熱力學(xué)第二章

第二章熱力學(xué)第一定律

主要內(nèi)容2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)2-2儲(chǔ)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(dòng)能量方程2-6穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的應(yīng)用

2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)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(xué)第一定律內(nèi)容：當(dāng)熱能與其它形式的能量相互轉(zhuǎn)化時(shí)，能的總量保持不變。實(shí)質(zhì)：輸入熱力系的能-輸出熱力系的能=熱力系內(nèi)部?jī)?chǔ)存能的變化量2-2儲(chǔ)存能宏觀動(dòng)能Ek=mc2/2宏觀位能Ep=mgz機(jī)械能一、從宏觀上看：宏觀能（外部?jī)?chǔ)存能）二、從微觀上看：微觀能（內(nèi)部能）對(duì)于熱力系的內(nèi)部能，熱力學(xué)上稱之為內(nèi)能，用u表示它包括：①微觀動(dòng)能：由分子熱運(yùn)動(dòng)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(chǔ)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(dá)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(dá)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?jī)烧咧钪?，也即系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化。

U代表儲(chǔ)存于系統(tǒng)內(nèi)部的能量

內(nèi)儲(chǔ)存能（內(nèi)能、熱力學(xué)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(diǎn)人為定熱一律的文字表達(dá)式熱一律:能量守恒與轉(zhuǎn)換定律=進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)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(zhǔn)靜態(tài)和可逆閉口系能量方程簡(jiǎn)單可壓縮系準(zhǔn)靜態(tài)過程w=pdv簡(jiǎn)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(xué)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(jìn)入系統(tǒng)的能量

-離開系統(tǒng)的能量

=系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的變化推進(jìn)功的引入WnetQminmoutuinuoutgzingzoutQ

+

min(u

+

c2/2

+

gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wnet

=

dEcv這個(gè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不符少了推進(jìn)功推進(jìn)功的表達(dá)式推進(jìn)功（流動(dòng)功、推動(dòng)功）pApVdl

W推=

p

A

dl

=

pV

w推=

pv注意：不是

pdv

v沒有變化對(duì)推進(jìn)功的說明1、與宏觀流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)停止，推進(jìn)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(dòng)能、位能）變化引起，而由外界做出，流動(dòng)工質(zhì)所攜帶的能量可理解為：由于工質(zhì)的進(jìn)出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機(jī)械功，表現(xiàn)為流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)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(dǎo)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(dāng)有多條進(jìn)出口：流動(dòng)時(shí)，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(duì)流動(dòng)工質(zhì)，焓代表能量(內(nèi)能+推進(jìn)功)

對(duì)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(dòng)而攜帶的、取決

于熱力狀態(tài)的能量。2-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout穩(wěn)定流動(dòng)條件1、2、3、軸功每截面狀態(tài)不變4、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)穩(wěn)定流動(dòng)條件0穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)1kg工質(zhì)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程適用條件：任何流動(dòng)工質(zhì)任何穩(wěn)定流動(dòng)過程技術(shù)功動(dòng)能工程技術(shù)上可以直接利用軸功機(jī)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(jià)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(jià)軸功ws推進(jìn)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(duì)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(dòng)、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(zhǔn)靜態(tài)下的技術(shù)功準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)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(qǐng)由開口系的熱一律推導(dǎo)出閉口系的熱一律表達(dá)式。

2-6穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例熱力學(xué)問題經(jīng)?？珊雎詣?dòng)、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(jī)械透平機(jī)械turbomachinery,是裝有葉片的轉(zhuǎn)子作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流體（氣體或液體）流經(jīng)葉片之間通道時(shí)，葉片與流體之間產(chǎn)生力的相互用，借以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。

例1：透平機(jī)械火力發(fā)電核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽輪機(jī)透平機(jī)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(jī)械壓縮機(jī):將低壓流體提升為高壓流體的一種流體機(jī)械。例2：壓縮機(jī)械火力發(fā)電核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站壓氣機(jī)水泵制冷空調(diào)壓縮機(jī)壓縮機(jī)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(fēng)機(jī)

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(dāng)氣體在管道中流動(dòng)時(shí)，由于局部阻力，如遇到縮口和調(diào)節(jié)閥門時(shí)，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(xì)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(kuò)壓管火力發(fā)電蒸汽輪機(jī)靜葉核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站壓氣機(jī)靜葉噴管和擴(kuò)壓管噴管目的：壓力降低，速度提高擴(kuò)壓管目的：動(dòng)能與焓變相互轉(zhuǎn)換速度降低，壓力升高動(dòng)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(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的變化-第二章小結(jié)通用式2、熱一律表達(dá)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(xué)第一定律表達(dá)式和適用條件任何工質(zhì)，任何過程任何工質(zhì)，準(zhǔn)靜態(tài)過程任何工質(zhì)