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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 First law of thermodynamics21 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质2-2 热力学能和总能热力学能和总能23 热力学第一定律基本表达式热力学第一定律基本表达式24 稳定流动能量方程式的应用稳定流动能量方程式的应用121 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质一、第一定律的实质一、第一定律的实质 能量守恒与转换定律在热现象中的应用能量守恒与转换定律在热现象中的应用。能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律:自然界中一切物质都具有能量。能量既不可能被创自然界中一切物质都具有能量。能量既不可能被创造，也不可能被消灭，而只能从
2、一种形式转变成另一种造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变成另一种形式。在转换的过程中，能的总量保持不变。形式。在转换的过程中，能的总量保持不变。是十九世纪的三大发现之一，是辩证唯物主义的科学基础之一。是十九世纪的三大发现之一，是辩证唯物主义的科学基础之一。2二、第一定律的表述二、第一定律的表述 热是能的一种，机械能变热能，或热能变热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。机械能的时候，他们之间的比值是一定的。或：或：热可以变为功，功也可以变为热；一定量热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的热消失时必定产生相应量的功；消
3、耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。的功时，必出现与之相应量的热。不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不可能制造成功的。不可能制造成功的。322 热力学能和总能热力学能和总能一、热力学能一、热力学能(internal energy)Uch化学能化学能Unu原子核能原子核能UthUk 平移动能平移动能转动动能转动动能振动动能振动动能Up 在无化学反应及原子核反应的过程中，化学能和原子在无化学反应及原子核反应的过程中，化学能和原子核能都不变化，可以不考虑，热力学能的变化只是内位能核能都不变化，可以不考虑，热力学能的变化只是内位能和内动能的变化。和内动能的变
4、化。内位能内位能4热力学能的说明热力学能的说明 热力学能热力学能是状态量是状态量 state property U:广延参数广延参数 kJ u :比参数比参数 kJ/kg 比热力学能比热力学能 热力学能热力学能总以变化量出现，其总以变化量出现，其零点零点人为定人为定对于循环：对于循环：5二、外部储存能二、外部储存能（macroscopic forms of energy）外部储存能包括宏观动能和重力位能，它们的大外部储存能包括宏观动能和重力位能，它们的大小要借助在系统外的参考坐标系测得的参数来表示。小要借助在系统外的参考坐标系测得的参数来表示。2.重力位能：重力位能：Ep，单位为，单位为 J
5、或或 kJ 1.1.宏观动能宏观动能 ：Ek，单位为，单位为J或或kJ cf和和z是力学参数，处于同一热力状态的物体，选用不同的坐标系可是力学参数，处于同一热力状态的物体，选用不同的坐标系可以有不同的值，以有不同的值，cf和和z是独立于热力系统内部的参数。宏观动能和重力位是独立于热力系统内部的参数。宏观动能和重力位能是有序能（机械能）。能是有序能（机械能）。注意：注意：6总能总能热力学能，内部储存能热力学能，内部储存能外部储存能外部储存能宏观动能宏观动能重力位能重力位能三、总（储存）能三、总（储存）能(total stored energy of system)比总能比总能e e还可写成：还可
6、写成：723 热力学第一定律基本表达式热力学第一定律基本表达式对任何系统，各项能量之间的平衡关系可表示为：对任何系统，各项能量之间的平衡关系可表示为：加入系统的能量总和加入系统的能量总和热力系统输出的能量总和热力系统输出的能量总和=热力系总储存能的增量热力系总储存能的增量用热力学第一定律分析热力学问题的步骤：用热力学第一定律分析热力学问题的步骤：1.确定所研究的系统，建立坐标系；确定所研究的系统，建立坐标系；2.分析过程中系统本身的能量变化及与外界交换的能量；分析过程中系统本身的能量变化及与外界交换的能量；3.列出平衡方程；列出平衡方程；(包括能量的、质量的）包括能量的、质量的）4.求解。求解
