工程熱力學第三章剖析課件

第三章熱力學第一定律*能量守恒與轉換定律：自然界的一切物質都具有能量，能量既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，只能從一種形式轉換成另一種形式，或從一個系統(tǒng)轉移到另一個系統(tǒng)，而其總能量保持不變。*熱力學第一定律：能量守恒與轉換定律在熱力學中的應用，構成了熱力學第一定律。可表述為：熱能和機械能在轉移或轉換時，能量的總量必守恒。

第一類永動機（不消耗任何能量而能連續(xù)不斷做功的循環(huán)發(fā)動機）是不可能實現(xiàn)的本章重點根據(jù)需要解決的問題，適當?shù)倪x取熱力系統(tǒng)（同一現(xiàn)象選取不同的熱力系統(tǒng)，系統(tǒng)與外界的能量關系不同，由此建立的能量方程也不同）分析系統(tǒng)內部與外界傳遞的能量根據(jù)能量守恒定律建立能量方程借助工質的熱力性質、公式及圖表，求解能量方程。123456熱力學能與總能系統(tǒng)與外界傳遞的能量閉口系統(tǒng)能量方程開口系統(tǒng)能量方程開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程的應用第一節(jié)：熱力學能和總能能量是物質運動的度量，物質處于不同的運動狀態(tài)，就有不同的能量形式系統(tǒng)儲存能⑴熱力學能取決于系統(tǒng)本身的狀態(tài)，它與系統(tǒng)內工質的分子結構及微觀運動形式有關，統(tǒng)稱為熱力學能⑵外儲存能取決于系統(tǒng)工質與外力場的相互作用及外界參考坐標的宏觀運動所具有的能量，這兩種能量統(tǒng)稱為外儲存能。二、外部儲存能（macroscopicformsofenergy）

外部儲存能包括宏觀動能和重力位能，它們的大小要借助在系統(tǒng)外的參考坐標系測得的參數(shù)來表示。

1.宏觀動能：單位為J或kJ質量為m的物體相對于系統(tǒng)外的參考坐標以速度c運動時，該物體具有的宏觀運動動能

2

重力位能：Ep，單位為J或kJ

在重力場中質量為m的物體相對于系統(tǒng)外的參考坐標系高度為Z時，

具有的重力位能cf和z是力學參數(shù)，處于同一熱力狀態(tài)的物體，選用不同的坐標系可以有不同的值，cf和z是獨立于熱力系統(tǒng)內部的參數(shù)。將宏觀動能和重力位能稱為外儲存能三，系統(tǒng)的總能系統(tǒng)的總能系統(tǒng)總能E為內儲存能與外儲存能之和比總能：對1kg質量的物體的總能對于沒有宏觀運動，并且高度為零的系統(tǒng)，系統(tǒng)總能就等于熱力學能，則第二節(jié)

系統(tǒng)與外界傳遞的能量

系統(tǒng)與外界傳遞能量是指系統(tǒng)與外界熱力源（熱源、功源、質源）或其他有關物質之間的能量傳遞。能量一個從物體傳遞到另外一個物體有兩種方式：1.傳熱能量2.做功一、熱量

在第一章中，我們所討論的熱力學定義沒有強調溫差的作用，而在實際傳遞過程中是有溫差作用的。因此，熱量學的熱量定義是：在溫差作用下系統(tǒng)與外界傳遞的能量稱為熱量。

當系統(tǒng)與外界之間達到熱平衡時，系統(tǒng)與外界熱量傳遞停止；熱量一旦通過界面?zhèn)魅耄ɑ騻鞒觯┫到y(tǒng)，就變成系統(tǒng)（或外界）儲存能的一部分，即熱力學能。有時習慣上稱為熱能。

熱量與熱力學能是不通的，熱量是與過程特性有關的過程量，而熱力學能是取決于熱力狀態(tài)的狀態(tài)量

系統(tǒng)與外界傳遞能量是指系統(tǒng)與外界熱力源（熱源、功源、質源）或其他有關物質之間的能量傳遞。能量一個從物體傳遞到另外一個物體有兩種方式：1.傳熱能量2.做功二、功量

