熱力學(xué)第02章第一定律

1、上節(jié)課內(nèi)容回顧能量，熱能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化，對媒介工質(zhì)的要求，熱源，熱力系統(tǒng)。開口系，閉口系，絕熱系，工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)（P, T, V）, 測量方法平衡狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖， pv，pt，ts，th, ph圖準(zhǔn)平衡過程可在 狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上用連續(xù)實(shí)線表示微元功dVpAdxpFdxWextext)(extp折合壓力xp上節(jié)課內(nèi)容回顧過程功 dVpWW21ext2121可逆功212112nm1pdVW面積正向循環(huán)(direct cycle) 熱動力循環(huán)(power cycle)在p-v圖上和T-s圖上為順時針方向進(jìn)行正向循環(huán)：系統(tǒng)凈吸熱，對外作凈功。上節(jié)課內(nèi)容回顧循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性用熱效率第二章 熱力學(xué)第一定律

2、the first law of thermodynamics自然界所發(fā)生的一切運(yùn)動都伴隨著能量的變化太陽能，植物的生物能，人和動物的能量，電能，風(fēng)能，存儲在石油里的能量等等。能量發(fā)生了轉(zhuǎn)換不存在的永動機(jī)永動機(jī)是一類不需外界輸入能源、能量或在僅有一個熱源的條件下便能夠不斷運(yùn)動并且對外做功的機(jī)械。1.不消耗能量而能永遠(yuǎn)對外做功的機(jī)器，為“第一類永動機(jī)”2.在沒有溫度差的情況下，從自然界中的海水或空氣中不斷吸取熱量而使之連續(xù)地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)器，為“第二類永動機(jī)”19世紀(jì)中葉，能量守恒定律已經(jīng)確立。永動機(jī)不可能存在。能量只能轉(zhuǎn)換，而不能憑空產(chǎn)生一個耗電200w的電爐子的散熱效果和兩個100w的加熱

3、棒對房間的加熱效果是一樣的第二章 熱力學(xué)第一定律the first law of thermodynamics2-1 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)：能量傳遞和形態(tài)轉(zhuǎn)化以及總量的守恒。（在工程熱力學(xué)的研究范圍內(nèi)，主要考慮的是熱能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化和守恒的規(guī)律）熱力學(xué)第一定律是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。第一類永動機(jī)迄今都不存在，而且由第一定律所得出的一切推論都和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相符，可以充分說明它的正確性。第一類永動機(jī)（不消耗能量而作功）是不可能造出來的。2-2 熱力學(xué)能和總能QW放吸凈吸熱：QQQ外系凈作功：WWWdU內(nèi)能變化：dUdUWQ”表狀態(tài)量（參數(shù)）”表示過程量，“注意：“d0dU)WQ(pkpkeeue

4、EEUE內(nèi)部儲存能；U有關(guān)。外部儲存能，與參照系宏觀內(nèi)能宏觀動能pkp2f21kEE);mgz(E);mc(E總能EgzcuemgzmcUE2f212f21；2-3 能量的傳遞和轉(zhuǎn)化氣缸中工質(zhì)膨脹對活塞做功，只有通過活塞的宏觀位移，做功才有可能實(shí)現(xiàn)。如果位移停止，那么做功也就停止了。做功的結(jié)果是，工質(zhì)把一部分能量傳遞給了活塞，成為活塞的動能。同時，工質(zhì)的能量就減少了于此完全相應(yīng)的一個數(shù)量。可見，做功過程往往伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化。2-3 能量的傳遞和轉(zhuǎn)化pdVWx活塞右移，工質(zhì)進(jìn)入氣缸。實(shí)質(zhì)是外界壓力p把工質(zhì)壓入氣缸，故推動功為：p，vmpvpVxpA推動功作用在質(zhì)量m上。m被推入系統(tǒng)內(nèi)，所以推

5、動功隨質(zhì)量m一起進(jìn)入系統(tǒng)。推動功的意義：工質(zhì)m流入系統(tǒng)所帶入的功(外界對系統(tǒng)作功)； 工質(zhì)m流出系統(tǒng)所帶出的功(系統(tǒng)對外界作功)。2.推動功(flow work; flow energy)：推動工質(zhì)移動所作的功；或因工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動而傳遞的功。x如果工質(zhì)在傳遞推動功的時候沒有熱力狀態(tài)的變化，當(dāng)然也不會有能量形態(tài)的變化。此時工質(zhì)所起的作用只是單純的運(yùn)輸能量，就像傳送帶一樣，把這部分推動功傳遞到其他地方。p，v2.推動功(flow work; flow energy)：推動工質(zhì)移動所作的功；或因工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動而傳遞的功。pvpv1kg工質(zhì)的推動功=pv3. 流動功(flow work;

