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1、第二章第二章热力学第一定律热力学第一定律2-1 热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质本质：本质：能量能量转换转换及及守恒守恒定律在热过程中的应用定律在热过程中的应用热一律热一律又可表述为又可表述为“第一类永动机是第一类永动机是 不可能制成的不可能制成的”热一律热一律可表述为可表述为:热是能的一种热是能的一种,机械能变为热能机械能变为热能,或热能或热能变机械能时变机械能时,它们间的比值是一定的它们间的比值是一定的.分子动能（移动、转动、振动）分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）分子位能（相互作用）核能核能化学能化学能热力学能热力学能 热力学能热力学能是状态参数是状态参数 符号符号
2、:U:广延参数广延参数 kJ u:比参数比参数 kJ/kg 热力学能总以变化量出现，热力学能总以变化量出现，热力学能热力学能零点人为定零点人为定说明：说明：2-2 2-2 热力学能和总能热力学能和总能物体的内动能，内位能，化学能，原子核能称为热力学能1.热力学能热力学能温度的函数比体积和温度的函数2.总能总能外部储存能外部储存能:宏观动能宏观动能 Ek=mc2/2宏观位能宏观位能 Ep=mgz机械能机械能系统总能系统总能:E=U+Ek+Epe=u+ek+ep 热力学能、动能和位能总和称为热力系统的总储存能，简称总能以 E 表示.作功作功 2-3 2-3 能量的传递和转化能量的传递和转化1.能量
3、传递两种方式能量传递两种方式 特点:物体无宏观位移特点:物体有宏观位移传热传热 功和热量均为过程量2.推动功和流动功推动功和流动功推动功推动功 W推推=P A dl=PV w推推=pv注意：注意：不是不是 pdv,v 没有变化没有变化pApVdl对推动功的说明对推动功的说明1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推有关，流动停止，推动动功不存在功不存在2 2、作用过程中，工质仅发生作用过程中，工质仅发生位置位置变化，无状态变化变化，无状态变化3 3、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界做出，流动工质所而由外界做出，流动工质所携带的能量
4、携带的能量可理解为可理解为：由于工质的进出，外界与系统之由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种间所传递的一种机械功机械功，表现为流动工质进，表现为流动工质进出系统使所出系统使所携带携带和所和所传递传递的一种的一种能量能量流动功流动功:为维持工质为维持工质流动流动所需要的功所需要的功.p2 V2p1 V1“开口系统与外界交换的功量开口系统与外界交换的功量”膨胀功与流动功之差膨胀功与流动功之差W(p 2V2 p1 V1)2-4 焓焓定义：定义：焓焓 h=u+pvH=U+pV kJ 1、焓焓是状态量是状态量2、H为广延参数为广延参数 H=U+pV=m(u+pv)=mh h为比参数为比参数3、对流
5、动工质，对流动工质，焓焓代表能量代表能量(内能内能+推推动动功功)对静止工质，对静止工质，焓焓不代表不代表能量能量4 4、物理意义：开口系中随工质物理意义：开口系中随工质流动而携带流动而携带的的能量能量、其、其值取决于热力状态。值取决于热力状态。说明说明:热一律的应用到系统的基本表达式热一律的应用到系统的基本表达式:热一律热一律:能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律进入进入系统的系统的能量能量-离开离开系统的系统的能量能量 =系统系统内部储存能量内部储存能量的的变化变化2-5 热一律的基本热一律的基本能量方程能量方程闭口系的闭口系的能量方程式能量方程式:WQ一般式一般式Q=U+W q=du+w
6、 q=u+w单位工质单位工质:适用条件：适用条件：1）任何工质）任何工质 2)任何过程任何过程 Q=dU+W微元过程微元过程:闭口系能量方程中的功闭口系能量方程中的功功功（w）是广义功是广义功 闭口系与外界交换的功量闭口系与外界交换的功量 q=du+w准静态容积变化功准静态容积变化功 pdv拉伸功拉伸功 w拉伸拉伸=-dl表面张力功表面张力功 w表面张力表面张力=-dA w=pdv-dl-dA+.准静态和可逆闭口系能量方程准静态和可逆闭口系能量方程简单可压缩系简单可压缩系准静态过程准静态过程 w=pdv简单可压缩系简单可压缩系可逆过程可逆过程 q=Tds q=du+pdv q=u+pdv热一律
7、解析式之一热一律解析式之一Tds=du+pdv Tds=u+pdv热力学恒等式热力学恒等式 2-6 开口系能量方程开口系能量方程推导推导能量守恒原则能量守恒原则进入进入系统的系统的能量能量 -离开离开系统的系统的能量能量 =系统系统储存能量储存能量的的变化变化开口系能量方程的推导开口系能量方程的推导 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out -Wnet=dEcv minpvout开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式 Q+min(u+pv+c2/2+gz)in-Wnet-mout(u+pv+c2
8、/2+gz)out =dEcv工程上常用工程上常用流率流率开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式当有多条进出口：当有多条进出口：流动时，总一起存在流动时，总一起存在稳定流动能量方程稳定流动能量方程:Wnet Q min moutuinuoutgzingzout稳定流动条件稳定流动条件Steady State Steady Flow(SSSF)1、2、3、轴功轴功Shaft work每截面状态不变每截面状态不变4、稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导稳定流动条件稳定流动条件0稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导1kg工质工质稳定流动能量方程稳定流动能量方程适用条件：适用条件：任
