熱力學第二章

第二章熱力學第一定律

主要內(nèi)容2-1熱力學第一定律的實質(zhì)2-2儲存能2-3閉口系統(tǒng)能量方程

2-4開口系統(tǒng)能量方程2-5穩(wěn)定流動能量方程2-6穩(wěn)定流動能量方程的應(yīng)用

2-1熱力學第一定律的實質(zhì)一、能量守恒與轉(zhuǎn)化定律

定義：能量既不能創(chuàng)造也不能被消滅。只能由一種形式向另一種形式轉(zhuǎn)化。在轉(zhuǎn)換中，能的總量不變。

二、熱力學第一定律內(nèi)容：當熱能與其它形式的能量相互轉(zhuǎn)化時，能的總量保持不變。實質(zhì)：輸入熱力系的能-輸出熱力系的能=熱力系內(nèi)部儲存能的變化量2-2儲存能宏觀動能Ek=mc2/2宏觀位能Ep=mgz機械能一、從宏觀上看：宏觀能（外部儲存能）二、從微觀上看：微觀能（內(nèi)部能）對于熱力系的內(nèi)部能，熱力學上稱之為內(nèi)能，用u表示它包括：①微觀動能：由分子熱運動之和構(gòu)成，由溫度T來反映②微觀位能：由分子間相互作用力引起，由比容v和溫度來反映所以：u=f(T,v)

內(nèi)能是狀態(tài)參數(shù)。

三、系統(tǒng)的總儲存能（總能）總能：E=U+Ek+Ep比總能量：e=u+ek+ep系統(tǒng)總能變化量可以寫為：閉口系熱一律表達式定義dU=Q-W

內(nèi)能U

狀態(tài)參數(shù)Q=

dU

+

WQ=

U

+

W閉口系熱一律表達式！?。煞N特例

絕功系

Q

=

dU

絕熱系

W=-

dU內(nèi)能U的物理意義dU=Q-WWQ

dU

代表某微元過程中系統(tǒng)通過邊界交換的微熱量與微功量兩者之差值，也即系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化。

U代表儲存于系統(tǒng)內(nèi)部的能量

內(nèi)儲存能（內(nèi)能、熱力學能）內(nèi)能的說明內(nèi)能是狀態(tài)量

U

:

廣延參數(shù)[kJ]

u

:

比參數(shù)

[kJ/kg]內(nèi)能總以變化量出現(xiàn)，內(nèi)能零點人為定熱一律的文字表達式熱一律:能量守恒與轉(zhuǎn)換定律=進入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)內(nèi)部儲存能量的變化-2-3閉口系統(tǒng)能量方程WQ一般式Q

=dU

+

W

Q

=U

+

Wq

=

du

+

w

q

=

u

+

w單位工質(zhì)適用條件：

1）任何工質(zhì)

2)任何過程準靜態(tài)和可逆閉口系能量方程簡單可壓縮系準靜態(tài)過程w=pdv簡單可壓縮系可逆過程q=Tdsq

=

du

+

pdv

q

=u

+

pdv熱一律解析式之一Tds=du+pdv

Tds=u+pdv熱力學恒等式門窗緊閉房間用電冰箱降溫以房間為系統(tǒng)

絕熱閉口系閉口系能量方程T電冰箱門窗緊閉房間用空調(diào)降溫以房間為系統(tǒng)

閉口系閉口系能量方程T空調(diào)Q思考題2-4開口系能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout能量守恒原則進入系統(tǒng)的能量

-離開系統(tǒng)的能量

=系統(tǒng)儲存能量的變化推進功的引入WnetQminmoutuinuoutgzingzoutQ

+

min(u

+

c2/2

+

gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wnet

=

dEcv這個結(jié)果與實驗不符少了推進功推進功的表達式推進功（流動功、推動功）pApVdl

W推=

p

A

dl

=

pV

w推=

pv注意：不是

pdv

v沒有變化對推進功的說明1、與宏觀流動有關(guān)，流動停止，推進功不存在2、作用過程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，無狀態(tài)變化3、w推＝pv與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量4、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)所攜帶的能量可理解為：由于工質(zhì)的進出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機械功，表現(xiàn)為流動工質(zhì)進出系統(tǒng)使所攜帶和所傳遞的一種能量開口系能量方程的推導WnetQpvinmoutuinuoutgzingzoutQ

+

min(u

+

c2/2

+

gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wnet

=

dEcvminpvout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工程上常用流率開口系能量方程微分式當有多條進出口：流動時，總一起存在焓的引入定義：焓h=u+pvhh開口系能量方程焓的說明

定義：h=u+pv[kJ/kg]H=U+pV[kJ]1、焓是狀態(tài)量2、H為廣延參數(shù)

H=U+pV=

m(u+pv)=mh

h為比參數(shù)3、對流動工質(zhì)，焓代表能量(內(nèi)能+推進功)

