工程熱力學(xué)第二章

1、第二章 熱力學(xué)第一定律First Law Of ThermodynamicsnetnetnettvbebwqwqqwTdsqTdSQpdvwpdVWKtTKTtppppppvmmVv12121212121212121.2115.27315.273或或或第一章內(nèi)容回顧一、本章基本公式列表于一、本章基本公式列表于1-11-1，在學(xué)習(xí)中應(yīng)熟練掌握。，在學(xué)習(xí)中應(yīng)熟練掌握。表1-1 第一章的基本公式條件：可逆過程條件：可逆過程對于熱動力循環(huán)對于制冷循環(huán)對于熱泵循環(huán)二、本章需掌握的一些重要概念二、本章需掌握的一些重要概念1 1、平衡狀態(tài)、平衡狀態(tài)p 平衡狀態(tài)：一個熱力系統(tǒng)，如果在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)

2、的狀態(tài)能夠始終保持不變。l實現(xiàn)熱力平衡的充要條件：實現(xiàn)熱力平衡的充要條件：l注意區(qū)分兩個關(guān)系：注意區(qū)分兩個關(guān)系：平衡與均勻的關(guān)系平衡與均勻的關(guān)系平衡與穩(wěn)定的關(guān)系平衡與穩(wěn)定的關(guān)系 系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界各種不平衡勢差（力、溫度、系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界各種不平衡勢差（力、溫度、化學(xué)勢差）的消失?；瘜W(xué)勢差）的消失。平衡可不均勻平衡可不均勻穩(wěn)定未必平衡穩(wěn)定未必平衡2 2、準平衡過程和可逆過程、準平衡過程和可逆過程p 準平衡過程：偏離平衡態(tài)無窮小，隨時恢復(fù)平衡的狀態(tài)變化過程。l實現(xiàn)條件： A A、物系平衡恢復(fù)的速度過程進行的速度（外界條件變化、物系平衡恢復(fù)的速度過程進行的速度（外界條件變化率的大?。┞实拇笮?/p>

3、）B B、過程進行無限緩慢、過程進行無限緩慢l建立準平衡過程概念的好處：（1）可以用確定的狀態(tài)參數(shù)變化描述過程）可以用確定的狀態(tài)參數(shù)變化描述過程（2）可以在參數(shù)坐標圖上用一條連續(xù)曲線表示過程）可以在參數(shù)坐標圖上用一條連續(xù)曲線表示過程p 可逆過程：系統(tǒng)完成某一熱力過程后，再沿原來路徑逆向進行時，能使系統(tǒng)和外界都返回原來狀態(tài)而不留下任何變化，這一過程稱為可逆過程。l可逆過程實現(xiàn)的條件：（1 1）可逆）可逆= =準靜態(tài)準靜態(tài)+ +沒有耗散效應(yīng)沒有耗散效應(yīng); ; （2 2）準靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著眼于系統(tǒng)內(nèi)部及）準靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著眼于系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界作用的總效果系統(tǒng)與外界作用

4、的總效果; ; （3 3）一切實際過程不可逆）一切實際過程不可逆; ; （4 4）可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示）可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示. . l關(guān)于可逆與準靜態(tài)的討論：（1 1）準靜態(tài)過程）準靜態(tài)過程（2 2）無耗散）無耗散( (通過摩擦、電阻、磁阻等使功變成熱的效應(yīng)通過摩擦、電阻、磁阻等使功變成熱的效應(yīng)) )p 狀態(tài)量：指描述工質(zhì)狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)。l狀態(tài)參數(shù)的性質(zhì)：狀態(tài)參數(shù)的性質(zhì)：（1 1）狀態(tài)參數(shù)的變化只取決于給定的初、終狀態(tài)，與變化）狀態(tài)參數(shù)的變化只取決于給定的初、終狀態(tài)，與變化過程所經(jīng)歷的路徑無關(guān)。過程所經(jīng)歷的路徑無關(guān)。122, 12, 1zzdzdzzba當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷一系列

