(chǎn)生的誤差。sWQzmgCmH221第四節(jié) 第一定律在穩(wěn)流熱力系中的應(yīng)用三、泵與風(fēng)機(jī) 工質(zhì)流經(jīng)泵與風(fēng)機(jī)時(shí)，壓力增加，外界對(duì)工質(zhì)做功。由于工質(zhì)流經(jīng)設(shè)備的時(shí)間很短，散熱量、熱量可略去不計(jì)，且進(jìn)出口動(dòng)能差、位能差都很小。因此，穩(wěn)定流動(dòng)能量方程為： Ws=H=H2-H1sWQzmgCmH221第四節(jié) 第一定律在穩(wěn)流熱力系中的應(yīng)用四、壓縮機(jī) 當(dāng)氣體流經(jīng)壓縮機(jī)時(shí)，受到壓縮，氣體的壓力升高。一般情況下，進(jìn)出口氣流的