第二章熱力學(xué)第一定律

1、第二章第二章 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律2-1 2-1 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 能量守恒和轉(zhuǎn)換定律在工程熱力學(xué)中的應(yīng)用。能量守恒和轉(zhuǎn)換定律在工程熱力學(xué)中的應(yīng)用。 能量守恒和轉(zhuǎn)換定律能量守恒和轉(zhuǎn)換定律能量是可以相互轉(zhuǎn)換的，且轉(zhuǎn)換能量是可以相互轉(zhuǎn)換的，且轉(zhuǎn)換前后的總量保持不變。前后的總量保持不變。 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律熱能與機(jī)械能是可以相互轉(zhuǎn)換的，且熱能與機(jī)械能是可以相互轉(zhuǎn)換的，且轉(zhuǎn)換前后的總量保持不變。轉(zhuǎn)換前后的總量保持不變。 不消耗能量而能對(duì)外連續(xù)作功的不消耗能量而能對(duì)外連續(xù)作功的第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)的。WQwq 系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)熱力循環(huán)后，它所接受的

2、凈熱量轉(zhuǎn)換為對(duì)系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)熱力循環(huán)后，它所接受的凈熱量轉(zhuǎn)換為對(duì)外所作的凈功。即：外所作的凈功。即：Chapter 2 The first Law of Thermodynamics第二章 熱力學(xué)第一定律2關(guān)于永動(dòng)機(jī)問(wèn)題的思考關(guān)于永動(dòng)機(jī)問(wèn)題的思考 各種永動(dòng)機(jī)問(wèn)題長(zhǎng)期困擾著科技界與社會(huì)各種永動(dòng)機(jī)問(wèn)題長(zhǎng)期困擾著科技界與社會(huì) 第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)不消耗能量而能對(duì)外連續(xù)作功的機(jī)器。不消耗能量而能對(duì)外連續(xù)作功的機(jī)器。 第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)從單一熱源取熱，并將其全部轉(zhuǎn)變機(jī)械功從單一熱源取熱，并將其全部轉(zhuǎn)變機(jī)械功的機(jī)器（或：熱效率等于的機(jī)器（或：熱效率等于100%的機(jī)器）的機(jī)器） 有關(guān)問(wèn)題在第五章中有

3、關(guān)問(wèn)題在第五章中將詳細(xì)討論將詳細(xì)討論 。 長(zhǎng)期以來(lái)一直有人在追求、研究各種形式的永動(dòng)機(jī)，無(wú)一長(zhǎng)期以來(lái)一直有人在追求、研究各種形式的永動(dòng)機(jī)，無(wú)一有所收獲。有所收獲。 希望同學(xué)們樹(shù)立正確的思想方法，不要誤入歧途。希望同學(xué)們樹(shù)立正確的思想方法，不要誤入歧途。幾個(gè)永動(dòng)機(jī)的例子：幾個(gè)永動(dòng)機(jī)的例子：第二章 熱力學(xué)第一定律3壓力容器壓力容器壓氣機(jī)壓氣機(jī)從大氣中取氣從大氣中取氣取回部分功量取回部分功量驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)wp大氣機(jī)大氣機(jī)第二章 熱力學(xué)第一定律4？機(jī)？機(jī)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)水分解裝置水分解裝置取回部分功量驅(qū)動(dòng)水分解取回部分功量驅(qū)動(dòng)水分解裝置裝置wH2水水某人的永動(dòng)機(jī)構(gòu)思某人的永動(dòng)機(jī)構(gòu)思第二章 熱

4、力學(xué)第一定律5課后作業(yè)（小論文，兩個(gè)題目選一）課后作業(yè)（小論文，兩個(gè)題目選一） 收集一個(gè)或兩個(gè)永動(dòng)機(jī)例子，說(shuō)明其收集一個(gè)或兩個(gè)永動(dòng)機(jī)例子，說(shuō)明其“設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)思想和原理原理”，分析其錯(cuò)誤所在，談?wù)勊斐捎绊懞臀：Α?，分析其錯(cuò)誤所在，談?wù)勊斐捎绊懞臀：Α?在閱讀有關(guān)永動(dòng)機(jī)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，寫(xiě)出一篇關(guān)于永在閱讀有關(guān)永動(dòng)機(jī)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，寫(xiě)出一篇關(guān)于永動(dòng)機(jī)問(wèn)題的小綜述報(bào)告。動(dòng)機(jī)問(wèn)題的小綜述報(bào)告。 通過(guò)這樣一個(gè)活動(dòng)，深刻理解永動(dòng)機(jī)的危害，進(jìn)一步通過(guò)這樣一個(gè)活動(dòng)，深刻理解永動(dòng)機(jī)的危害，進(jìn)一步樹(shù)立正確的、科學(xué)的思想方法。樹(shù)立正確的、科學(xué)的思想方法。2-2 閉口系統(tǒng)能量方程式閉口系統(tǒng)能量方程式 能量方程式