5、狀態(tài)變化而恢復(fù)到初態(tài)時，其狀態(tài)參數(shù)的當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化而恢復(fù)到初態(tài)時，其狀態(tài)參數(shù)的變化為變化為0 0。 0dz（2 2）狀態(tài)參數(shù)是點函數(shù)，它的微分是全微分。設(shè)）狀態(tài)參數(shù)是點函數(shù)，它的微分是全微分。設(shè) ，則，則),(yxfz dyyzdxxzdzyx反之，如果能證明某物理量具有上述數(shù)學(xué)特征，則該物理量反之，如果能證明某物理量具有上述數(shù)學(xué)特征，則該物理量一定是狀態(tài)參數(shù)。一定是狀態(tài)參數(shù)。三、狀態(tài)量與過程量的區(qū)分三、狀態(tài)量與過程量的區(qū)分p 過程量功量和熱量熱力過程中，系統(tǒng)與外界在不平衡勢差的作用下會發(fā)生能量熱力過程中，系統(tǒng)與外界在不平衡勢差的作用下會發(fā)生能量轉(zhuǎn)換。能量交換的方式有兩種轉(zhuǎn)換。能量交

6、換的方式有兩種作功和傳熱。作功和傳熱。（1 1）功是系統(tǒng)與外界在力差的推動下，通過宏觀有序運動（有規(guī)則）功是系統(tǒng)與外界在力差的推動下，通過宏觀有序運動（有規(guī)則運動）的方式傳遞的能量；作功過程往往伴隨能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化運動）的方式傳遞的能量；作功過程往往伴隨能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化. . （2 2）熱是系統(tǒng)與外界在溫差的推動下，通過微觀粒子無序運動（無）熱是系統(tǒng)與外界在溫差的推動下，通過微觀粒子無序運動（無規(guī)則運動）的方式傳遞的能量；傳熱過程不出現(xiàn)能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化規(guī)則運動）的方式傳遞的能量；傳熱過程不出現(xiàn)能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化. .l都是系統(tǒng)和外界通過邊界傳都是系統(tǒng)和外界通過邊界傳遞的能量遞的能量，只有在傳遞過程中，只

7、有在傳遞過程中才有意義。不能說，在某狀態(tài)才有意義。不能說，在某狀態(tài)下系統(tǒng)或外界有多少功或熱。下系統(tǒng)或外界有多少功或熱。l與過程的初、終狀態(tài)有關(guān)，與過程的初、終狀態(tài)有關(guān)，與過程的性質(zhì)有關(guān)，與過程的性質(zhì)有關(guān)，是過程量。是過程量。特點：示功圖示熱圖第二章 熱力學(xué)第一定律First Law Of Thermodynamics1919世紀世紀30-4030-40年代，邁爾年代，邁爾焦耳（德國醫(yī)生）發(fā)現(xiàn)并確定焦耳（德國醫(yī)生）發(fā)現(xiàn)并確定了能量轉(zhuǎn)換與守恒定律。恩格斯將這列為了能量轉(zhuǎn)換與守恒定律。恩格斯將這列為1919世紀三大發(fā)現(xiàn)之一世紀三大發(fā)現(xiàn)之一（細胞學(xué)說、達爾文進化論）。（細胞學(xué)說、達爾文進化論）。能量轉(zhuǎn)

8、換與守恒定律指出：一切物質(zhì)都具有能量。能量既能量轉(zhuǎn)換與守恒定律指出：一切物質(zhì)都具有能量。能量既不可能被創(chuàng)造，也不能被消滅，它只能在一定的條件下從一種不可能被創(chuàng)造，也不能被消滅，它只能在一定的條件下從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。而在轉(zhuǎn)換中，能量的總量恒定不變。形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。而在轉(zhuǎn)換中，能量的總量恒定不變。至今為止，沒有一個人提出一個事實不符合這條自然規(guī)律至今為止，沒有一個人提出一個事實不符合這條自然規(guī)律的，相反，在各個領(lǐng)域：天文、地理、生物、化學(xué)、電磁、宏的，相反，在各個領(lǐng)域：天文、地理、生物、化學(xué)、電磁、宏觀、微觀各領(lǐng)域都遵循這條規(guī)律。熱力學(xué)是研究能量及其特性觀、微觀各領(lǐng)域都遵循這條規(guī)律

