工程熱力學(xué)第二章

第二章

熱力學(xué)第一定律

firstlawofthermodynamics§

2–1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)一.第一定律的實(shí)質(zhì)：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的應(yīng)用。二.第一定律的表述：

熱是能的一種，機(jī)械能變熱能，或熱能變機(jī)械能的時(shí)候，他們之間的比值是一定的。或：熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊?；一定量的熱消失時(shí)必定產(chǎn)生相應(yīng)量的功；消耗一定量的功時(shí)，必出現(xiàn)與之相應(yīng)量的熱?！?–2熱力學(xué)能（內(nèi)能）和總能一.熱力學(xué)能(internalenergy)UchUnuUthUkE平移動(dòng)能轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能振動(dòng)動(dòng)能UpE—二.總（儲(chǔ)存）能(totalstoredenergyofsystem)總能熱力學(xué)能，內(nèi)部?jī)?chǔ)存能宏觀動(dòng)能宏觀位能外部?jī)?chǔ)存能三.熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)

測(cè)量p，V，T可求出四.熱力學(xué)能單位

五.工程中關(guān)心的是∴根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)，熱力學(xué)能是熱力狀態(tài)的單值函數(shù)，與達(dá)到這一狀態(tài)的路徑無(wú)關(guān)?！?–3熱力學(xué)第一定律基本表達(dá)式

加入系統(tǒng)的能量總和—熱力系統(tǒng)輸出的能量總和=熱力系總儲(chǔ)存能的增量流入：流出：內(nèi)部貯能的增量：dEEE+dE或EE+dE§2–4閉口系基本能量方程式據(jù)

對(duì)閉口系，

忽略宏觀動(dòng)能Uk和位能Up，可得：第一定律第一解析式—熱功的基本表達(dá)式討論：

1）對(duì)于可逆過(guò)程2）對(duì)于循環(huán)3）對(duì)于定量工質(zhì)吸熱與升溫關(guān)系，還取決于W的“+”，“–”，大小。說(shuō)明：1)Q、⊿U、W代數(shù)值，工質(zhì)吸熱、熱力學(xué)能增加和對(duì)外作功取”+”，否則取“－”。2)普遍適應(yīng)：可逆與不可逆；理想與實(shí)際氣體，只要求初、終是平衡狀態(tài)。

例

自由膨脹如圖，解：取氣體為熱力系—閉口系？開口系？強(qiáng)調(diào)：功是通過(guò)邊界傳遞的能量。抽去隔板，求?如圖，氣缸內(nèi)充以空氣，活塞及負(fù)載195kg，缸壁充分導(dǎo)熱，取走100kg負(fù)載，待平衡后，求：（1）活塞上升的高度（2）氣體在過(guò)程中作的功，已知例題一解：取缸內(nèi)氣體為熱力系—閉口系。首先計(jì)算狀態(tài)1及2的參數(shù)：分析：突然取走100kg負(fù)載，氣體失去平衡，振蕩后最終建立新的平衡。雖不計(jì)摩擦，但由于非準(zhǔn)靜態(tài)，故過(guò)程不可逆，但仍可應(yīng)用第一定律解析式。過(guò)程中質(zhì)量m不變據(jù)由于m2=m1

？不可逆外力注意：活塞及其上重物位能增加向上移動(dòng)了5cm，因此體系對(duì)外力作功且T2=T1如圖，已知活塞與氣缸無(wú)摩擦，初始時(shí)p1=pb，t1=27℃緩緩加熱，使若m=0.1kg，缸徑=0.4m，空氣求：過(guò)程加熱量Q例題二A解：據(jù)題意可以求出；W彈W斥18從已知條件逐步推向目標(biāo)從目標(biāo)反過(guò)來(lái)缺什么補(bǔ)什么4）不可逆過(guò)程的功可嘗試從外部參數(shù)著手§2–5開口系能量方程一、推動(dòng)功(flowwork;flowenergy)和流動(dòng)功(flowwork;flowenergy)特點(diǎn)：1）傳遞推動(dòng)功時(shí)沒有熱力狀態(tài)和能量形態(tài)的變化。2）推動(dòng)功只有在工質(zhì)移動(dòng)位置時(shí)才存在。vpp1v11推動(dòng)功：在開口系統(tǒng)中工質(zhì)流動(dòng)而傳遞的功量。流動(dòng)功：系統(tǒng)維持流動(dòng)

所花費(fèi)的代價(jià)。

推動(dòng)功在p-v圖上：二、焓(enthalpy)定義：H=U+pV

h=u+pv單位：J（kJ）

J/kg（kJ/kg）焓是狀態(tài)參數(shù)物理意義：

引進(jìn)或排出工質(zhì)而輸入或排出系統(tǒng)的總能量。三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程

(steady-flow

energy

equation)

穩(wěn)定流動(dòng)特征：注意：區(qū)分各截面間參數(shù)可不同。1）各截面上參數(shù)不隨時(shí)間變化。2）ΔECV=0，

ΔSCV=0，

ΔmCV=0?···

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(shaftwork)z1在τ1→τ2時(shí)間流入系統(tǒng)的能量:流出系統(tǒng)的能量:系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)能增量:ΔECV–=考慮到穩(wěn)流特征：

ΔECV=0qm1=qm2=qm;及h=u+pv

有分析討論：1）改寫（B）為（C）熱能轉(zhuǎn)變成功部分輸出軸功流動(dòng)功機(jī)械能增量（C）2）技術(shù)功(technicalwork)—由（C）技術(shù)上可資利用的功wt3)第一定律第二解析式a)通過(guò)膨脹，由熱能b)第一定律兩解析式可相互導(dǎo)出，但只有在開系中

能量方程才用焓。把wt的概念代入（B）式，可得第一定律第二解析式

4）兩個(gè)解析式的關(guān)系功，w=q–Δu總之：四、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的應(yīng)用1.蒸汽輪機(jī)、氣輪機(jī)(steamturbine、gasturbine)

流進(jìn)系統(tǒng)：

流出系統(tǒng)：內(nèi)部?jī)?chǔ)能增量：02、壓氣機(jī)，水泵類

(compressor、pump)流入流出內(nèi)增03、換熱器（鍋爐、加熱器等）(heatexchanger:boiler、heater)

流入：流出：內(nèi)增：0若忽略動(dòng)能差、位能差4、管內(nèi)流動(dòng)流入：流出：內(nèi)增：0討論：1）開口系問題也可用閉口系方法求解。2）注意閉口系邊界面上熱、功交換；尤其是邊界面

變形時(shí)需考慮功的交換。3）例中若有無(wú)摩擦及充分導(dǎo)熱的活塞，結(jié)果如何？