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1、第二章热力学第一定律,The First Law of Thermodynamics,2-1 热力学第一定律的实质及表达式,本质：能量转换及守恒定律在热力学中的应用,要想得到功，必须花费热能或其它能量,热力学第一定律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”,热力学第一定律的表述: 热能和机械能之间可以相互转移或转换,在转移或转换过程中能量的总量必定守恒。,热力学能(内能)的微观组成,分子动能分子位能_化学能 核能,内能,移动,转动,振动,1.内储存能（内能、热力学能） U _U 代表储存于系统内部的能量,2.外部储存能,宏观动能 Ek= mc2/2宏观位能 Ep= mgz,机械能,系统总能量
2、=内部储存能+外部储存能,E = U + Ek + Ep,e = u + ek + ep,总能,热力学能，内部储存能,外部储存能,宏观动能,宏观位能,内能的说明,热力学能(内能)是状态量,U : 广延参数 kJ u : 比参数 kJ/kg, 内能总以变化量出现，内能零点人为定,热力学第一定律的文字表达式,热力学第一定律: 能量守恒与转换定律, 2-2 开口系能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,能量守恒原则进入系统的能量 -离开系统的能量 =系统储存能量的变化,1.开口系能量方程的推导,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gz
3、out,Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,这个结果与实验不符,少了推进功,推进功的表达式,推进功（流动功、推动功）,p,A,p,V,dl,W推 = p A dl = pV w推= pv,注意： 不是 pdv v 没有变化,对推进功的说明,1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在,2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化,3、w推pv与所处状态有关，是状态量,4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量,可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递
4、的一种机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量,开口系能量方程的推导,Wnet,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,min,pvout,开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,开口系能量方程微分式,当有多条进出口：,流动时，总一起存在,焓的引入,定义：焓 h = u + pv,h,h,开口系
5、能量方程,焓的 说明,定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ ,1、焓是状态量,2、H为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh h为比参数称比焓,3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功) 对静止工质，焓不代表能量,4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决 于热力状态的能量。,h,h,开口系能量方程一般表达式:,Q =dEcv + (h+ c2/2 + gz)out mout - (h+ c2/2 + gz)in min + Wnet,以流率表示的开口系能量方程:,总结:,2.闭口系能量方程,一般式,Q = dU + W Q = U + W,q =
6、du + w q = u + w,单位工质,适用条件： 1）任何工质 2) 任何过程,Q =dEcv + (h+ c2/2 + gz)out mout - (h+ c2/2 + gz)in min + Wnet,开系能量方程,对闭口系热力循环能量方程,1.简单可压缩闭口系准静态过程能量方程,w = pdv,2.简单可压缩闭口系可逆过程能量方程:, q = Tds,q = du + pdv,热一律解析式之一,Tds = du + pdv,热力学恒等式,分析:,门窗紧闭房间用电冰箱降温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程,T,电冰箱,门窗紧闭房间用空调降温,以房间为系统,闭口系,闭口系能量方
7、程,T,空调,Q,例 自由膨胀,如图，,解：取气体为热力系 闭口系？开口系？,抽去隔板，求,?,2-5 开口系稳定流动能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,稳定流动条件,1、,2、,3、,轴功,每截面状态不变,4、,稳定流动能量方程的推导,稳定流动条件,0,稳定流动能量方程的推导,1kg工质,稳定流动能量方程,适用条件：,任何流动工质,任何稳定流动过程,技术功,动能,工程技术上可以直接利用,轴功,机械能,位能,单位质量工质的开口系与闭口系,ws,q,稳流开口系,闭口系(1kg),容积变化功,等价,技术功,讨论闭口系与稳流开口系的能量方程,容积变化功w
