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1、复复 习习1.可以作为气体状态参数的量是?A内能 B功 C热量 D表压力 答案A,功是过程参数，热量是热传递的多少也是过程参数，表压力是实际压力减去当地实际大气压力，明显和当地实际情况有关。2.如果工质的所有状态参数都不随时间的变化而变化，则工质处于平衡状态。对还是错？答案：错3.由同一状态出发，经过两个不同的过程，它们的终了状态不可能相同，对还是错？答案：错第二章第二章热力学第一定律热力学第一定律(The first law of thermodynamics)2-1.热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式2-2.热力系的能量热力系的能量2-4.热力学第一定律应用于开口
2、热力系热力学第一定律应用于开口热力系内容提要内容提要2-3.热力学第一定律解析式（热力学第一定律解析式（闭口系）闭口系）2-5.功和热量的计算及其在功和热量的计算及其在P-v and T-s图上的表示图上的表示2-6.热力学第一定律工程应用热力学第一定律工程应用1.能量守衡定律（中文）:2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式19世纪30-40年代，许多科学家前赴后继，迈尔焦耳（德国医生）最后发现和确定了能量转换与守恒定律。这个定律指出：一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒定不变。恩
3、格斯称其为19世纪自然科学的三大发现之一。1.能量守衡定律（英文）:v(1)Energy can be neither created nor destroyed,it can only change forms.v(2)In the nature,every substance has energy,which has different change forms.It can change from one form to another,but during the change,the total energy is unchangeable.2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学
4、第一定律的实质及其表达式2.热力学第一定律的表述（中文）:2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式（1）当热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持守恒。（2）工程热力学主要研究热能与机械能的相互转换,因而热力学第一定律也可以表示为:热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式能量：是物质运动的量度，它表明物质运动的形式和能量：是物质运动的量度，它表明物质运动的形式和运动的激烈程度。运动的激烈程度。热能：是组成物质的大量分子、原子做杂乱而不
5、规则热能：是组成物质的大量分子、原子做杂乱而不规则运动所具有的能量，也称为无序能。运动所具有的能量，也称为无序能。机械能：是物质整体做规则运动所具有的能量，也称为机械能：是物质整体做规则运动所具有的能量，也称为有序能。有序能。2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式（3）热力学第一定律的建立是在资本主义发展初期，那时，有人曾提出各式各样不消耗能量而获得动力的装置，称为第一类“永动机”，但均失败了。因为它违反了热力学第一定律，故针对热力学第一定律另一形象的说法是：第一类永动机是不可能制造成功的。2.热力学第一定律的表述（英文）:v(1)Neither heat nor
6、work can be destroyed,they can only change from one to another.v(2)The 1st kind of the perpetual machine can not be made-up.(It does not need environment to provide energy,but can export work perpetually.)2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式3.热力学第一定律的实质：2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式能量转换与守恒定律在热力学中的应
7、用。一马铃薯放于微波炉内，如果忽略马铃薯的水份挥发，微波炉的供热量Q为5kJ,则马铃薯的能量增加5kJ。即马铃薯增加的能量等于微波炉的加热量。PotatoQ=5kJE=5kJv 例 1:(1)E=QOven2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式water 对压力锅内的水进行加热，如果加热量为15kJ，有3kJ的热量变成水蒸汽挥发了，则水得到的能量为15-3=12kJ。即水的能量增加量等于进入系统的热量减去离开系统的热量。E=12kJQout=3kJQin=15kJv例 2:(2)E=Qin-Qout2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式
8、用一个风机对绝热良好的房间做功，则房间内空气增加的能量将等于风机所做的功。v Example 3:W=8kJ(adiabatic)E=8kJ(3)E=W2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式v Example 4:W=8kJ(adiabatic)E=(15-3)+8=20kJ(4)E=(Qin-Qout)+WQout=3kJQin=15kJ2-1热力学第一定律的实质及其表达式热力学第一定律的实质及其表达式1.内能(U):内能是指组成热力系的大量微观粒子本身具有的能量.包括:分子的动能 (移动,旋转,摆动和静电力)势能 Potential energy 化学能 Che