7、。8一、一、闭口系统的热力学第一定律表达式闭口系统的热力学第一定律表达式 QWU对于微元过程：对于微元过程：取封闭气缸中的工质为研究对象，忽略系统动能和位能的取封闭气缸中的工质为研究对象，忽略系统动能和位能的变化，则：变化，则：根据能量平衡方程：根据能量平衡方程：热力学第一定律解析式热力学第一定律解析式9注意：注意：1.表达式中表达式中Q、W、U都是代数值，规定：系统吸热都是代数值，规定：系统吸热Q为正值，系统对为正值，系统对外作功外作功W为正，反之则为负。系统的热力学能增大时，为正，反之则为负。系统的热力学能增大时，U为正，反之为正，反之为负。为负。3.对于可逆过程：对于可逆过程：2.对于单
8、位质量工质：对于单位质量工质：4.4.对于单位质量工质可逆过程：对于单位质量工质可逆过程：5.5.动能位能变化不能忽略时：动能位能变化不能忽略时：106.6.对于循环过程：对于循环过程：7.7.热力学第一定律解析式的适用条件：热力学第一定律解析式的适用条件：闭口系统；闭口系统；任何工质；任何工质；任何过程任何过程11例例 自由膨胀自由膨胀如图，如图，解：取气体为热力系解：取气体为热力系 闭口系闭口系？开口系开口系？强调：强调：功是通过边界传递的能量。功是通过边界传递的能量。抽去隔板，求抽去隔板，求?12二、开口系统能量方程二、开口系统能量方程 工质流进（出）开口系统时，必将其本身所具有的各种工
9、质流进（出）开口系统时，必将其本身所具有的各种形式的能量，带入（出）开口系统。因此，开口系统除了形式的能量，带入（出）开口系统。因此，开口系统除了通过作功与传热的方式传递能量外，还可以借助物质的流通过作功与传热的方式传递能量外，还可以借助物质的流动来转移能量。动来转移能量。分析开口系统时，除了能量平衡外，还必须考虑分析开口系统时，除了能量平衡外，还必须考虑质量平衡质量平衡：进入系统的质量离开系统的质量系统质量的变化进入系统的质量离开系统的质量系统质量的变化131.推动功（推动功（Flow work）pApVl W推推=p A l=pV w推推=pv注意：注意：不是不是 pdv v 没有变化没有
10、变化 因工质出、入开口系统而传递的功，叫推动功推动功（推（推进功）进功）。14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，推动功不存在；有关，流动停止，推动功不存在；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，变化，无状态变化；无状态变化；3 3、w推推pv与所处状态有关，是与所处状态有关，是状态量；状态量；4 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外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，流动工质所界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量。携带的能量。可理解为：可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所
11、传由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种递的一种机械功机械功，表现为流动工质进出系统时所，表现为流动工质进出系统时所携携带带和所和所传递传递的一种的一种能量能量。152.稳定流动能量方程稳定流动能量方程(steady-flow energy equation)稳定流动特征稳定流动特征：注意：区分各截面间参数可不同。注意：区分各截面间参数可不同。1）各截面上参数不随时间变化。各截面上参数不随时间变化。2）ECV=0，SCV=0，mCV=0 3)3)系统与外界交换的能量不随时间变化。系统与外界交换的能量不随时间变化。16 设在设在时间段内有时间段内有m1千克工质流进系统，同时千克工质流进系统，
12、同时m2千克的工质流出系统。千克的工质流出系统。在在 时间段内进入系统的能量时间段内进入系统的能量 在在 时间段内离开系统的能量时间段内离开系统的能量 17根据热力学第一定律可得根据热力学第一定律可得：令令，h 称为称为比焓，单位比焓，单位J/kg。在在 时间段内系统的能量变化为：时间段内系统的能量变化为：18上式可整理成上式可整理成 令：令：，称为焓，单位，称为焓，单位J J，上式改成，上式改成对于单位质量工质，对于单位质量工质，以上两式称为以上两式称为开口系统的开口系统的稳定流动能量方程。稳定流动能量方程。注意注意m的意义的意义19注意：注意：q和和wi分别是分别是1kg工质进入系统后，系