9、。熱力學(xué)是研究能量及其特性的科學(xué)，它必然要遵循這條規(guī)律。的科學(xué)，它必然要遵循這條規(guī)律。 熱力學(xué)第一定律適用于一切熱力過程，當(dāng)用于分析具體問熱力學(xué)第一定律適用于一切熱力過程，當(dāng)用于分析具體問題時，需要將它表述為數(shù)學(xué)解析式。題時，需要將它表述為數(shù)學(xué)解析式。 對于任何系統(tǒng)，各項能量之間的平衡關(guān)系可一般地表示為對于任何系統(tǒng)，各項能量之間的平衡關(guān)系可一般地表示為進入系統(tǒng)的能量進入系統(tǒng)的能量- -離開系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量= =系統(tǒng)儲存能的變化系統(tǒng)儲存能的變化（2-1）由（由（2-12-1）式看出，分析熱力過程中能量的平衡關(guān)系時，既要）式看出，分析熱力過程中能量的平衡關(guān)系時，既要考慮系統(tǒng)本身具有的能量（

10、儲存能），也要考慮系統(tǒng)與外界之考慮系統(tǒng)本身具有的能量（儲存能），也要考慮系統(tǒng)與外界之間所傳遞的能量（遷移能）。間所傳遞的能量（遷移能）。p儲存能取決于系統(tǒng)本身所處的狀態(tài)；儲存能取決于系統(tǒng)本身所處的狀態(tài)；p遷移能取決于系統(tǒng)與外界之間的相互作用。遷移能取決于系統(tǒng)與外界之間的相互作用。運動是物質(zhì)存在的形式，能量是物質(zhì)運動的量度，運動有各種運動是物質(zhì)存在的形式，能量是物質(zhì)運動的量度，運動有各種不同的形式，相應(yīng)的就有各種不同的能量。不同的形式，相應(yīng)的就有各種不同的能量。區(qū)別這兩類能量的不同特點，有助于正確地進行各項能量的計算。一.內(nèi)部儲存能熱力學(xué)能(internal energy)U U內(nèi)動能內(nèi)動能U

11、U內(nèi)位能內(nèi)位能U U化學(xué)能化學(xué)能 U U原子能原子能 U U電磁能電磁能平移動能平移動能 轉(zhuǎn)動動能轉(zhuǎn)動動能 振動動能振動動能 Tf1分子間相分子間相互作用力互作用力vTf,2U熱力學(xué)能定義：與系統(tǒng)內(nèi)部粒子的微觀運動和粒子空間位形有關(guān)的能量。定義：與系統(tǒng)內(nèi)部粒子的微觀運動和粒子空間位形有關(guān)的能量。儲存能：系統(tǒng)儲存的能量稱為儲存能，它有內(nèi)部儲存能和外儲存能：系統(tǒng)儲存的能量稱為儲存能，它有內(nèi)部儲存能和外部儲存能之分。部儲存能之分。),(vTUU 在無化學(xué)反應(yīng)及原子核反應(yīng)的過程中，化學(xué)能、原子核能在無化學(xué)反應(yīng)及原子核反應(yīng)的過程中，化學(xué)能、原子核能都不變化，可以不考慮。因此熱力學(xué)能的變化只是內(nèi)動能都不變

12、化，可以不考慮。因此熱力學(xué)能的變化只是內(nèi)動能和內(nèi)位能的變化。和內(nèi)位能的變化。熱力學(xué)能的單位：焦耳（熱力學(xué)能的單位：焦耳（J J），），U U比熱力學(xué)能（比熱力學(xué)能（1kg1kg物質(zhì)的熱力學(xué)能）的單位：物質(zhì)的熱力學(xué)能）的單位：J Jkgkg，u u據(jù)氣體分子運動學(xué)說，熱力學(xué)能是熱力狀態(tài)的單值函數(shù)。熱據(jù)氣體分子運動學(xué)說，熱力學(xué)能是熱力狀態(tài)的單值函數(shù)。熱力學(xué)能與熱力狀態(tài)的路徑無關(guān)，是狀態(tài)參數(shù)。力學(xué)能與熱力狀態(tài)的路徑無關(guān)，是狀態(tài)參數(shù)。內(nèi)位能內(nèi)動能熱力學(xué)能UUU例如，氣體由狀態(tài)例如，氣體由狀態(tài)1 1，經(jīng)歷不同的過程（，經(jīng)歷不同的過程（1-a-21-a-2與與1-b-21-b-2），到），到達狀態(tài)達狀態(tài)2