9、mical energy 核能 Nuclear energy2-2热力系的能量热力系的能量2.热力系的总能量(E)包括:系统的宏观能量(系统的动能 Ek 和系统势能 Ep)系统的微观能量(内能 U)E=U+Ek+EpEk=mc2/2 Ep=mgz2-2热力系的能量热力系的能量 一般来说，热力学不关心系统的总能量是多少，它关心的是系统总能量的变化量。即工程实际问题.单位质量:e=ek+ep+uE=Ek+Ep+U2-2热力系的能量热力系的能量 在很多的闭口系统中，系统是静止的，它们的动能和势能没有发生改变。则：单位质量:e=uE=U2-2热力系的能量热力系的能量3.热力系的能量平衡关系 (进入系统
10、的能量)(离开系统的能量)=(系统储存能量的变化)Ein Eout =Esys反映了一切热力过程的共性，在具体热力过程中，参与转换的能量形式不同，能量方程的形式也不一致，体现了热力过程的个性。2-2热力系的能量热力系的能量内因和外因共性和个性2-2热力系的能量热力系的能量分析热力过程个性的方法：2-2热力系的能量热力系的能量1.根据研究目的确定热力系；2.根据热力过程的特点，确定通过边界参与热力工程的各种能量形式；3.按能量转换和守衡原则建立能量方程并求解。热力学第一定律：质量守恒定律：性质A定律：2-2热力系的能量热力系的能量Ein-Eout=EsysWQEin=QEout=WQ=Esys+
11、W这个方程就是热力学第一定律的解析式.2-3热力学第一定律的解析式热力学第一定律的解析式静止系统:Q=U+W单位质量:q=e+w微分形式:一般式:Q=E+W 2-3热力学第一定律的解析式热力学第一定律的解析式可逆过程积分形式:Fluid 一刚性容器中装有热流体，用一搅拌器对其搅拌冷却，流体的初始内能为 800kJ.冷却过程中,流体散失 500kJ 的热量,搅拌器对其作功为100kJ.则流体最终的内能为多少？v 例 5:容器中冷却热流体W=100kJU1=800kJU2=?分析:以流体为系统，则为静止的闭口系Qout=500kJQ=U+W-500kJ=U2-800kJ-100kJU2=400kJ
12、2-3热力学第一定律的解析式热力学第一定律的解析式复复 习习1.一个装有2kg工质的闭口系经历了如下过程：过程中系统散热25kJ，外界对系统做功100kJ，比热学能减少15kJ/kg,并且整个系统被举高1000m，试确定过程中系统动能的变化。答案：85kJ1.什么是开口系？开口系的分类？2.开口系的能量类型有那些？3.开口系的能量守衡方程p稳定开口系能量方程p一般开口系能量方程 2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系1.什么是开口系？开口系的分类？开口系是指系统和环境通过边界有质量的交换。开口系按照系统内工质状态参数随时间的变化特性，可以分为：p稳定开口系p一般开
13、口系开口系的研究方法：控制/固定容积法2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系v进、出口截面的参数不随时间而变；v系统与外界交换的热量和功量不随时间而变；v工质的质量流量不随时间而变，且进出口处的质量流量相等。2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系p 稳定开口系开口系内任意一点的工质，其状态参数不随时间变化的流动过程称为稳定流动，此系统称为稳定开口系。可概括为：系统与外界进行物质和能量交换不随时间变化。2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系p 一般开口系一般开口系是指控制体积可膨胀的、空间各点参数随时间而变
14、的非稳定流动系统，是最普遍的热力系。闭口系和稳定流动系是它的特殊情况，工程上的充气、抽气、容器泄漏以及热机启动和停机阶段，都是一般开口系。2.开口系的能量类型有那些？p储存能：外部储存能(动能和势能)、内能p迁移能：功，热功的类型很多，与本课程关系密切的功有：p体积变化功(膨胀功)p轴功p推动功和流动功p技术功2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系p体积变化功(膨胀功)W2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系系统体积变化（膨胀或压缩）所做的功称为体积变化功。由于热能与机械能的可逆转换总是和工质的膨胀和压缩联系在一起的，所以体积变化功是
15、热变功的源泉，而体积变化功和其它能量形式间的关系，则属于机械能的转换。Vp12dvdx2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系p推动功和流动功Wf开口系因工质流动而传递的功称为推动功。相当于一假想的活塞为把前方的工质推进或推出系统所作的功pV，此量随工质进入或离开系统而成为带入或带出系统的能量。工质在流动时，总是从后面获得推动功，而对前面作出推动功，进出质量的推动功之差称为流动功。2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系pVWf=psf=pV wf =pvV 流动功是由外界对流体所做的功，然后转化为流动工质所携带的能量，因而静止的流体不存
16、在流动功，此时PV仅是P和V的乘积，不表示Wf.2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系p轴功Ws系统通过轴与外界交换的功量称为轴功。2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系p技术功Wt技术上可以利用的功称为技术功，它是稳定流动系统动能、势能的变化量和轴功三项之和。2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系如果过程可逆，则技术功:12pvpdvvdp 在稳定流动中，工质所做的膨胀功是总源泉，一部分用于维持工质流动所需的流动功，一部分用于工质的宏观动能和重力位能，其余部分作为热力设备输出的轴功。系统可逆时2-4 热