13、统从外界吸入的工质进入系统后，系统从外界吸入的热量和在系统内部所作的功。除的热量和在系统内部所作的功。除的m不是系统的质量。不是系统的质量。对于式：对于式：对于微元过程对于微元过程 ，稳定流动能量方程写成稳定流动能量方程写成203.焓焓焓焓：H=U+pV ，单位：J或kJ比焓比焓：h=u+pv ，单位：J/kg或kJ/kg注意：注意：（1 1）无论对于流动工质还是不流动工质，）无论对于流动工质还是不流动工质，比焓比焓都是都是状态参数；状态参数；（2 2）对对于于流流动动工工质质，推推动动功功等等于于pv，比比焓焓表表示示单单位位质质量量工工质质沿沿流流动动方方向向前传递的总能量中取决于热力状态
14、的部分向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分 ；（3 3）对对于于不不流流动动工工质质，不不存存在在推推动动功功，比比焓焓也也不不表表示示能能量量，仅仅是是状状态参数态参数。（4 4）工工程程上上一一般般只只需需要要计计算算工工质质经经历历某某一一过过程程后后焓焓的的变变化化量量，而而不不是是其绝对值，所以焓值的零点可人为地规定。其绝对值，所以焓值的零点可人为地规定。都是状态参数都是状态参数21 定定义义：在在工工程程热热力力学学中中，将将工工程程技技术术上上可可以以直直接接利利用用的的动动能能差差、位位能能差差及及轴轴功功三三项项之之和和称称为为技技术术功功，用用Wt 表示表示 对于单位质
15、量工质对于单位质量工质，4.4.技术功技术功(technical work)22开口系统的稳定流动能量方程式可改写为开口系统的稳定流动能量方程式可改写为 对于微元过程对于微元过程 ，对对于于开开口口系系统统的的稳稳定定流流动动过过程程，系系统统内内各各点点的的状状态态都都不不随随时时间间而而变变化化，所所以以可可以以将将质质量量为为 m 的的工工质作为闭口系统来研究质作为闭口系统来研究。23 可可以以假假定定质质量量为为m的的工工质质从从进进口口截截面面处处的的状状态态1变变化化到到出出口口截截面面处处的的状状态态2，从从外外界界吸吸收收了了热热量量Q,作作了膨胀功了膨胀功W 。根据闭口系统的
16、热力学第一定律表达式根据闭口系统的热力学第一定律表达式推动功之差膨胀功技术功对比式：对比式：可得可得24对可逆过程，对可逆过程，上式可改写为上式可改写为 式式中中，v 恒恒为为正正值值，负负号号表表示示技技术术功功的的正正负负与与dp 相反。相反。25将上式代入开口系统的稳定流动能量方程式将上式代入开口系统的稳定流动能量方程式可得可得（适用于一般过程）（适用于一般过程）（适用于可逆过程）（适用于可逆过程）对于微元可逆过程，对于微元可逆过程，技术功的图形表示技术功的图形表示265.5.开口系统能量方程的一般表达式开口系统能量方程的一般表达式 设在微元时间段设在微元时间段d内，进入控制容积的质量为
17、内，进入控制容积的质量为m1，离开的为，离开的为m2，吸收热量，吸收热量Q，对外作功，对外作功Wi，控制容积系统总储存能变化为控制容积系统总储存能变化为dECV。27根据能量平衡方程：根据能量平衡方程：整理后得：整理后得：上式为开口系统能量方程的一般表达式上式为开口系统能量方程的一般表达式注意：注意：dEcv包括由于系统内质量变化和系统与外界能量交换变化而引起的变化两部分。28等式两边同除以等式两边同除以d，令：，令：分别表示单位时间内的热流量、进出口质量流量及内分别表示单位时间内的热流量、进出口质量流量及内部功量，称为热流率、质流率、内部功率。部功量，称为热流率、质流率、内部功率。开口系统能
18、量方程的一般表达式变为：开口系统能量方程的一般表达式变为：注意：单位为注意：单位为W或或J/s29如果流出、流入控制容积的工质各有若干股，则：如果流出、流入控制容积的工质各有若干股，则：302-4 稳定流动能量方程式的应用稳定流动能量方程式的应用1.1.蒸汽轮机、气轮机蒸汽轮机、气轮机(steam turbine、gas turbine)流进系统：流进系统：流出系统：流出系统：内部储能增量：内部储能增量：0 0忽略动能差和位能差，方程为：忽略动能差和位能差，方程为：312.压气机，水泵类压气机，水泵类(compressor，pump)流入流入流出流出内部贮能增量：内部贮能增量：0 0方程为：方
19、程为：注意注意wt的正负号的正负号323.换热器（锅炉、加热器等）换热器（锅炉、加热器等）(heat exchanger:boiler、heater etc.)33 流入：流入：流出：流出：系统内增加：系统内增加：0 0若忽略动能差、位能差，方程为：若忽略动能差、位能差，方程为：与外界无功和热量交换与外界无功和热量交换344.管内流动管内流动流入：流入：流出：流出：内部增量：内部增量：0 0方程为：方程为：与外界无热量和功的交换与外界无热量和功的交换355.5.绝热节流绝热节流绝热节流过程，前后绝热节流过程，前后h不变不变，但，但h不是处处相等不是处处相等h1h2没有作功部件没有作功部件绝热绝热36