13、 2，這兩個過程的熱力學(xué)能的變化量相同，即，這兩個過程的熱力學(xué)能的變化量相同，即12212121uuduuuba由于氣體的熱力狀態(tài)可由兩個獨立狀態(tài)參由于氣體的熱力狀態(tài)可由兩個獨立狀態(tài)參數(shù)決定，所以熱力學(xué)能一定是兩個獨立狀數(shù)決定，所以熱力學(xué)能一定是兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)，即態(tài)參數(shù)的函數(shù)，即),(),(),(vpfupTfuvTfu(2(22)2)如果系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一如果系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列過程，又回復(fù)到初始狀態(tài)，如系列過程，又回復(fù)到初始狀態(tài)，如1-a-2-b-11-a-2-b-1，則系統(tǒng)的熱力學(xué)能變化，則系統(tǒng)的熱力學(xué)能變化量等于零，即量等于零，即0du12abPv二.外部儲存

14、能機械能定義：需要用在系統(tǒng)外的參考坐標系測量的參數(shù)來表示的能量。定義：需要用在系統(tǒng)外的參考坐標系測量的參數(shù)來表示的能量。1、宏觀動能：系統(tǒng)作為一個整體在空間作宏觀運動（相對、宏觀動能：系統(tǒng)作為一個整體在空間作宏觀運動（相對于某參考坐標系）所具有的能量，用于某參考坐標系）所具有的能量，用Ek表示。表示。如果系統(tǒng)的質(zhì)量為如果系統(tǒng)的質(zhì)量為m m，速度為，速度為c c，則，則221mcEk2 2、重力位能：系統(tǒng)在外力場的作用下所具有的一定的能量。、重力位能：系統(tǒng)在外力場的作用下所具有的一定的能量。這里，只考慮重力場的作用，用這里，只考慮重力場的作用，用E Ep p表示。表示。如果系統(tǒng)的質(zhì)量為如果系統(tǒng)的

15、質(zhì)量為m m，系統(tǒng)質(zhì)心在參考坐標系中的高度為，系統(tǒng)質(zhì)心在參考坐標系中的高度為Z Z，則，則mgzEp三. 總（儲存）能(total stored energy of system)pkpKeeueEEUE總能總能內(nèi)部儲存能（內(nèi)部儲存能（熱力學(xué)能熱力學(xué)能）外部儲存能（機械能）外部儲存能（機械能）宏觀動能宏觀動能重力位能重力位能包括內(nèi)部儲存能和外部儲存能，用符號包括內(nèi)部儲存能和外部儲存能，用符號“E”E”表示。表示。E E可記為可記為（23）宏觀運動速度宏觀運動速度不同高度不同高度如果系統(tǒng)的質(zhì)量為如果系統(tǒng)的質(zhì)量為1kg1kg，則，則比總能比總能比熱力學(xué)能比熱力學(xué)能比動能比動能比位能比位能若工質(zhì)的質(zhì)

16、量為若工質(zhì)的質(zhì)量為m，在參考系中的速度為，在參考系中的速度為cf f, , 在重力場中的高在重力場中的高度為度為z, , 則工質(zhì)的總能可寫成：則工質(zhì)的總能可寫成：對于對于1 kg1 kg工質(zhì)的總能，即比總能工質(zhì)的總能，即比總能 e , , 可表示為可表示為mgzmcUEf221（2 24 4）gzcuef221（2 25 5）能量是狀態(tài)參數(shù)，但能量在傳遞和轉(zhuǎn)換時，則以作功和傳熱方式能量是狀態(tài)參數(shù)，但能量在傳遞和轉(zhuǎn)換時，則以作功和傳熱方式表現(xiàn)出來。表現(xiàn)出來。一、作功和傳熱一、作功和傳熱能能量量傳傳遞遞的的方方式式作功作功 （總是伴隨物體的宏觀位移）（總是伴隨物體的宏觀位移）傳熱傳熱（不需要物體的

17、宏觀位移）：（不需要物體的宏觀位移）：當(dāng)熱源與工質(zhì)接觸時，接當(dāng)熱源與工質(zhì)接觸時，接觸處兩個物體中雜亂運動的質(zhì)點進行能量交換，結(jié)果高觸處兩個物體中雜亂運動的質(zhì)點進行能量交換，結(jié)果高溫物體把能量傳遞給低溫物體溫物體把能量傳遞給低溫物體工質(zhì)膨脹對活塞作功：工質(zhì)的工質(zhì)膨脹對活塞作功：工質(zhì)的部分能量轉(zhuǎn)化為活塞與飛輪的部分能量轉(zhuǎn)化為活塞與飛輪的動能；動能；活塞壓縮工質(zhì)作功：活塞與活塞壓縮工質(zhì)作功：活塞與飛輪的動能轉(zhuǎn)化為工質(zhì)的能飛輪的動能轉(zhuǎn)化為工質(zhì)的能量，工質(zhì)的能量增加；量，工質(zhì)的能量增加；pbfp熱能轉(zhuǎn)化為機械能的過程包括兩類過程：熱能轉(zhuǎn)化為機械能的過程包括兩類過程：（1 1）能量轉(zhuǎn)換的熱力學(xué)過程：由熱能