5、能量方程式熱力過(guò)程中，系統(tǒng)與外界交換的能量及系統(tǒng)本熱力過(guò)程中，系統(tǒng)與外界交換的能量及系統(tǒng)本身總能量之間的關(guān)系式。身總能量之間的關(guān)系式。 熱力學(xué)能熱力學(xué)能U/J：系統(tǒng)內(nèi)部各種形式能量的總和。包括：系統(tǒng)內(nèi)部各種形式能量的總和。包括： 內(nèi)部動(dòng)能內(nèi)部動(dòng)能包括分子的移動(dòng)動(dòng)能、轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，分子中原子包括分子的移動(dòng)動(dòng)能、轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，分子中原子的振動(dòng)動(dòng)能，溫度越高，內(nèi)部動(dòng)能越大。的振動(dòng)動(dòng)能，溫度越高，內(nèi)部動(dòng)能越大。 內(nèi)部位能內(nèi)部位能由分子間相互作用力形成。大小取決于分子件由分子間相互作用力形成。大小取決于分子件的距離。的距離。 化學(xué)能、原子能等?；瘜W(xué)能、原子能等。 在沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)、核反應(yīng)的物理過(guò)程中，熱力學(xué)能的變

6、化在沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)、核反應(yīng)的物理過(guò)程中，熱力學(xué)能的變化只包括內(nèi)部動(dòng)能和內(nèi)部位能的變化。只包括內(nèi)部動(dòng)能和內(nèi)部位能的變化。 熱力學(xué)能是個(gè)狀態(tài)參數(shù)。熱力學(xué)能是個(gè)狀態(tài)參數(shù)。The energy equation for Control Mass第二章 熱力學(xué)第一定律7 比熱力學(xué)能比熱力學(xué)能u/(J/kg)：mUu 系統(tǒng)的總能量系統(tǒng)的總能量E/J：UEEEpk),(1vpuu ),(2Tvuu ),(3Tpuu 比熱力學(xué)能可由任意兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)確定：比熱力學(xué)能可由任意兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)確定：宏觀(guān)動(dòng)能宏觀(guān)位能 閉口系統(tǒng)與外界間可能發(fā)生的能量交換：閉口系統(tǒng)與外界間可能發(fā)生的能量交換：熱量熱量和和功量功量 一般不作整體

7、位移一般不作整體位移，Ek與與Ep的變化均為零，因此與外界交的變化均為零，因此與外界交換能量（功量換能量（功量W、熱量熱量Q）的結(jié)果只是導(dǎo)致熱力學(xué)能的結(jié)果只是導(dǎo)致熱力學(xué)能U 的變化。的變化。WQUd對(duì)于熱力過(guò)程對(duì)于熱力過(guò)程1-2,1-2,有：有：211221)(WUUQ對(duì)對(duì)1kg工質(zhì)，有工質(zhì)，有：wuq d211221)(wuuq 式中各項(xiàng)的正負(fù)號(hào)規(guī)定為：系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負(fù)；式中各項(xiàng)的正負(fù)號(hào)規(guī)定為：系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負(fù)；系統(tǒng)對(duì)外作功為正，外界對(duì)系統(tǒng)作功為負(fù)。系統(tǒng)對(duì)外作功為正，外界對(duì)系統(tǒng)作功為負(fù)。 上式既適用于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，也適用于非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。上式既適用于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，也適用于非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。

8、對(duì)于微元過(guò)程，有：對(duì)于微元過(guò)程，有：WUQd即：即：對(duì)于對(duì)于無(wú)耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程無(wú)耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，vpwd因此上述諸式可寫(xiě)為：因此上述諸式可寫(xiě)為：VpUQdd211221d)(VpUUQvpuqdd 211221d)(vpuuq對(duì)對(duì)1kg工質(zhì)，有工質(zhì)，有：211221)(WUUQWUQdwuq d211221)(wuuq2-3 2-3 開(kāi)口系統(tǒng)能量方程開(kāi)口系統(tǒng)能量方程物理模型物理模型 physics modelThe energy equation for Control VolumesTime 0Time 0 d引起系統(tǒng)內(nèi)部能量變化的原因：質(zhì)量交換和能量交換。引起系統(tǒng)內(nèi)部能量變化的原因：質(zhì)量

