工程熱力學(xué)熱力學(xué)第一定律

工程熱力學(xué)熱力學(xué)第一定律第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四主要內(nèi)容一、熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)二、熱力系統(tǒng)常用到的能量形式三、熱力學(xué)第一定律的基本能量方程四、閉口系統(tǒng)的能量方程五、開口系統(tǒng)的能量方程六、穩(wěn)定流動的能量方程七、熱力學(xué)第一定律的具體應(yīng)用第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四一、熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)

能量守恒與轉(zhuǎn)換定律：自然界一切物質(zhì)都具有能量，能量既不能創(chuàng)造也不能消滅，各種不同形式的能量都可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，也可以從一種能量形式轉(zhuǎn)變到另一種能量形式，但在轉(zhuǎn)移過和轉(zhuǎn)變程中，它們的總量保持不變。而熱力學(xué)第一定律就是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中應(yīng)用。第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四在工程熱力學(xué)中熱力學(xué)第一定律可以表述為：熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊?，一定的熱量消失時必產(chǎn)生相應(yīng)的功，消耗一定量的功時必出現(xiàn)與之對應(yīng)的一定量的熱。它確定了熱力工程中熱力系與外界進(jìn)行能量交換時，各種形態(tài)的能量在數(shù)量上的守恒關(guān)系。第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四二、熱力系統(tǒng)常用到的能量形式（一）、儲存能1、內(nèi)儲存能／熱力學(xué)能（U）：組成熱力系統(tǒng)的大量微觀粒子本身所具有的能量。熱力學(xué)能是下列各種能量的總和：（1）分子熱運(yùn)動所形成的內(nèi)動能。（2）分子間相互作用力所形成的內(nèi)位能。（3）構(gòu)成分子的化學(xué)能和構(gòu)成原子的的原子能。第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四2、外儲存能（1）宏觀動能（Ek）：相對于熱力系統(tǒng)以外的的參考坐標(biāo)，由于宏觀運(yùn)動速度而具有的能量。（2）重力位能（Ep）：在重力場中，熱力系統(tǒng)由于重力作用而具有的能量。3、熱力系統(tǒng)的總儲存能（E）：是內(nèi)儲存能與外儲存能之和。即，第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四（二）遷移能：能量從一個物體傳遞到另一個物體有兩種方式做功和傳熱，傳遞過程中的功量和熱量稱為遷移能。熱力系統(tǒng)與外界存在勢差時，進(jìn)行的能量交換途徑有三種：功量交換、熱量交換、質(zhì)量交換。1、功量（1）體積功：在壓力差的作用下，熱力系統(tǒng)體積膨脹或收縮時與外界交換的功量。（2）軸功（Ws）：熱力系統(tǒng)通過葉輪機(jī)械的軸和外界交換的功量。2、熱量（Q）：系統(tǒng)與外界在溫差的推動下通過微觀粒子的無規(guī)則運(yùn)動而傳遞的能量。第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四3、隨質(zhì)量交換傳遞的能量（1）流動工質(zhì)的儲存能：流動工質(zhì)本身具有熱力學(xué)能、宏觀動能和重力位能，會隨工質(zhì)的的流進(jìn)（流出）系統(tǒng)而帶入（帶出）系統(tǒng)。這部分能量為：或第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四（2）流動功（推動功）（Wf）：工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動而傳遞的功。流動功與體積功不同，流動功只有在工質(zhì)流動過程中才會出現(xiàn)，做流動功時工質(zhì)的流動狀態(tài)不發(fā)生變化，當(dāng)然也不存在能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化，工質(zhì)做流動功是只起到傳遞能量的作用。或第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四三、熱力學(xué)第一定律

的基本能量方程熱力學(xué)第一定律的能量方程，就是系統(tǒng)變化過程中的能量平衡方程式，文字表達(dá)式為：

加入熱力系的能量總和—熱力系輸出的能量總和=熱力系總能量的增量第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四