18、傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)楣べ|(zhì)的熱）能量轉(zhuǎn)換的熱力學(xué)過程：由熱能傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)楣べ|(zhì)的熱力學(xué)能，然后由工質(zhì)膨脹把熱力學(xué)能變?yōu)闄C械能，轉(zhuǎn)換過力學(xué)能，然后由工質(zhì)膨脹把熱力學(xué)能變?yōu)闄C械能，轉(zhuǎn)換過程中工質(zhì)的熱力狀態(tài)發(fā)生變化，能量的形式也發(fā)生變化；程中工質(zhì)的熱力狀態(tài)發(fā)生變化，能量的形式也發(fā)生變化；（2 2）單純的機械過程：由熱能轉(zhuǎn)換而得的機械能再變成活）單純的機械過程：由熱能轉(zhuǎn)換而得的機械能再變成活塞和飛輪的動能，若考慮工質(zhì)本身的速度和離地面高度的變?nèi)惋w輪的動能，若考慮工質(zhì)本身的速度和離地面高度的變化，則還變成工質(zhì)的宏觀動能和位能，其余部分則通過機器化，則還變成工質(zhì)的宏觀動能和位能，其余部分則通過機器軸對外輸出。軸對外輸出

19、。p作功過程往往伴隨著能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化：作功過程往往伴隨著能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化：工質(zhì)膨脹過程：熱力學(xué)能工質(zhì)膨脹過程：熱力學(xué)能機械能機械能工質(zhì)壓縮過程：機械能工質(zhì)壓縮過程：機械能熱力學(xué)能熱力學(xué)能功量和熱量都是系統(tǒng)與外界相互作用所傳遞的能量，而不功量和熱量都是系統(tǒng)與外界相互作用所傳遞的能量，而不是系統(tǒng)本身所具有的能量（如熱力學(xué)能、宏觀動能和重力是系統(tǒng)本身所具有的能量（如熱力學(xué)能、宏觀動能和重力位能等），其值并不由系統(tǒng)的狀態(tài)確定，而是與傳遞時所位能等），其值并不由系統(tǒng)的狀態(tài)確定，而是與傳遞時所經(jīng)歷的具體過程有關(guān)。經(jīng)歷的具體過程有關(guān)。功量和熱量不是系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，而是與過程特征有關(guān)的過功量和熱量不是系統(tǒng)的狀態(tài)

20、參數(shù)，而是與過程特征有關(guān)的過程量，稱為遷移能。程量，稱為遷移能。二、遷移能二、遷移能功量和熱量功量和熱量容積功：通過工質(zhì)的容積變化而傳遞的機械能，包括膨容積功：通過工質(zhì)的容積變化而傳遞的機械能，包括膨脹功和壓縮功，與系統(tǒng)的界面移動有關(guān)。脹功和壓縮功，與系統(tǒng)的界面移動有關(guān)。21)(vvdvvpwpdvw 注意：膨脹過程中，注意：膨脹過程中，dv0，w0，系統(tǒng)對外界作功；，系統(tǒng)對外界作功； 壓縮過程中，壓縮過程中，dv0，w0，表示熱源對系統(tǒng)加熱，系統(tǒng)吸熱，表示熱源對系統(tǒng)加熱，系統(tǒng)吸熱 0，表示系統(tǒng)內(nèi)能增加，表示系統(tǒng)內(nèi)能增加， 0，表示系統(tǒng)對外作功，表示系統(tǒng)對外作功， 0，表示外界對系統(tǒng)作功。，表