17、力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系流动功:Wf =p2V2-p1V1轴功:技术功:W=-Vdp体积变化功:W=pdV2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 注意掌握可逆过程中容积变化功、流动功、技术功的区别和联系。3.开口系能量方程p稳定开口系能量方程p一般开口系能量方程2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系p稳定开口系能量方程2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系（1）焓 对于流动的流体，具有下面能量：+mcf2
18、/2+mgzU+pVH=U+pV 单位:J,kJ 单位质量:h=u+pv 单位:J/kg,kJ/kg2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系 焓是状态参数，是在研究流动能量方程中，为工程应用方便而引出的。同内能一样，无法测定焓的绝对值，热工计算中关心的是两个状态间焓的变化量。（2）能量方程2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系U1+p1V1H1,mcf12/2,mgz1U2+p2V2H2,mcf22/2,mgz2QWH1,mcf12/2,mgz1H2,mcf22/2,mgz2QW2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于
19、开口热力系单位质量:2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系如果忽略动能和势能的变化:如果这个过程再是可逆的:这个方程是热力学第一定律的另外一种表述形式。2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系例:空气在某压气机中被压缩。压缩前空气的参数是p1=0.1MPa,v1=0.845m3/kg;压缩后的参数是p2=0.8MPa,v2=0.175m3/kg。假定在压缩的过程中，1kg空气的热力学能增加146kJ,同时向外放出热50kJ。求：（1）压缩过程中对每公斤气体所作的功；（2）每生产1kg的压缩气体所需的功；1122压气机进、排气进气压气排气
20、压气机的三个过程：压气机压气稳定流动过程举例答案（1）-196kJ/kg,(2)-251.5kJ/kg注意:容积功和技术功的区别!3.开口系能量方程p稳定开口系能量方程p一般开口系能量方程2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系WInlet flows(mi)Out flows(mj)Q12 iOpen system12jEsys2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系p一般开口系能量方程Closed and stationary system:Q=U+WSteady flow system:Q=H+WtGeneral open syst
21、em:Closed system:Q=E+W Ein Eout =Esys2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系闭口系和开口系的比较 QinQoutWinWoutClosed system2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系QinQoutWinWoutopen systemEinEout2-4 热力学第一定律应用于开口热力系热力学第一定律应用于开口热力系1.p-v 图12pvpdvvdpWWt12pv(1)过程2-5 功和热量在功和热量在P-v and T-s图上的表示图上的表示1.p-v 图(2)循环vpW0ab2-5 功和热量在
22、功和热量在P-v and T-s图上的表示图上的表示2.熵S熵是个状态参数。它的表达式为:熵可以认为是衡量分子无序程度的一个参数。2-5 功和热量在功和热量在P-v and T-s图上的表示图上的表示3.T-s 图 q12Ts(1)过程v(2)循环Ts q0=w02-5 功和热量在功和热量在P-v and T-s图上的表示图上的表示2-5 功和热量在功和热量在P-v and T-s图上的表示图上的表示 例1：1kg气体经历了如下图所示的循环，A到B为直线变化过程，B到C为定容过程，C到A为定压过程。求循环的净功量。如果循环为A-C-B-A，则净功量有何变化？pvA(p1,v1)B(p2,v2)
23、C(p1,v2)2-5 功和热量在功和热量在P-v and T-s图上的表示图上的表示 例2：p21思考题2-31.发动机a).叶轮式发动机:Ein-Eout=Esystem=0 z1=z2,cf1=cf2 Ws=H2-H1 U1+p1V1H1,mcf12/2,mgz1U2+p2V2H2 mcf22/2,mgz2QWsQ0=0=02-6 热力学第一定律工程应用热力学第一定律工程应用b).活塞式发动机:Wt=H2-H1+Q=(U+pV)2-(U+pV)1+QQWtH1H2Ek1,Ep10Ek2,Ep102-6 热力学第一定律工程应用热力学第一定律工程应用2.压气机 Energy equation
24、:Wc=-Wt=H2-H1WcH1H2Ek1,Ep10Ek1,Ep10Q02-6 热力学第一定律工程应用热力学第一定律工程应用3.混合管 能量方程:m1h1+m2h2-m3h3=0Cold water:m1h1hot water:m2h2Mixing water:m3h32-6 热力学第一定律工程应用热力学第一定律工程应用4.换热器 能量方程:m1h1mhm3h3m4h4m5h5m6h6(m1h1+m2h2+m3h3)-(m4h4+m5h5+m6h6)=02-6 热力学第一定律工程应用热力学第一定律工程应用5.节流阀 能量方程:h1-h2=0h1h22-6 热力学第一定律工程应用热力学第一定律工程应用P22 习题2-3.（将第1问的“如果”改为“工质”）。作作 业业