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第二章 热力学第一定律

第二章 热力学第一定律. 2.1 热力学第一定律的实质. 实质：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 阐述热力学第一定律，但没有引起重视.  1840-1849年 ， Joule 用多种实验的一致性 证明热力学第一定律，于 1850 年发表并得到公认. 热力学第一定律的普遍表达式. 进入 系统的 能量 - 离开 系统的 能量 = 系统 能量贮存 的 变化. 适用于任何过程任何热力系. 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 ”.

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第二章 热力学第一定律

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  1. 第二章热力学第一定律

  2. 2.1热力学第一定律的实质 实质：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阐述热力学第一定律，但没有引起重视 1840-1849年，Joule用多种实验的一致性 证明热力学第一定律，于1850年发表并得到公认

  3. 热力学第一定律的普遍表达式 进入系统的能量-离开系统的能量 = 系统能量贮存的变化 适用于任何过程任何热力系 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”

  4. 闭口系能量方程 一般式 Q= dU+W ( 输入) （贮增） （输出） Q= U + W Q W q=du+wq = u + w 单位工质 适用条件： 1）任何工质 2) 任何过程

  5. 简单可压缩物质控制质量可逆过程能量方程 简单可压缩系的可逆过程仅存在容积功 w = pdv q=du+pdv 热力学第一定律解析式之一 q=  u+ pdv 简单可压缩系可逆过程  q = Tds Tds = du + pdv 热力学恒等式 Tds =  u +  pdv

  6. 【例2-1】 　如图所示，闭口系内的一定量气体由状态1经1a2变化至状态2，吸热70kJ，同时对外做功25kJ，试问：（1）工质若由1经1b2变化到2时，吸热为90kJ，则对外做功是多少？（2）若外界对气体做功30kJ，迫使它从状态2经2c1返回到状态1，则此返回过程是吸热过程还是放热过程？其值为多少？

  7. 【例2-1】 解（1）热力系经历1a2过程后，吸热Q=70kJ，对外做功W=25kJ， 因热力学能是状态参数，其变化量只与工质的初、终态有关。所以 已知热力系经历1b2过程后，吸热Q=90kJ，则

  8. 【例2-1】 （2）热力系由2变化到1，其热力学能的变化量 外界对气体做功 热量为负值，表示该过程为放热过程。

  9. 2.3 开口系统稳定流动能量方程 控制体积：就是在空间中用假想的包围面划出的一定的空间体积，通过它的边界有物质的流入和流出，也有能量的流入和流出。 特点：1.不是容积功而是轴功 2.有物质的流入和流出 (1)直接的能量交换 (2)推动功和流动功

  10. 开口系能量方程 dmin 推导 uin 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 Ws gzin dmout uout Q gzout

  11. 推动功的引入 min uin gzin Ws 这个结果与实验不符 uout mout 少了推动功 gzout Q Q+min(u+c2/2+ gz)in -mout(u+c2/2+ gz)out-Ws=dEcv

  12. 流动功的表达式 推进功、推出功 A W推进=PinFinS=PinVin w推进=pinvin pin S 同理 注意： 不是pdv v 没有变化 W推出=PoutVout w推出=poutvout

  13. 流动功的定义 • 流动净功定义为开口系统的推出功与推进功之差 流动功是系统维持工质流动所需的功

  14. 对推动功的说明 1、与宏观流动有关，流动停止，推动功不存在 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时所携带和所传递的一种能量

  15. 开口系能量方程 uin pvin min gzin WS uout mout pvout Q gzout Q+min(u+c2/2 + gz)in -mout(u+c2/2 + gz)out-Wi=dEcv

  16. 开口系能量方程微分式 Q+min(u+pv+c2/2 + gz)in -WS -mout(u+pv+c2/2 + gz)out=dEcv 工程上常用流率(单位时间内某一量的值的大小） 流动时，u＋pv总一起存在

  17. 焓的引入 定义：焓h= u+pv h h 开口系能量方程

  18. 焓的说明 定义：h = u + pv [ kJ/kg ] H = U + pV [ kJ ] 1、焓是状态量（以相对值给定） 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+推动功) 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。

  19. 稳态稳流能量方程 min 稳定流动条件 uin gzin 1、 Wi mout 2、 uout Q 3、 轴功 gzout 每截面状态不变 4、

  20. 稳定流动能量方程的推导 稳定流动条件 0

  21. 稳定流动能量方程的推导(Cont.) 1kg工质 稳定流动时的能量方程

  22. 稳定流动能量方程 任何流动工质 适用条件： 任何稳定流动过程

  23. 稳定流动能量方程分析 技术功wt

  24. 稳流开口与闭口的能量方程 闭口 等价 稳流开口 容积变化功w 技术功wt 几种功的关系？ 轴功ws 推动功(pv)

  25. 几种功的关系 c2/2 g△z wt ws ws w 做功的根源 △(pv)

  26. 简单可压缩系可逆过程的技术功 可逆过程 热力学第一定律解析式之一 简单可压缩系可逆过程 热力学第一定律解析式之二

  27. 技术功在示功图上的表示

  28. 2.4 稳定流动能量方程应用举例 例1：动力机 火力发电 核电 蒸汽轮机 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 燃气轮机

  29. 1) 体积不大 2）流量大 3）保温层 q0 ws = -△h = h1 - h2>0 输出的轴功是靠焓降转变的

  30. 例2.压气机 1) 体积不大 2）流量大 3）保温层 q0 ws = -△h = h1 - h2<0 输入的轴功转变为焓升

  31. 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

  32. 换热设备 没有作功部件 热流体放热量： 焓变 冷流体吸热量：

  33. 例4：喷管和扩压管 喷管目的： 速度提高，压力降低 扩压管目的： 压力升高，速度降低 动能参与转换，不能忽略 动能与焓变相互转换

  34. 例5：绝热节流 管道阀门 制冷 空调 膨胀阀、毛细管

  35. 绝热节流 h1 h2 没有作功部件 绝热 绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等

  36. 【例2-2】 • 已知新蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3230kJ/kg，流速c1=50m/s，乏汽流出汽轮机时的焓h2=2300kJ/kg，流速c2=120m/s。蒸汽流量为600t/h，试求： (1)汽轮机的功率； (2)忽略蒸汽进、出口动能变化引起的计算误差。 解：（1）因蒸汽在汽轮机中的流动为稳定流动，可根据稳态稳流能量方程式进行求解。

  37. 【例2-2】 　　而蒸汽在汽轮机中绝热膨胀，并且，其进出口的高度差可近似看作等于零，因此可得：

  38. 因　　　　，所以每小时在汽轮机中所做的功为：因　　　　，所以每小时在汽轮机中所做的功为： 【例2-2】 蒸汽机的功率为： （2）忽略蒸汽进、出口时的动能差时，蒸汽进、出口的动能有：

  39. 【例2-2】 由此引起的误差为： 说明： 由以上的计算结果可以看出，汽轮机进出口的工质速度虽然相差较大，但其宏观动能变化量相对于汽轮机的轴功而言，是一个小到可以忽略不计的量，略去流动工质的宏观动能变化，对汽轮机功率的影响很小。

  40. 思考题 • 如图中过程1-2与过程1-a-2，有相同的初态和终态，试比较两过程的功谁大谁小？热量谁大谁小？热力学能的变化量谁大谁小？

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