21、示外界對系統(tǒng)作功。qquuww從從已知條件逐步推向目標已知條件逐步推向目標從目標反過來缺什么補什么從目標反過來缺什么補什么4 4）不可逆過程的功可嘗試從外部參數(shù)著手）不可逆過程的功可嘗試從外部參數(shù)著手例例2-1 2-1 如圖如圖2-22-2所示，一定量氣體在氣缸內(nèi)體積由所示，一定量氣體在氣缸內(nèi)體積由0.9m0.9m3 3可可逆地膨脹到逆地膨脹到1.4m1.4m3 3，過程中氣體壓力保持定值，且，過程中氣體壓力保持定值，且p=0.2MPap=0.2MPa。若此過程中氣體熱力學(xué)能增加若此過程中氣體熱力學(xué)能增加12000J12000J，試：，試：（1 1）求此過程中氣體吸入或放出的熱量。）求此過程中

22、氣體吸入或放出的熱量。（2 2）若活塞質(zhì)量為）若活塞質(zhì)量為20Kg20Kg，且初始時活塞靜止，求終態(tài)時活，且初始時活塞靜止，求終態(tài)時活塞的速度。已知環(huán)境壓力塞的速度。已知環(huán)境壓力P P0 0=0.12MPa=0.12MPa。解解（1 1）取氣缸內(nèi)的氣體為系統(tǒng)。這是閉口系，其能量方程為）取氣缸內(nèi)的氣體為系統(tǒng)。這是閉口系，其能量方程為JJJQJmmPaVVppdVWJUUUWUQ11200010000012000100000)9 . 04 . 1 (102 . 0)(12000336122112因此，過程中氣體自外界吸熱因此，過程中氣體自外界吸熱112000J112000J。（2 2）氣體對外界作

23、功，一部分用于排斥活塞背面的大）氣體對外界作功，一部分用于排斥活塞背面的大氣，另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊膭幽茉隽?。氣，另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊膭幽茉隽?。JmmPaVVpVpWr50000)9 . 04 . 1 (101 . 0)(3361200smkgJmWcmWcccmWEJJJWpdVWuuukru/7 .702050000222)(250000500001000002122122幾點假設(shè)：幾點假設(shè)：1. 1. 同一截面上各點的溫度（同一截面上各點的溫度（T T）及壓力（）及壓力（p p）差別不大，）差別不大， 近似看作是均勻的；近似看作是均勻的；2. 2. 其他熱力參數(shù)都是其他熱力參數(shù)都是p p、

24、T T的函數(shù)，故也可近似認為相同的函數(shù)，故也可近似認為相同 ；3. 3. 同一截面上各點流速的平均值為該截面的流速，即同同一截面上各點流速的平均值為該截面的流速，即同 一截面上各點的流速相同；一截面上各點的流速相同；一、開口系能量方程一、開口系能量方程開口系統(tǒng)內(nèi)既有質(zhì)量變化，又有能量變化。開口系統(tǒng)內(nèi)既有質(zhì)量變化，又有能量變化?？疾煲韵麻_口系統(tǒng)考察以下開口系統(tǒng). .在在 時間內(nèi)進行一個微元過程時間內(nèi)進行一個微元過程1m2mQiWmdCVdE1dV2dViW工質(zhì)在機器內(nèi)部對機器所作的工質(zhì)在機器內(nèi)部對機器所作的功功, ,內(nèi)部功內(nèi)部功sW機器的軸上向外傳出的軸功機器的軸上向外傳出的軸功d考察該微元過程

25、中的能量平衡：考察該微元過程中的能量平衡： （1 1）進入系統(tǒng)的能量：）進入系統(tǒng)的能量： （2 2）離開系統(tǒng)的能量：）離開系統(tǒng)的能量： （3 3）控制容積的儲存能增量：）控制容積的儲存能增量：CVdE其中，其中，微元過程中工質(zhì)帶入系統(tǒng)的總能微元過程中工質(zhì)帶入系統(tǒng)的總能控制容積內(nèi)總能的增量控制容積內(nèi)總能的增量微元過程中工質(zhì)帶出系統(tǒng)的總能微元過程中工質(zhì)帶出系統(tǒng)的總能分別為微元工質(zhì)流入流出系統(tǒng)的推出功分別為微元工質(zhì)流入流出系統(tǒng)的推出功根據(jù)式根據(jù)式(2-9)(2-9)則有：則有：整理得：整理得：考慮到考慮到和和，且，且則上式可以寫成則上式可以寫成假設(shè)流進流出控制容積的工質(zhì)各有若干股，則上式可寫成假設(shè)流