在熱力學中，功是系統(tǒng)除溫差以外的其他不平衡勢差引起的系統(tǒng)與外界之間的能量。功有許多種形式，如電功風、磁功、機械拉伸功和膨脹功、軸功等。工程熱力學中主要研究的是膨脹功和軸功。膨脹功（也稱容積功）：在壓力作用下，由于系統(tǒng)工質容積發(fā)生變化而傳遞的機械功。它是熱轉化為功的必要途徑。無論是開口系統(tǒng)還是閉口系統(tǒng)，熱轉換為功工質容積都會膨脹，也就是都有膨脹功。閉口系統(tǒng)膨脹功通過系統(tǒng)界面?zhèn)鬟f，開口系統(tǒng)膨脹功則是技術功的一部分，可通過其他形式（如軸）傳遞。

系統(tǒng)膨脹過程容積變化△v>0，w>0，則膨脹：壓縮過程容積變化△v<0，w<0，則壓縮，對定容過程△v=0，則w=0

但工質膨脹過程也可以沒有功的輸出，容積變化是作膨脹功的必要條件而不是充分必要條件。作膨脹功除有工質容積變化外，還應當有功的傳遞與接受。膨脹功是與過程特性有關的過程量，過程結束，系統(tǒng)與外界之間功的傳遞就停止。軸功：系統(tǒng)通過機械軸與外界傳遞的機械功稱為軸功。軸功可來源于能量的轉換，如汽輪機中熱能轉化為機械能，或是機械能的直接傳遞，如風車、水輪機等。軸功的符號為Ws（單位質量工質的軸力）。通常規(guī)定系統(tǒng)輸出軸功為正功，輸入軸功為負功。

三隨物質流傳遞的能量

開口系統(tǒng)與外界物質流傳遞的能量包括兩部分

1、流動工質本身具有的熱力學能、宏觀動能和重力位能

2、流動功（推動功）流動功是為推動流體通過控制體界面而傳遞的機械功，它是維持流體正常流動所必須傳遞的能量移動1kg工質進、出控制體凈流動功為δWf

=

PfdS

=

PδV=Pvdm

Wf=

PV

wf=

pv流動工質傳遞的總能量應包括物質流本身儲存能及流動功：對流動功的說明1、與宏觀流動有關，流動停止，流動功不存在2、作用過程中，工質僅發(fā)生位置3、wf＝pv不是狀態(tài)量4、并非工質本身的能量（動能、位能）變化

引起，而由外界做出，流動工質所攜帶的能量由此可知：流動功是一種特殊的功，其數(shù)值僅取決于控制體進出口界面工質的熱力狀態(tài)，與熱力過程無關。變四、焓及其物理意義定義：h=u+pv[kJ/kg]

H=U+pV[kJ]u，p，v狀態(tài)參數(shù)，故焓為狀態(tài)參數(shù)對流動工質，焓代表能量(熱力學能+流動功)

對靜止工質，焓不代表能量，只是一個復合函數(shù)，沒有明確的物理意義對理想氣體，h=u+pv=u+RT=f(T)第三節(jié)

閉口系能量方程一.閉口系統(tǒng)能量方程表達式●閉口系統(tǒng)與外界沒有物質交換，傳遞熱量只有熱量和功量兩種形式。對許多閉口系統(tǒng)的熱力過程而言，系統(tǒng)總能中的宏觀動能和重力位能一般均不變，故總能的變化等于熱力學能的變化●已知：如圖所示氣缸，吸熱Q，對外作功W。1）選取氣缸內氣體為系統(tǒng)（閉口）2）外界與系統(tǒng)的能量傳遞：Q-W●由能量守恒方程：Q-W=△U，或Q=△U+W（J）

單位質量工質：q=△u+w（J/kg）對于微元熱力過程：Q=dU+W（J）

q=du+w（J/kg）●物理意義：加給系統(tǒng)一定的熱量，一部分用于改變系統(tǒng)的熱力學能，一部分用于對外作膨脹功。●符號：方程式為代數(shù)式，系統(tǒng)對外做工熱力學能減少，各項為負值?！襁m用條件：1）任何工質2)任何過程★對于可逆過程（只適用于可逆過程）：w

=

pdv

或所以q

=

du

+

pdv由于熱能轉換為機械能必須通過工質膨脹才能實現(xiàn)，因此閉口系統(tǒng)能量方程反應了熱工轉換的實質，是熱力學定律的基本方程。由于熱能轉換為機械能必須通過工質膨脹才能實現(xiàn)，因此閉口系統(tǒng)能量方程反應了熱工轉換的實質，是熱力學定律的基本方程。二熱力學第一定律在循環(huán)過程中的應用工質在閉口系統(tǒng)中沿1-2-3-4-1過程完成一個循環(huán)，如工質為1kg,對每一過程，按熱力學第一定律，建立能量方程：q12=u2-u1+w12q23=u3-u2+w23q34=u4-u3+w34q41=u1-u14+w41

