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1、第二章热力学第一定律,2 - 1 热力学第一定律 的实质及表达式,实质是能量守恒与转换原理在热力学中的具体体现在工程热力学中,热力学第一定律主要说明热能和机械能在转移和转换时,能量的总量必定守恒,一、热力学第一定律的实质,二、热力学第一定律表达式,. 一般热力系能量方程,热力学第一定律基本表达式热力系总能量为E (图2-1a)。它是热力学能(U)、宏观动能 (EK) 和重力位能 (EP) 的总和：,热力系如图2-1中虚线所包围的体积所示,根据质量守恒定律可知热力系质量的变化等于流进和流出质量的差,根据热力学第一定律可知：加入热力系的能量的总和 - 热力系输出的能量的总和 =热力系总能量的增量,
2、微分式,积分式,适用条件：任何热力系、任何工质、任何（无摩擦或有摩擦）过程,设一带活塞的气缸，取封闭在活塞气缸中虚线包围的气体工质为闭口系,2、闭口系的能量方程,初态热力学能 - U1吸热 - Q对外界膨胀功 - W终态热力学能 - U2动能和重力位能均无变化 与外界无物质交换,过程演示,适用条件：闭口系、任何工质、任何（无摩擦或有摩擦）过程,积分式,每千克工质,微分式,3、开口系的能量方程,进气前 质 量 m = 0 总能量 E1 = 0,进气过程中,热力学能 U1 进出口气体的重力位能基本不变 外界对的气体作了推动力 外界获得了进气功 ,吸热膨胀作功,外界供给热量 Q膨 胀 功 热 力 学
3、 能 U2,排气过程中外界消耗排气功 外界获得推动功,排气后 质 量 m = 0 总 能 量 E2 = 0,开口系在一个工作周期中的能量进出情况,动力机械在一个工作周期中获得的功称为技术功,用 表示,根据式 (2-4) 可得,适用条件：开口系、任何工质、任何(无摩擦或摩擦)过程,代入式 (2-8) 可得,每千克工质,微分式,稳定流动是指流道中任何位置上流体的流速及其它状态参数 ( 温度、压力、比体积、比热力学能等 ) 都不随时间而变化的流动,4、稳定流动的能量方程,进口截面： 出口截面：,设有流体流过一复杂通道，虚线(界面)所包围的开口系研究对象,假定进、出口截面上流体的各个参数均匀一致,依次
4、为：,取一段时间,设在这段时间内恰好有1kg流体流 过通道,同时有热量 q 传入又有轴功wsh作出。对 这样一个稳定流动的开口系,式 (2-4) 中各项为：,根据式 (2-4) 可得式中最后得,适用条件：稳定流动开口系、任何工质、任何过程对流动工质, 焓可以理解为流体向下游传 送的热力学能和推动功之和,5、能量方程之间的内在联系、热变功的本质,如果把稳定流动能量方程中流体动能的增量和重力位能的增量看作是暂存于流体(热力系)本身,并把它们和轴功合并在一起,合并以后的功也就相当于开口系能量方程中的技术功这样,式(2-13)和式(2-11)也就完全一样了,即,如果再把式 (2-14) 中的焓写为热力
5、学能和推动功之和，把技术功写为进气功、膨胀功及排气功的代数和,便可以得到式(2-6),归根结底,反映热能和机械能转换的是式(2-6)，将其改写为,在任何情况下,膨胀功都只能从热力系本 身的热力学能储备或从外界供给的热量 转变而来,在闭口系中 - 膨胀功(w)全部向外界输出在开口系中 - 膨胀功中有一分要用来弥补 排气推动功和进气推动功的差值( p2v2-p1v1 ) 剩下的部分（即为技术功）可供输出,在稳定流动中，膨胀功除用于弥补排气推动功和进气推动功的差值外，还要用于,增加流体的功能增加流体的位能剩下的部分（即为轴功）才供输出,总功（tot）、膨胀功（）、技术功（t）和轴功（sh ）之间的区
6、别和内在联系,膨胀功、技术功、轴功孰大孰小取决于、的大小和正负,2 2 功和热量的计算及其在 压容图和温熵图中的表示,一、热力系的选取1. 热力系的描述截面积为A的带活塞的气缸，里面装有1kg气体,气体处于内平衡状态气体对活塞的作用力由外力F和活塞与气缸壁之间的摩擦力Ft加以平衡,2. 热力系的选取现在取气缸内的气体连同活塞和气缸一并作为热力系。活塞与气缸之间的摩擦便是内摩擦我们假定活塞与气缸之间由于摩擦生成的热全部由气缸中的气体吸收，而活塞和气缸的热力状态无改变，那么在分析过程时，对活塞和气缸可以不予考虑,二、功的计算1. 有摩擦时功的计算,当外界向气体加入热量 -平衡状态活塞移动距离 -,
7、气体对外界作功 称为功损。由功损转变而产生的热称 为热产，用 表示,不等式（2-17）对压缩过程同样是适用在压缩过程中，如果存在摩擦功损，外 界将消耗比 计算值较多功 ， 但由于这时 和 均为负值，所以不等 于 依然成立。,2、无摩擦时功的计算不存在摩擦（ ），则无论对膨胀过 程或是压缩过程，均可得 积分，膨胀功计算式：,根据式（2-15）和（2-10），技术功计 算式：,三、热量的计算根据熵的定义式（1-15）：无摩擦内平衡时，（2-7）可写为,无摩擦的内平衡过程可得积分后得,四、功和热量的图示一个无摩擦的内平衡过程，其膨胀功 和技术功可以用压容图（p-v图）中过程 曲线下边和左边相应的面积表示出来 （图2-6）热量则可以用温熵图（T-s图）中过程曲 线下边相应的面积表示出来（图2- 7）,五、循环功和热量的计算与图示1、对一个无摩擦的内平衡的循环， 膨胀功与技术功相等 w0 = w0t循环的热量则可用温熵图中循环曲线 包围的面积ABCDA表示（图2-9）,2、循环的净热量等于循环的净功对能量方程式（2-7）循环积分， q0 = w0对有摩擦的内不平衡循环，虽然w0和 q0 不能用压容图和温熵图中包围在循环曲 线内部的面积示，但是q0 = w0的结论仍然 成立。,第二章 结束,