26、進流出控制容積的工質(zhì)各有若干股，則上式可寫成（213）（214）mgzmcUEf221gzcuef221（2 21515）其中，其中，單位時間內(nèi)的內(nèi)部功量內(nèi)部功率單位時間內(nèi)的內(nèi)部功量內(nèi)部功率 單位時間內(nèi)的熱量流量熱流率單位時間內(nèi)的熱量流量熱流率單位時間內(nèi)的質(zhì)量流量質(zhì)流率單位時間內(nèi)的質(zhì)量流量質(zhì)流率式（式（2-132-13）（2-152-15）為開口系能量方程的一般表達式。）為開口系能量方程的一般表達式。考慮單位時間內(nèi)的系統(tǒng)能量關(guān)系，將式（考慮單位時間內(nèi)的系統(tǒng)能量關(guān)系，將式（2 21414）兩邊均除以）兩邊均除以dd，則，則二、穩(wěn)定流動能量方程二、穩(wěn)定流動能量方程若流動過程中開口系統(tǒng)內(nèi)部及其邊界上

27、各點工質(zhì)的若流動過程中開口系統(tǒng)內(nèi)部及其邊界上各點工質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)及運動參數(shù)都不隨時間而變。如，在不熱力學(xué)參數(shù)及運動參數(shù)都不隨時間而變。如，在不變的工況下工作的熱力設(shè)備。變的工況下工作的熱力設(shè)備。下面從開口系能量方程的一般表達式導(dǎo)出穩(wěn)定流動能量方程式下面從開口系能量方程的一般表達式導(dǎo)出穩(wěn)定流動能量方程式流流動動過過程程穩(wěn)定流動過程：穩(wěn)定流動過程：非穩(wěn)定流動過程或瞬態(tài)過程：非穩(wěn)定流動過程或瞬態(tài)過程：如，熱力設(shè)備在啟動、加速等變工況下工作時的工如，熱力設(shè)備在啟動、加速等變工況下工作時的工作流動狀態(tài)。作流動狀態(tài)。若只有單股流體進出時，則進出口的質(zhì)流率相等，即若只有單股流體進出時，則進出口的質(zhì)流率相等，

28、即將上面的條件代入式（將上面的條件代入式（2 21515）, ,并用并用 除式除式(2-15),(2-15),得到，得到，穩(wěn)定流動過程穩(wěn)定流動過程 必要條件必要條件（2 21515）（2 21616）（2 216a16a）或或1 1、系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)數(shù)量保持不變，即、系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)數(shù)量保持不變，即2 2、系統(tǒng)內(nèi)儲存的能量保持不變，即、系統(tǒng)內(nèi)儲存的能量保持不變，即mq式中，式中，若流入質(zhì)量為若流入質(zhì)量為m，則穩(wěn)定流動能量方程可寫為：，則穩(wěn)定流動能量方程可寫為：分別為單位質(zhì)量工質(zhì)進入系統(tǒng)后，系統(tǒng)從外界吸分別為單位質(zhì)量工質(zhì)進入系統(tǒng)后，系統(tǒng)從外界吸入的熱量和在機器內(nèi)部作的功。入的熱量和在機器內(nèi)部作的功。(2-1

29、7)(2-17)或或(2-17a)(2-17a)強調(diào)：式（強調(diào)：式（2 21616）與（）與（2 21717）為不同形式的穩(wěn)定流動能量方程式，）為不同形式的穩(wěn)定流動能量方程式，是根據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律導(dǎo)出的，除流動必須穩(wěn)定外無任何附加條是根據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律導(dǎo)出的，除流動必須穩(wěn)定外無任何附加條件。所以不論系統(tǒng)內(nèi)部如何改變，有無擾動或摩擦，均能應(yīng)用件。所以不論系統(tǒng)內(nèi)部如何改變，有無擾動或摩擦，均能應(yīng)用, ,是工是工程上常用的基本公式之一。程上常用的基本公式之一。（2 21616）ifwpvzgcw)(212三、穩(wěn)定流動能量方程式的分析三、穩(wěn)定流動能量方程式的分析工質(zhì)機械工質(zhì)機械能的變化能的變化