8、,技术功wt,闭口系,稳流开口系,等价,轴功ws,推进功(pv),几种功的关系？,几种功的关系,w,wt,(pv), c2/2,ws,gz,做功的根源,ws,对功的小结,2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws,3、一般情况下忽略动、位能的变化,1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功w,wswt,准静态下的技术功,准静态,准静态,热一律解析式之一,热一律解析式之二,技术功在示功图上的表示,机械能守恒,对于流体流过管道，,机械能守恒,柏努利方程,Bernoullis equation, 2-6 稳定流动能量方程应用举例,热力学问题经常可忽略动、位能变化,例：c1 = 1 m/s c2 = 3
9、0 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kg,z1 = 0 m z2 = 30 mg ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg,1bar下, 0 oC水的 h1 = 84 kJ/kg100 oC水蒸气的 h2 = 2676 kJ/kg,1) 体积不大,2）进出口动位能差小,3）保温层,q 0,ws = -h = h1 - h20,输出的轴功是靠焓降转变的,例1：动力机械利用工质膨胀获得机械能的 设备,如蒸汽轮机、汽轮机,热流体放热量：,没有作功部件,热流体,冷流体,h1,h2,h1,h2,冷流体吸热量：,焓变,例2：换热设备Heat Exchangers,如锅炉
10、、冷凝器,喷管目的：,压力降低，速度提高,扩压管目的：,动能与焓变相互转换,速度降低，压力升高,动能参与转换，不能忽略,例3 喷管和扩压管（Nozzles and Diffusers ）,例1 空气在某压气机中被压缩压缩前空气的参数是P1= 0.1MPa,v1 =0.845 m3kg；压缩后的参数是P2= 0.8MPa,v2 =0.175 m3kg 假定在压缩过程中，1Kg空气的热力学能增加146 U，同时向外放出热量50kJ，压气机每分钟生产压缩空气10kg。求：(1)压缩过程中对每公斤气体所做的功;(2)每生产lkg的压缩气体所需的功; (3)带动此压气机至少要多大功率的电动机?,解:分析
11、:要正确计算压缩过程中所需要的功和生产压缩气体所需的功，必须依赖于热力系统的正确选取及对功的类型的正确判断，压气机的工作过程包括进气压缩和排气三个过程；在压缩过程中,进、排气阀均关闭,故此时热力系为闭口系，与外界交换的功是容积变化功。 要生产压缩气体，则进、排气阀要周期性地打开和关闭，气体进出汽缸，因此气体与外界交换的功是轴功。又考虑到动、位能变化不大，可略，则此功为技术功。,由上述分析可知，在压缩过程中，进，排气阀均关闭，因此取汽缸中的气体为热力系，如图由闭口系能量方程得,1.计算压缩过程所做的功：,已知:P1= 0.1MPa,v1 =0.845 m3kg, P2= 0.8MPa,v2 =0
12、.175 m3kg ；u=146KJ/kg,q=-50KJ/kg,2.计算生产压缩气体所需的功,选气体的进出口汽缸内壁及活塞左端面所围空间为热力系，如图b中的虚线所示,由开口系能量方程得,已知:P1= 0.1MPa,v1 =0.845 m3kg, P2= 0.8MPa, v2 =0.175 m3kg ；u=146KJ/kg,q=-50KJ/kg,例2 如图所示一燃气轮机装置空气由1进入压气机升压后至2,热后进入回热器, 吸收从燃气轮机排出的废气中的部分热量后，经3进入燃烧室；在燃烧室中与油泵送来的油混合并燃烧生产的热量使燃气温度升高,经4进入燃气轮机做功；排出的废气由5送入回热器，最后由6排至
13、大气中其中压气机油泵发电机均由燃气轮机带动 (1)试建立整个系统的能量平衡式； (2)若空气的质量流量qm1=50t/h，进口焓h1=12kJ/kg,燃油流量qm7=700kg/h，燃油进口焓h7=42kJ/kg ,油发热量q=41800kJ/kg，排出废气焓h6=418kJ/kg,求发动机发出的功率.,P,q,当忽略动、位能变化时，整个系统能量平衡式：,即,充气问题与热力系统的选取,例2:,储气罐原有气体m0,u0,输气管状态不变，h,经时间充气，关阀,储气罐中气体m,求：充气后储气罐中气体内能u,忽略动、位能变化，且管路、储气罐、阀门均绝热,m0,u0,h,四种可取热力系统,1）取储气罐为
14、系统,开口系,2）取储气罐原有气体和充入罐中气体一起为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,1)取储气罐为系统(开口系),忽略动位能变化,h,绝热,无作功部件,无离开气体,1)取储气罐为系统(开口系),经时间充气，积分概念,h,h是常数,四种可取系统 2）,1）取储气罐为系统,开口系,2）取储气罐原有气体和充入罐中气体一起为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,2）取储气罐原有气体和充入罐中气体一起为系统(闭口系),h,m0,m-m0,绝热,m-m0,四种可取
15、系统3),1）取储气罐为系统,开口系,2）取储气罐原有气体和充入罐中气体一起为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统(闭口系),m0,h,m-m0,m0与m-m0有温差传热Q1,m-m0对m0作功W1,?,?,m-m0,四种可取系统 4),1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统(闭口系),m0,h,m-m0,m0与m-m0有温差传热Q1,m0得m-m0作功W1,?,?,4）取储气罐原有气体为系统(闭口系),m0,h,m-m0,m0 p0 T0 u0 h0,P1 T1 h1,作业:如图示容器内装有质量mo、压力P0、温度T0、内能u0 、焓h0、其状态与大气相平衡的空气，将容器连接于压力为P1 ，温度为T1，焓h1状态始终保持稳定的高压输气管道上，打开阀门向容器充气，使容器内压力达到P，质量变为m时关闭阀门。设管路阀门是绝热的，容器刚性壁是完全透热的，可使容器内的气体温度与大气处于热平衡。试求在充气过程中通过透热壁向外放出的热量。,知 识 脉 络,第二章 完,