9、交換和能量交換。經(jīng)歷經(jīng)歷d時(shí)間后，系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量變化：時(shí)間后，系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量變化：21dmmm由此可得：由此可得：dddd21mmmm2m1ddqqm 該式稱(chēng)為連續(xù)性方程式，它說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)開(kāi)口系統(tǒng)中工該式稱(chēng)為連續(xù)性方程式，它說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)開(kāi)口系統(tǒng)中工質(zhì)質(zhì)量增加的數(shù)量等于流入和流出系統(tǒng)的流量之差。質(zhì)質(zhì)量增加的數(shù)量等于流入和流出系統(tǒng)的流量之差。 能量交換的情況：加入系統(tǒng)的能量交換的情況：加入系統(tǒng)的熱量熱量： 系統(tǒng)對(duì)外所作的系統(tǒng)對(duì)外所作的軸功軸功：QsW推動(dòng)功推動(dòng)功推動(dòng)工質(zhì)流入、流出系統(tǒng)所消耗的功量推動(dòng)工質(zhì)流入、流出系統(tǒng)所消耗的功量1111111)(dmvpAdVApxFi出口截面處，系統(tǒng)為推動(dòng)微元工

10、質(zhì)流出系統(tǒng)消耗的推動(dòng)功為：出口截面處，系統(tǒng)為推動(dòng)微元工質(zhì)流出系統(tǒng)消耗的推動(dòng)功為： 222mvp于是開(kāi)口系統(tǒng)對(duì)外界輸出的于是開(kāi)口系統(tǒng)對(duì)外界輸出的凈推動(dòng)功凈推動(dòng)功為：為：111222mvpmvp 過(guò)程中流入、流出系統(tǒng)的過(guò)程中流入、流出系統(tǒng)的工質(zhì)所帶入系統(tǒng)的凈能量工質(zhì)所帶入系統(tǒng)的凈能量為為 ：2211meme入口截面處，外界推動(dòng)工質(zhì)流入系統(tǒng)所消耗的入口截面處，外界推動(dòng)工質(zhì)流入系統(tǒng)所消耗的推動(dòng)功推動(dòng)功：111mvp（外界對(duì)系統(tǒng)作功）（外界對(duì)系統(tǒng)作功）（系統(tǒng)對(duì)外界作功）（系統(tǒng)對(duì)外界作功）由上述各項(xiàng)能量，可以得到開(kāi)口系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系為由上述各項(xiàng)能量，可以得到開(kāi)口系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系為 ：)()(d2211

11、111222smememvpmvpWQE因：因：2fk21ce gze p而而:以及：以及：將其代入上述開(kāi)口系統(tǒng)能量方程式，即有：將其代入上述開(kāi)口系統(tǒng)能量方程式，即有：)21(d2222f222vpgzcumEQs1112f111)21(Wvpgzcum)21(dd2222f22m2vpgzcuqEQs1112f11m1)21(Pvpgzcuq（2-6a）ueeepk2-4 2-4 穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式The energy equation for steady and uniform flow一般情況下，能量轉(zhuǎn)換裝置都是在穩(wěn)定條件下工作的。一般情況下，能量轉(zhuǎn)換

12、裝置都是在穩(wěn)定條件下工作的。穩(wěn)定狀態(tài)：各點(diǎn)的狀態(tài)不隨時(shí)間變化；穩(wěn)定狀態(tài)：各點(diǎn)的狀態(tài)不隨時(shí)間變化；穩(wěn)定流動(dòng)：系統(tǒng)內(nèi)各處及進(jìn)出口截面，工質(zhì)的流量和流速不變。穩(wěn)定流動(dòng)：系統(tǒng)內(nèi)各處及進(jìn)出口截面，工質(zhì)的流量和流速不變。 系統(tǒng)與外界交換的熱量和功量穩(wěn)定不變。系統(tǒng)與外界交換的熱量和功量穩(wěn)定不變。Constm2m1mqqq0ddm2m1qqm過(guò)程特點(diǎn)：過(guò)程特點(diǎn)：Characteristic:0ddE第二章 熱力學(xué)第一定律15將其代入式將其代入式（2-6a）：s122f12f2112222m)()(21)()(PzzgccvpvpuuqQ取取mqQqmssqPw s122f12f2112222)()(21)()

13、(wzzgccvpvpuuq有有)21(dd2222f22m2vpgzcuqEQs1112f11m1)21(Pvpgzcuq令令pvuhpVUpummhH)(則有則有s122f12f222)()(21)(wzzgcchhq將其稱(chēng)為焓，也是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)將其稱(chēng)為焓，也是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)：),(1vphh ),(2Tvhh ),(3Tphh 焓并不能看作是工質(zhì)儲(chǔ)存的能量，而是焓并不能看作是工質(zhì)儲(chǔ)存的能量，而是隨工質(zhì)流動(dòng)跨越邊界而轉(zhuǎn)移的能量。熱力學(xué)隨工質(zhì)流動(dòng)跨越邊界而轉(zhuǎn)移的能量。熱力學(xué)能則是工質(zhì)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的唯一形式。能則是工質(zhì)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的唯一形式。mhmpvmudU0由由vpuqdd pvuh，有：有