30、維持工質(zhì)流動維持工質(zhì)流動的流動功的流動功工質(zhì)對機工質(zhì)對機器作的功器作的功工質(zhì)的容工質(zhì)的容積變化功積變化功熱能轉(zhuǎn)變成的機械能（熱能轉(zhuǎn)變成的機械能（由于膨脹而導(dǎo)致的由于膨脹而導(dǎo)致的）膨脹功膨脹功閉口系能量方程閉口系能量方程wuqifwpvzgcuq)(212代入代入(2-16)(2-16)式式, ,得得開口系能量方程開口系能量方程(2-18)技術(shù)功：技術(shù)功：技術(shù)上可資利用的功，符號為技術(shù)上可資利用的功，符號為(2-19)(2-19)聯(lián)立（聯(lián)立（2 21818）與）與 ，則，則(2-20)(2-20)方程右側(cè)的第一、二、四項是工程上直接可以利用的。方程右側(cè)的第一、二、四項是工程上直接可以利用的。l火

31、箭發(fā)動機的噴管中，利用第一項以得到高速氣流；火箭發(fā)動機的噴管中，利用第一項以得到高速氣流；l水泵中，利用第二項，以提高水流的水位；水泵中，利用第二項，以提高水流的水位；l燃氣渦輪中利用第四項對外作功。燃氣渦輪中利用第四項對外作功。l航空用的渦輪螺旋槳發(fā)動機既利用軸功帶動螺旋槳，又利用航空用的渦輪螺旋槳發(fā)動機既利用軸功帶動螺旋槳，又利用尾噴管中所增加的氣流動能來獲得高速的噴氣流。尾噴管中所增加的氣流動能來獲得高速的噴氣流。四、技術(shù)功四、技術(shù)功(2-18)對于可逆過程，對于可逆過程，(2-21)(2-21)圖中的陰影面積，即圖中的陰影面積，即圖中的面積圖中的面積5 51 12 26 65 5對于微

32、元過程，對于微元過程，說明：說明：（1 1）若）若dpdp為負（過程中工質(zhì)壓力降低），技術(shù)功為負（過程中工質(zhì)壓力降低），技術(shù)功為正，工質(zhì)對機器作功。如燃氣輪機；為正，工質(zhì)對機器作功。如燃氣輪機；（2 2）若）若dpdp為正，機器對工質(zhì)作功，如活塞式壓氣為正，機器對工質(zhì)作功，如活塞式壓氣機和葉輪式壓氣機。機和葉輪式壓氣機。21pdvw引入技術(shù)功后，穩(wěn)定流動能量方程式引入技術(shù)功后，穩(wěn)定流動能量方程式(2-16)(2-16)可寫為：可寫為：對于質(zhì)量為對于質(zhì)量為m m的工質(zhì)，則有：的工質(zhì)，則有：對于微元過程，則有：對于微元過程，則有：對于可逆過程，則有：對于可逆過程，則有：熱力學(xué)第一定熱力學(xué)第一定律第

33、二解析式律第二解析式（2 21616）熱力學(xué)第一定律各種能量方程式形式不同，由熱變功的實質(zhì)一致。熱力學(xué)第一定律各種能量方程式形式不同，由熱變功的實質(zhì)一致。WUQ熱力學(xué)第一定熱力學(xué)第一定律第一解析式律第一解析式1 1、閉口系統(tǒng)能量方程式、閉口系統(tǒng)能量方程式wuqwuq或或(2-10)(2-10)反映出熱力狀態(tài)變化過程中熱能和機械能的互相轉(zhuǎn)化。反映出熱力狀態(tài)變化過程中熱能和機械能的互相轉(zhuǎn)化。2 2、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式ifwpvzgcuq)(212與閉口系形式不同，但由熱能轉(zhuǎn)化成的機械能仍是相當(dāng)與閉口系形式不同，但由熱能轉(zhuǎn)化成的機械能仍是相當(dāng)于于 的膨脹功的膨脹功)(uqw(2-18)動力機：利用工質(zhì)的膨脹而獲得機械功的設(shè)備動力機：利用工質(zhì)的膨脹而獲得機械功的設(shè)備 ( (燃氣輪機、汽輪機燃氣輪機、汽輪機) )流進系統(tǒng)：流進系統(tǒng)：1111hvpu 流出系統(tǒng)：流出系統(tǒng)：Swhvpu,2222內(nèi)部儲能增量：內(nèi)部儲能增量： 0 012Sthhww1 1、氣流進、出渦輪機時速度相差不大、氣流進、出渦輪機時速度相差不大02212