第二章-熱力學第一定律

第二章熱力學第一定律第一節(jié)熱力學第一定律的實質、內能第二節(jié)熱力學第一定律的數學表達式第三節(jié)穩(wěn)定流動能量方程的應用第一節(jié)熱力學第一定律的實質、內能一、熱力學第一定律的實質（一）.能量守恒定律

能量無處不在，能量轉化無時不有。那么：⑴常見的能量有那些形式呢？⑵能量的轉化是如何實現的？⑶能量轉化遵循什么規(guī)律呢？能量形式實例機械能流動的河水、被拉開的弓、聲音等電能電器設備所消耗的的能量都是電能熱能熱源廠、廚房、火電廠等化學能巧克力、燃料等都儲存有化學能1.各種各樣的能量1.汽艇在海上行駛——化學能轉化為機械能2.用電照明——電能轉化為光能（電磁能）3.篝火燃燒——化學能轉化為熱能4.原子彈爆炸——核能轉化為機械能2.能量之間的轉化3.能量轉化與守恒定律能量轉化與守恒定律

自然界一切物質都具有能量。能量既不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅，但能夠從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個（一些）物體轉移到另一個（一些）物體，在轉化或傳遞的過程中能量的總和始終保持不變?！咀⒁狻浚?）.分析物理過程、求解實際問題時，對減少的某種能量，要追蹤它的去向；對增加的能量，要能查尋它的來源?？梢园凑铡翱偟臏p少量=總的增加量”列出數學方程。（2）.能源利用實際就是不同形式能量之間的轉換，把不便于人們利用的能量形式轉變成便于利用的形式。（二）熱力學第一定律

熱力學第一定律實質就是能量守恒和轉換定律在熱現象上的應用。

表述1：熱可以變?yōu)楣Γσ部梢宰優(yōu)闊?；一定量的熱消滅，必產生一定量的功；消耗一定量的功時，必出現與之相應數量的熱。

表述2：第一類永動機是造不成的FirstLawofThermodynamicsIn1843,attheageof25,JamesPrescottJouledidaseriesofcarefulexperimentstoprovetheequivalenceofheatandwork.熱一定律在熱力循環(huán)中的應用熱力循環(huán)中工質接受的凈熱量應該等于工質對外界所做的凈功：對于1kg工質而言例題（P18）一臺柴油發(fā)動機，功率7.35kW，燃油消耗率為272.1g/(kW.h)，試求它的廢氣每小時所排出的熱量。（柴油的發(fā)熱量為43961.4kJ/kg）二、內能（internalenergy）定義：工質內部所具有的各種微觀能量實質：組成物質的微觀粒子所具有的能量符號：U，單位：J

或kJ主要包括：（1）內動能：物質內部的分子，原子等微觀粒子不停地作熱運動的熱運動動能。是溫度的函數。（2）內位能：由于分子間相互作用力的存在所具有的位能，與氣體的比體積有關。不考慮內動能+內位能+化學能+原子核能+電磁能內動能+內位能內能（3）化學能，原子核能，電磁能。

比內能：

單位質量工質的能。符號：u；單位：J/kg

或kJ/kg。

內能是溫度和比體積的函數，即取決于工質所處的狀態(tài)，是狀態(tài)參數。

熱力學能的大小是相對的。氣體工質的比內能可表示為

任何狀態(tài)下系統(tǒng)內能的數值不可能為零。由于在工程內中只計算工質在狀態(tài)變化中的內能的變化量，因此內能的零點可以人為地規(guī)定，例如，通常取0K時氣體的內能為零。三、總能熱力系統(tǒng)的儲存能：儲存于熱力系統(tǒng)的能量。

（1）內部儲存能———熱力學能

（2）外部儲存能———宏觀動能，宏觀位能。2.宏觀位能：Ep，單位為J或kJ

3.儲存能（總能）：E

，單位為J

或kJ

比儲存能：e，單位為J/kg

或kJ/kg1.宏觀動能：Ek

，單位為J或kJ

第二節(jié)熱力學第一定律的數學表達式能量平衡方程式討論閉口系統(tǒng)、穩(wěn)定流動、開口系統(tǒng)三種系統(tǒng)的能量方程一、閉口系統(tǒng)的能量方程（energyequation）熱力系統(tǒng)：取封閉在汽缸活塞系統(tǒng)中的工質假設：