14、：vppvhvph-pvqd)(ddd)d(即即pvhqdd 熱力學(xué)第一定律的另一主要形式熱力學(xué)第一定律的另一主要形式。2-5 2-5 軸功軸功 Shaft Work112212svpvpuuqw1221f22f21zzgcc2112dvpwuuq112221sdvpvpvpw1221f22f21zzgcc 由穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式，可得到軸功與其他形式能量由穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式，可得到軸功與其他形式能量之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為：由：由：可得：可得：上式說(shuō)明：穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程中開(kāi)口系統(tǒng)所作上式說(shuō)明：穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程中開(kāi)口系統(tǒng)所作軸功軸功，是工質(zhì)的容，是工質(zhì)的容積變化功，在扣除了凈推動(dòng)功以及增加的流動(dòng)動(dòng)能、

15、重力位積變化功，在扣除了凈推動(dòng)功以及增加的流動(dòng)動(dòng)能、重力位能之后，通過(guò)邊界輸出的功。能之后，通過(guò)邊界輸出的功?？赡孢^(guò)程可逆過(guò)程技術(shù)功技術(shù)功wt工程上可以直接利用的機(jī)械能工程上可以直接利用的機(jī)械能s1221f22ft21wzzgccw將軸功的表達(dá)式代入上式，即有：將軸功的表達(dá)式代入上式，即有：21112221tddpvvpvpvpw忽略宏觀(guān)動(dòng)能和位能，則有忽略宏觀(guān)動(dòng)能和位能，則有tSww 由上式可知，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的技術(shù)由上式可知，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的技術(shù)功的大小可用過(guò)程線(xiàn)左邊的面積來(lái)表功的大小可用過(guò)程線(xiàn)左邊的面積來(lái)表示。示。212121)(vdppdvpvd2-6 2-6 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式應(yīng)用舉例穩(wěn)定流

16、動(dòng)能量方程式應(yīng)用舉例一、加熱器或冷卻器一、加熱器或冷卻器 heat exchanger二、渦輪機(jī)或壓氣機(jī)二、渦輪機(jī)或壓氣機(jī) Turbines, compressors and pumps特點(diǎn)：特點(diǎn)：0swf1f2cc 12zz 12hhq0qf1f2cc 12zz 21shhw特點(diǎn)：特點(diǎn)：所以有：所以有：所以有：所以有：s122f12f222)()(21)(wzzgcchhqApplication of the energy equation of steady and uniform flow三、噴管三、噴管Nozzles and Diffusers四、絕熱節(jié)流四、絕熱節(jié)流 Throttli

17、ng Devices(adiabatic process)0sw0q0q0sw12zz f1f2cc 所以有：所以有：)(212f12f221cchh12hh 特點(diǎn)：特點(diǎn)：特點(diǎn)：特點(diǎn)：所以有：所以有：s122f12f222)()(21)(wzzgcchhq12zz 2-1 2-1 試說(shuō)明熱力學(xué)能的定義及其物理意義。試說(shuō)明熱力學(xué)能的定義及其物理意義。 2-2 2-2 按照熱力學(xué)第一定律能量方程式按照熱力學(xué)第一定律能量方程式QUW設(shè)式中各項(xiàng)可任意改變其正負(fù)號(hào)，試說(shuō)明相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè)式中各項(xiàng)可任意改變其正負(fù)號(hào)，試說(shuō)明相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，并舉一二個(gè)實(shí)例。并舉一二個(gè)實(shí)例。 2-3 2-3 試說(shuō)明下

18、列三式的物理意義，試說(shuō)明下列三式的物理意義，dUW， dUpdV， dUd(pV)它們?nèi)呋蚱渲袃烧吒髟谑裁礂l件下可以彼此相等？它們?nèi)呋蚱渲袃烧吒髟谑裁礂l件下可以彼此相等？ 2-4 2-4 試說(shuō)明焓的定義及應(yīng)用于開(kāi)口系統(tǒng)時(shí)的物理意義。試說(shuō)明焓的定義及應(yīng)用于開(kāi)口系統(tǒng)時(shí)的物理意義。 2-5 2-5 何謂穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程？試分析該過(guò)程中工質(zhì)所經(jīng)何謂穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程？試分析該過(guò)程中工質(zhì)所經(jīng)歷的狀態(tài)變化過(guò)程，與閉口系統(tǒng)中工質(zhì)所經(jīng)歷的狀態(tài)變化過(guò)程的歷的狀態(tài)變化過(guò)程，與閉口系統(tǒng)中工質(zhì)所經(jīng)歷的狀態(tài)變化過(guò)程的相似之處。相似之處。思思 考考 題題第二章 熱力學(xué)第一定律22 2-6 2-6 一個(gè)充氣的玩具橡皮氣球放置于一真空容器中。若一個(gè)充氣的玩具橡皮氣球放置于一真空容器中。若氣球突然爆破，試分