對靜止工質(zhì)，焓不代表能量4、物理意義：開口系中隨工質(zhì)流動而攜帶的、取決

于熱力狀態(tài)的能量。2-5穩(wěn)定流動能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout穩(wěn)定流動條件1、2、3、軸功每截面狀態(tài)不變4、穩(wěn)定流動能量方程的推導穩(wěn)定流動條件0穩(wěn)定流動能量方程的推導1kg工質(zhì)穩(wěn)定流動能量方程適用條件：任何流動工質(zhì)任何穩(wěn)定流動過程技術(shù)功動能工程技術(shù)上可以直接利用軸功機械能位能H單位質(zhì)量工質(zhì)的開口與閉口wsq穩(wěn)流開口系閉口系(1kg)容積變化功等價技術(shù)功穩(wěn)流開口與閉口的能量方程容積變化功w技術(shù)功wt閉口穩(wěn)流開口等價軸功ws推進功(pv)幾種功的關(guān)系？幾種功的關(guān)系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws對功的小結(jié)2、開口系，系統(tǒng)與外界交換的功為軸功ws3、一般情況下忽略動、位能的變化1、閉口系，系統(tǒng)與外界交換的功為容積變化功wwswt準靜態(tài)下的技術(shù)功準靜態(tài)準靜態(tài)熱一律解析式之一熱一律解析式之二技術(shù)功在示功圖上的表示思考題請由開口系的熱一律推導出閉口系的熱一律表達式。

2-6穩(wěn)定流動能量方程應(yīng)用舉例熱力學問題經(jīng)?？珊雎詣?、位能變化例：c1=1

m/sc2=30

m/s

(c22-c12)/

2=0.449

kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0

oC水的h1=84kJ/kg100oC水蒸氣的h2=2676kJ/kg例1：透平機械透平機械turbomachinery,是裝有葉片的轉(zhuǎn)子作高速旋轉(zhuǎn)運動，流體（氣體或液體）流經(jīng)葉片之間通道時，葉片與流體之間產(chǎn)生力的相互用，借以實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。

例1：透平機械火力發(fā)電核電飛機發(fā)動機輪船發(fā)動機移動電站燃氣輪機蒸汽輪機透平機械1)體積不大2）流量大3）保溫層q

0ws

=-△h

=

h1-

h2>0輸出的軸功是靠焓降轉(zhuǎn)變的

q=Δh+wt

q=Δh+Δc2/2+gΔz+ws

現(xiàn)q=0;Δc=0;Δz=0故ws=-Δh=h1-h2例2：壓縮機械壓縮機:將低壓流體提升為高壓流體的一種流體機械。例2：壓縮機械火力發(fā)電核電飛機發(fā)動機輪船發(fā)動機移動電站壓氣機水泵制冷空調(diào)壓縮機壓縮機械1)體積不大2）流量大3）保溫層q

0ws

=-△h

=

h1-

h2<0輸入的軸功轉(zhuǎn)變?yōu)殪噬门c風機

q=Δh+Δc2/2+gΔz+ws

現(xiàn)

q=0Δc=0Δz=0

故ws=-Δh=h2-h1（壓縮功）

例3：換熱設(shè)備換熱器：是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備例3：換熱設(shè)備火力發(fā)電：鍋爐、凝汽器核電：熱交換器、凝汽器制冷空調(diào)蒸發(fā)器、冷凝器換熱設(shè)備熱流體放熱量：沒有作功部件熱流體冷流體h1h2h1’h2’冷流體吸熱量：焓變例4：絕熱節(jié)流當氣體在管道中流動時，由于局部阻力，如遇到縮口和調(diào)節(jié)閥門時，其壓力顯著下降，這種現(xiàn)象叫做節(jié)流。

例4：絕熱節(jié)流管道閥門制冷空調(diào)膨脹閥、毛細管絕熱節(jié)流絕熱節(jié)流過程，前后h不變h1h2沒有作功部件絕熱例5：噴管和擴壓管火力發(fā)電蒸汽輪機靜葉核電飛機發(fā)動機輪船發(fā)動機移動電站壓氣機靜葉噴管和擴壓管噴管目的：壓力降低，速度提高擴壓管目的：動能與焓變相互轉(zhuǎn)換速度降低，壓力升高動能參與轉(zhuǎn)換，不能忽略第二章小結(jié)1、本質(zhì)：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律=進入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)內(nèi)部儲存能量的變化-第二章小結(jié)通用式2、熱一律表達式：第二章小結(jié)穩(wěn)流：dEcv/=0通用式第二章小結(jié)閉口系：通用式第二章小結(jié)孤立系：

通用式第二章小結(jié)3、熱力學第一定律表達式和適用條件任何工質(zhì)，任何過程任何工質(zhì)，準靜態(tài)過程任何工質(zhì)