設(shè)想有一熱力系如上圖所示，其總能量為假定這一熱力系在一段極短的時間內(nèi)從外界吸收了微小的熱量，又從外界流入了每千克總能量為的質(zhì)量與此同時熱力系對外界做出了微小的總功，并向外界流出了每千克總能量為的質(zhì)量，經(jīng)過時間后，熱力系的總能量變?yōu)?。?2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四

根據(jù)表達(dá)式：加入熱力系的能量總和—熱力系輸出的能量總和=熱力系總能量的增量得，對有限長時間積分得：（1）（2）式（1）和式（2）為熱力學(xué)第一定律最基本的表達(dá)式，適用于任何工質(zhì)進(jìn)行的任何無摩擦或有摩擦的過程。第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四四、閉口系統(tǒng)的能量方程在閉口系統(tǒng)中，（1）熱力系的宏觀能量變化很小，宏觀動能和重力位能可以忽略，因此，熱力系中能量的變化就等于熱力學(xué)能的變化量，即：（2）另外對于閉口系統(tǒng)它與外界無質(zhì)量交換，即：（3）所做的功是體積功。

第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四微元熱力過程下：

總熱力過程下：所以閉口系統(tǒng)的能量方程可簡化為：第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四五、開口系統(tǒng)的能量方程

在實(shí)際工程中，工質(zhì)要在熱力裝置中循環(huán)不斷的流經(jīng)各相互銜接的熱力設(shè)備，完成不同的熱力過程實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換對這類有工質(zhì)流進(jìn)和流出的熱力設(shè)備（如燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)、葉輪式壓氣機(jī)）常采用開口系統(tǒng)即控制體積的分析方法。我們把控制體內(nèi)質(zhì)量和能量隨時間而變化的過程稱為不穩(wěn)定流動過程。把系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量和能量不隨時間變化，各點(diǎn)參數(shù)保持一定的稱為穩(wěn)定流動過程。下面從最普遍額不穩(wěn)定流動過程著手導(dǎo)出開口系統(tǒng)的能量方程。第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四

設(shè)控制體在到的時間內(nèi)進(jìn)行一個微元熱力過程。在這段時間內(nèi)控制體截面處流入的工質(zhì)質(zhì)量為，流出的工質(zhì)質(zhì)量為，控制體從熱遠(yuǎn)處吸熱，對外做軸功，進(jìn)出口截面相對參考系的高度分別為z1和z2，控制體積內(nèi)儲存能的增量為，則控制體的能量輸入與輸出情況如下：進(jìn)入控制體的能量=離開控制體的能量=控制體儲存能的變化第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四根據(jù)熱力學(xué)第一定律建立能量方程得：整理得：第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四六、穩(wěn)定流動的能量方程第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四（1）流入的能量：流入流體攜帶的熱力學(xué)能、宏觀動能及位能、流體流入時得到的流動能、流體從外界獲得的熱能。流入的能量具體為：微觀能即熱力學(xué)能：宏觀動能：宏觀位能：流體流動能：流體從外界獲得的熱能為：第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四（2）流出的能量：流出流體攜帶的熱力學(xué)能、宏觀動能及位能、流體流出時得到的流動能、流體通過轉(zhuǎn)動部件對外界傳出的機(jī)械能。流出的能量具體為：微觀能即熱力學(xué)能：宏觀動能：宏觀位能：流體流動能：熱力系對輸出的機(jī)械能為：第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四則根據(jù)熱力學(xué)第一定律，應(yīng)有：其中：即：第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四開口穩(wěn)定流動系統(tǒng)定義及特征：熱力系中各個參數(shù)穩(wěn)定，即無能量和質(zhì)量的積累。開口穩(wěn)定流動系統(tǒng)滿足的表達(dá)式：則熱力學(xué)第一定律在開口穩(wěn)定流動熱力系中的具體表達(dá)式為：第24頁，共27頁，2023年，2月20日，