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1、第二章热力学第一定律,2-1 热力学第一定律的本质,1909年，C.Caratheodory最后完善热一律,本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用,18世纪初，工业革命，热效率只有1%,1842年，J.R.Mayer阐述热一律，但没有 引起重视,1840-1849年，Joule用多种实验的一致性 证明热一律，于1950年发表并得到公认,J.R.迈尔Julius Robert Mayer,1814-1878德国医学博士首次提出能量转换与守恒定律,J.P.焦耳James.Prescott.Joule,1818-1889英国1850测定热功当量1852焦汤效应能量单位焦耳定律（热与电）,焦耳实验,
2、1、重物下降，输 入功，绝热容 器内气体 T,2、绝热去掉，气 体 T，放出 热给水，T 恢复 原温。,焦耳实验,水温升高可测得热量，重物下降可测得功,热功当量1 cal=4.1868 kJ,工质经历循环:,闭口系循环的热一律表达式,要想得到功，必须化费热能或其它能量,热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”,2-2 热一律的推论内能,内能的导出,闭口系循环,内能的导出,对于循环1a2c1,对于循环1b2c1,状态参数,p,V,1,2,a,b,c,内能及闭口系热一律表达式,定义 dU=Q-W 内能U 状态函数,Q=dU+WQ=U+W,闭口系热一律表达式,！两种特例 绝功系 Q=dU 绝
3、热系 W=-dU,内能U 的物理意义,dU=Q-W,W,Q,dU 代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。,U 代表储存于系统内部的能量 内储存能（内能、热力学能）,内能的性质,分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）核能化学能,内能,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,说明：,系统总能,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,E=U+Ek+Ep,e=u+ek+ep,一般与系统同坐标，常用U,dU,u,du,热一律的文字表达式,热一律:能量守恒与
4、转换定律,进入系统的能量-离开系统的能量=系统内部储存能量的变化,2-3 闭口系能量方程,W,Q,一般式,Q=dU+W Q=U+W,q=du+w q=u+w,单位工质,适用条件：1）任何工质 2)任何过程,闭口系能量方程中的功,功（w）是广义功 闭口系与外界交换的功量,q=du+w,准静态容积变化功 pdv拉伸功 w拉伸=-dl表面张力功 w表面张力=-dA,w=pdv-dl-dA+.,闭口系能量方程的通式,q=du+w,若在地球上研究飞行器 q=de+w=du+dek+dep+w,准静态和可逆闭口系能量方程,简单可压缩系准静态过程,w=pdv,简单可压缩系可逆过程,q=Tds,q=du+pd
5、v,q=u+pdv,热一律解析式之一,Tds=du+pdv,Tds=u+pdv,热力学恒等式,2-4 开口系能量方程,推导,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,推进功的引入,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,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
6、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+p
7、v+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,开口系能量方程,焓（Enthalpy)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,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。,2-5 稳定流动能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,
8、gzin,gzout,稳定流动条件,Steady State Steady Flow(SSSF),1、,2、,3、,轴功Shaft work,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,单位质量工质的开口与闭口,ws,q,稳流开口系,闭口系(1kg),容积变化功,等价,技术功wt,稳流开口与闭口的能量方程,容积变化功w,技术功wt,闭口,稳流开口,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,准静态下的
9、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，,压力能 动能 位能,机械能守恒,柏努利方程,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=30 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,例1：透平(Turbine)机械,火力发电核电,飞机发动机轮船发动机移动电站,燃气轮机,蒸汽轮机,火力发电装置,锅炉,汽
10、轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,航空发动机（燃气循环）,燃气发电装置,活塞,燃气装置,压气机,燃气轮机,燃烧室,空气,废气,透平(Turbine)机械,1)体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,ws=-h=h1-h20,输出的轴功是靠焓降转变的,例2：压缩机械,火力发电核电,飞机发动机轮船发动机移动电站,压气机,水泵,制冷空调,压缩机,火力发电装置,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,航空发动机（燃气循环）,燃气发电装置,活塞,燃气装置,压气机,燃气轮机,燃烧室,空气,废气,制冷空调装置,活塞,压缩机械,1)体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,ws=-h=h1-h20
11、,输入的轴功转变为焓升,例3：换热设备,火力发电：,锅炉、凝汽器,核电：,热交换器、凝汽器,制冷空调,蒸发器、冷凝器,火力发电装置,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,制冷空调装置,活塞,换热设备,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4：绝热节流,管道阀门,制冷空调,膨胀阀、毛细管,制冷空调装置,活塞,绝热节流,绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等,h1,h2,没有作功部件,绝热,例5：喷管和扩压管,火力发电,蒸汽轮机静叶,核电,飞机发动机轮船发动机移动电站,压气机静叶,喷管与扩压管,喷管和扩压管,喷管目的：,压力降低，
12、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,第二章 小结,1、本质：能量守恒与转换定律,进-出=内能增量,第二章 小结,通用式,2、热一律表达式：,第二章 小结,稳流：,dEcv/=0,通用式,第二章 小结,闭口系：,通用式,第二章 小结,通用式,循环,dEcv=0,out=in,第二章 小结,孤立系：,通用式,第二章 小结,3、准静态下两个热力学微分关系式,适合于闭口系统和稳流开口系统,后续很多式子基于此两式,第二章 小结,4、u与 h,U,H 广延参数 u,h 比参数,U 系统本身具有的内部能量,H 不是系统本身具有的能量，开口系中随工质流动而携
13、带的，取 决于状态参数的能量,第二章 小结,5、四种功的关系,准静态下,第二章 讨论课,思考题,工质膨胀是否一定对外作功？,向真空膨胀，自由膨胀,定容过程是否一定不作功？,开口系，技术功,定温过程是否一定不传热？,相变过程（冰融化，水汽化）,水轮机,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,绝热闭口系,闭口系能量方程,T,空调,Q,充气问题与取系统,习题2-9,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：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
14、,h,四种可取系统,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,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,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,2）取最终罐中气体为系统(闭口系),h,m0,m-m0,绝热,m-m0,四种可取系统,1）取储气罐为系统,开口系
15、,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,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,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-m0,四种可取系统,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,利用热一律的文字表达式,进 出 内能变化,h,内能变化：,取储气罐为系统(开口系),进：,出：,m0,u0,结果说明,1）取系统不同，考虑的角度不同,开口系反映为质量携带焓,2）若m00，,m0,u0,h,闭口系反映作功,第二章 完,