氣缸內有1kg工質

從外界吸熱q

工質由平衡態(tài)1變化到平衡態(tài)2，

對外作功w，

忽略工質宏觀動能，位能的變化推導

q–w=u=u2-u1或q=w+u對于m工質，可寫為：Q=U+W對于微元過程，可寫為：

以上三式都可以稱為閉口系統(tǒng)熱力學第一定律解析式意義：工質吸收的熱量a:一部分用于改變工質的內能b:另一部分以機械能的形式傳遞給外界。適用條件：a:

可逆過程，不可逆過程b:

理想氣體，實際氣體c:

工質初，終態(tài)為平衡狀態(tài)膨脹功的概念在狀態(tài)變化過程中，由熱轉化為機械功的部分始終是q-△u。閉口系統(tǒng)工質所做的機械功也稱為容積變化功或膨脹功注意能量方程中的熱量、功量、內能的變化量都是代數值，根據熱工轉化的實際情況，可為正值、零、負值。工程上統(tǒng)一規(guī)定：

吸熱為正、作膨脹功為正、內能增加為正

放熱為負、作壓縮功為負、內能減少為負使用能量方程時應注意單位的一致性。對于單位質量工質的可逆過程,

例題P21設有一定量氣體在氣缸內壓縮，容積由1.4m3壓縮到0.9m3，過程中氣體壓力保持常數且p=100000N/m2。又設在壓縮過程中氣體的內能減少12000J，求此過程中有多少熱量被氣體吸入或放出。二、開口系能量方程

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout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Energybalanceforopensystem開口系能量方程的推導

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout

Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv這個結果與實驗不符少了推進功推進功的表達式推進功（流動功、推擠功）pApVdl

W推=p

Adl=pV

w推=pv注意：

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

Wnet

Qpvin

moutuinuoutgzingzout

Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv

minpvout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Enthalpy的引入定義：焓h=u+pvhh開口系能量方程焓Enthalpy的說明P23

定義：h=u+pv[kJ/kg]H=U+pV[kJ]1、焓是狀態(tài)量stateproperty2、H為廣延參數H=U+pV=m(u+pv)=mh

h為比參數3、對流動工質，焓代表能量(熱力學能+推進功)

對靜止工質，焓不代表能量4、物理意義：開口系中隨工質流動而攜帶的、取決

于熱力狀態(tài)的能量。三、穩(wěn)定流動能量方程

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout穩(wěn)定流動條件（P22)1、2、3、軸功Shaftwork每截面狀態(tài)不變4、Energybalanceforsteady-flowsystems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工質穩(wěn)定流動能量方程適用條件：任何流動工質任何穩(wěn)定流動過程Energybalanceforsteady-flowsystems技術功Technicalwork動能工程技術上可以直接利用軸功機械能位能單位質量工質的開口與閉口wsq穩(wěn)流開口系閉口系(1kg)容積變化功等價技術功穩(wěn)流開口與閉口的能量方程容積變化功w技術功wt閉口穩(wěn)流開口等價軸功ws推進功

(pv)幾種功的關系？幾種功的關系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws對功的小結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wws

wt準靜態(tài)下的技術功準靜態(tài)準靜態(tài)熱一律解析式之一熱一律解析式之二技術功在示功圖上的表示第三節(jié)穩(wěn)定流動能量方程應用舉例熱力學問題經?？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(Turbine)機械火力發(fā)電核電飛機發(fā)動機輪船發(fā)動機移動電站燃氣機蒸汽輪機Steamturbine透平(Turbine)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變的例2：壓縮機械Compressor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壓縮機火力發(fā)電裝置Steampower鍋爐汽輪機發(fā)電機給水泵凝汽器過熱器壓縮機械1)體積不大2）流量大3）保溫層q

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