△u=0因而q12+q23+q34+q41=w12+w23+w34+w41即工質經循環(huán)回復到原始狀態(tài)后，它在整個循環(huán)中從外界得到凈熱量應等于對外所作的凈功∑對于定容過程，W

=0

三.理想氣體熱力學能變化（

u）的計算所以對于理想氣體適用于理想氣體任何過程所以

適用于理想氣體任何過程

cv

為定值比熱容1.

2.

cv

為真實比熱容3.

cv

為平均比熱容4.理想氣體組成的混合氣體的熱力學能混合氣體單位質量熱力學能為：混合氣體的熱力學能不僅取決于溫度，還取決于各種組成氣體的質量成分。只有當各組氣體組成成分一定時，才是溫度的單值函數(shù)，才能用此公式計算§3-4開口系統(tǒng)能量方程1.開口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界有熱量、質量和軸功的交換。2.質量守恒原理：進入控制體的質量—離開控制體的質量=控制體中質量的增量

能量守恒原理:進入控制體的能量—控制體輸出的能量=控制體中儲存能的增量3.不穩(wěn)定流動和穩(wěn)定流動不穩(wěn)定流動指系統(tǒng)內的質量和能量隨時間變化的過程穩(wěn)定流動指系統(tǒng)內的質量和能量不隨時間變化的過程開口系能量方程普遍式進入控制體的能量=Q+m1(h1+c12/2+gz1)離開控制體的能量=Ws+m2(h2+c22/2+gz2)控制體儲存能變化dEcv=(E+dE)cv

-Ecv開口系能量方程普遍式根據(jù)熱力學第一定律建立能量方程Q+m1(h1+c12/2+gz1)-Ws

--m2(h2+c22/2+gz2)

=dEcv整理得Q=m2(h2+c22/2+gz2)-

m1(h1+c12/2+gz1)+Ws+dEcv適用條件：不穩(wěn)定流動和穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流、可逆與不可逆、開口與閉口系統(tǒng)三，理想氣體焓變計算對于定壓過程于是穩(wěn)流穩(wěn)態(tài)方程又可寫為故理想氣體焓的計算工式或第五節(jié)：開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程

穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流工況：工質以恒定的流量連續(xù)不斷地進出系統(tǒng)，系統(tǒng)內部各點工質的狀態(tài)參數(shù)和宏觀運動參數(shù)都保持一致，不隨時間改變。WnetQminmoutuinuoutgzingzout一，穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程表達式2、同一時間內進入控制體的能量和離開控制體的能量相等，因而控制體內能量保持一定1、同一時間內進、出控制體界面及流過系統(tǒng)內任何斷面的質量均相等對于單位質量工質可寫成：q=(h2-h1)+1/2(c22-c12)+g(z2-z1)+=△h+1/2△c2+g△z+對于微元熱力過程：δq=dh+1/2dc2+gdz+d上式適用于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流各種熱力過程二，技術功◆穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程中的動能變化，位能變化和軸功都屬于機械能，是熱力過程可被直接利用來做功的能量，統(tǒng)稱為技術功即技術功等于流動功代數(shù)和可逆過程的技術功穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流可逆過程如圖：微元過程的技術功，等于微元面積表示一般的工程設備中，往往不考慮進，出口工質動能和位能的變化，此時技術功等于軸功，即令=面積12341則技術功，膨脹功及流動功的關系為=面積12561+面積41604-面積23052三理想氣體焓變計算對于定壓過程于是穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程定壓比熱容理想氣體焓或

混合氣體的焓

由理想氣體組成的混合氣體的焓等于個組成氣體焓的總和，即H=H1+H2+------+Hn

混合氣體單位質量的焓，不僅取決于溫度，而且還于各組成氣體的質量成分有關。當混合氣體的組成成分一定時，混合氣體的質量的焓才是溫度的單值函數(shù)。

對實際氣體的焓值，查專用表或根據(jù)熱力學關系和通用性圖來表示。

第六節(jié)

穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程的