9、何流动工质任何流动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程单位质量工质的开口与闭口单位质量工质的开口与闭口wsq稳流稳流开口系开口系闭口系闭口系(1kg)容积变化功容积变化功等价等价技术功技术功wt稳流开口与闭口的能量方程稳流开口与闭口的能量方程容积变化功容积变化功w技术功技术功wt闭口闭口稳流开口稳流开口等价等价内部功内部功ws,轴功轴功ws流动功流动功(pv)几种功的关系？几种功的关系？几种功的关系几种功的关系wwt(pv)c2/2wsgz做功的根源做功的根源ws准静态下的技术功准静态下的技术功准静态准静态准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之一热一律解析式之二热一律解析式之二技术功在示功
10、图上的表示技术功在示功图上的表示1：动力机：动力机火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 燃气轮机燃气轮机蒸汽轮机蒸汽轮机 2-7 能量方程的应用能量方程的应用火力发电装置火力发电装置锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器航空发动机（燃气循环）航空发动机（燃气循环）燃气发电装置燃气发电装置活塞活塞燃气装置燃气装置压压气气机机燃燃气气轮轮机机燃烧室燃烧室空空气气废废气气动力机动力机1)进出口动能差小进出口动能差小2）进出口位能差小进出口位能差小3）保温层保温层q 0ws =-h =h1-h20输出的轴功是靠焓降转变的输出的轴
11、功是靠焓降转变的2：压气机：压气机火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机压气机水泵水泵制冷制冷空调空调压缩机压缩机火力发电装置火力发电装置锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器航空发动机（燃气循环）航空发动机（燃气循环）燃气发电装置燃气发电装置活塞活塞燃气装置燃气装置压压气气机机燃燃气气轮轮机机燃烧室燃烧室空空气气废废气气制冷空调制冷空调装置装置活塞活塞压气机械压气机械ws =-h =h1-h20输入的轴功转变为焓升输入的轴功转变为焓升1)进出口动能差小进出口动能差小2）进出口位能差小进出口位能差小3）对外略有放热
12、对外略有放热q 03：换热器：换热器火力发电：火力发电：锅炉、凝汽器锅炉、凝汽器核电：核电：热交换器、凝汽器热交换器、凝汽器制冷制冷空调空调蒸发器、冷凝器蒸发器、冷凝器火力发电装置火力发电装置锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器制冷空调制冷空调装置装置活塞活塞换热设备换热设备热流体放热量：热流体放热量：3）没有作功部件）没有作功部件热流体热流体h1h21)进出口动能差小进出口动能差小2）进出口位能差小进出口位能差小4.管道管道(喷管和扩压管喷管和扩压管)火力发电火力发电蒸汽轮机静叶蒸汽轮机静叶核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气
13、机静叶压气机静叶喷管目的：喷管目的：压力降低，速度提高压力降低，速度提高扩压管扩压管目的：目的：速度降低，压力升高速度降低，压力升高喷管和扩压管喷管和扩压管动能与焓变相互转换动能与焓变相互转换5.5.绝热节流绝热节流管道阀门管道阀门制冷制冷空调空调膨胀阀膨胀阀制冷空调制冷空调装置装置活塞活塞绝热节流绝热节流(阀门阀门)说明说明:绝热节流前后绝热节流前后h不变不变h1h2没有作功部件没有作功部件绝热绝热进出口动位能差忽略进出口动位能差忽略第二章第二章 讨论课讨论课思考题思考题 工质膨胀是否一定对外作功？工质膨胀是否一定对外作功？向真空膨胀，自由膨胀向真空膨胀，自由膨胀定容过程是否一定不作功？定容
14、过程是否一定不作功？开口系，技术功开口系，技术功定温过程是否一定不传热？定温过程是否一定不传热？相变过程（冰融化，水汽化）相变过程（冰融化，水汽化）水轮机水轮机作业：P.57-6023;24;29；212。门窗紧闭房间用电冰箱降温门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为以房间为系统系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程T电电冰冰箱箱门窗紧闭房间用空调降温门窗紧闭房间用空调降温以房间为以房间为系统系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程T空空调调 Q充气问题与取系统充气问题与取系统例例:储气罐储气罐原有气体原有气体m0,u0输气管状态不变，输气管状态不变，h经经 时间充时间
15、充气，关阀气，关阀储气罐储气罐中气体中气体m求：求：储储气罐气罐中气体中气体内能内能u 忽略动、位能变化，且管路、忽略动、位能变化，且管路、储气罐、阀门均绝热储气罐、阀门均绝热m0,u0h四种可取系统四种可取系统1）取储取储气罐气罐为系统为系统开口系开口系2）取最终罐中气体为系统取最终罐中气体为系统闭口系闭口系3）取将进入储取将进入储气罐气罐的气体为系统的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4）取储取储气罐气罐原有气体为系统原有气体为系统闭口系闭口系1)1)取取储气罐为储气罐为系统系统(开口系开口系)忽略动位能变化忽略动位能变化h绝热绝热无作功无作功部件部件无无离开气体离开气体1)1)取取储气罐为储气罐为系统系统(开口系开口系)经经 时间充气，积分概念时间充气，积分概念hh是常数是常数2 2）取最终罐中气体为系统）取最终罐中气体为系统(闭口系闭口系)hm0m-m0绝热绝热m-m0第二章第二章 完完