6、flow energy)：入口1出口2)pV(VpVpW1122f意義：維持開口系流動，工質(zhì)所作的功；出口和進(jìn)口推動功之差便是流動功。開口系統(tǒng)3. 流動功(flow work; flow energy)：入口1出口2注：如需要考慮工質(zhì)的動能和位能變化，還應(yīng)該計(jì)算動能差和位能差假如工質(zhì)從狀態(tài)1到狀態(tài)2做膨脹功是w。那么在不考慮工質(zhì)宏觀動能和位能變化時，開口系和外界交換的功量是膨脹功與流動功的差值：開口系統(tǒng)流動功膨脹功 -)vpvp(WW1122t21pdVWf1122WVpVp212121tVdp)pV(dpdV)pV(WW2-4 焓(enthalpy)2-4 焓(enthalpy)mgzmc2

7、1HE2fWdQ2-5 熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式QWWdEQWdUQdUdEtWdHQ212121tVdp)pV(dpdV)pV(WWWdUQ功的基本表達(dá)式功的基本表達(dá)式第一定律第一解析式第一定律第一解析式 熱熱ddQUWQUWquwquw 1）對于可逆過程ddQUp V2）對于循環(huán)3）對于一定量的工質(zhì)，吸熱與升溫關(guān)系，還取決于W的 “+”，“”和大小。netnetWQWdUQ練習(xí)題1p=0.2Mpa解：由題意，取氣缸內(nèi)氣體為系統(tǒng)由于過程可逆，而且壓力為常數(shù)，所以：這是一個閉口系統(tǒng)，能量方程為由題意因此Q=12000J + 100000J = 112000J也就是過程中氣體自外界吸熱11

8、2000Jp=0.2Mpa氣體對外界做功，一部分用于排斥活塞背面的大氣，另一部分轉(zhuǎn)變成活塞的動能增量排斥活塞背面的大氣所做的功是用于增加活塞動能的功是，氣體對外做的功 排斥大氣的功用于增加活塞動能的功是，氣體對外做的功 排斥大氣的功可得活塞終速度p=0.2Mpa上節(jié)課內(nèi)容回顧能量的不同性質(zhì)，熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)：能量傳遞和形態(tài)轉(zhuǎn)化以及總量的守恒能量有：內(nèi)能U （分子動能，分子勢能），是狀態(tài)參數(shù) 總能E= U +Ek + Ep 內(nèi)能+機(jī)械能能量從一個物體傳遞到另一個物體的方法：做功（位移） 和 傳熱上節(jié)課內(nèi)容回顧介紹了幾種功：體積功（膨脹功）推動功流動功 開口系和外界交換

9、的功量是膨脹功與流動功的差值：技術(shù)功技術(shù)功的意義：是開系對外界作的功pdVWmpvpVxpAppv1kg工質(zhì)的推動功=pv)pV(VpVpW1122f流動功膨脹功 -)vpvp(WW1122t上節(jié)課內(nèi)容回顧技術(shù)功流動功膨脹功 -)vpvp(WW1122t212121tVdp)pV(dpdV)pV(WW定義 焓 mgzmc21HE2f上節(jié)課內(nèi)容回顧tWdHQWdUQ功的基本表達(dá)式功的基本表達(dá)式第一定律第一解析式第一定律第一解析式 熱熱ddQUWQUWquwquw 1）對于可逆過程ddQUp V2）對于循環(huán)netnetWQWdUQ上節(jié)課內(nèi)容回顧2-6 開口系統(tǒng)能量方程1dm2dm11Vp22VpQ

10、iWsWCVW,dm1,dm2112f11p1k111)dmgzc21h( )EEH(ddE流入物：222f222dm)gzc21h(dE流出物：fCVsiWWWW作功：CVdEi112f11222f22CVWdm)gzc21h(dm)gzc21h(dEQim112f1m222f22CVPq)gzc21h(q)gzc21h(ddEmq穩(wěn)定流動特征：1）各截面上參數(shù)不隨時間變化。2）ECV=0， SCV=0， mCV= mm2m1CVqqq0ddE；mQq令：mWiwii2fWzmgmc21HQi2fWmgdzmdc21dHQ)A.(w)zz(g)cc (21)hh(qi122f12f212i2

11、fwgdzdc21dhqi2fw(pv)zgc21uqtw)zz(g)cc (21ww122f12f2it)vpvp(ww1122t的關(guān)系和、tiwwwi2fwgdzdc21dhqtWdHQWdUQi1122f12f212w)zz(g)cc (21)hh(q0.)zz(g; 0)cc (210;q122f12f212hh )0w, 0w(whh wcvt21i摩內(nèi)部儲能增量： 02-7 能量方程式的應(yīng)用二、壓氣機(jī)，水泵類(compressor、pump)21ctwwhhq 內(nèi)部儲能增量： 046三、管內(nèi)流動流入：流入：流出：流出：內(nèi)增：內(nèi)增： 0 021f111 112ucgzp v22f 2

12、22212ucgzp v2f102pucgz 1kg某種氣態(tài)工質(zhì)，在可逆膨脹過程中分別遵循： （1） vbp（2）從初態(tài)1到達(dá)終態(tài)2 求：兩過程中各作功多少？ （a，b為常數(shù)）pav練習(xí)題2解：21dwpv（1）22222111dd2awp vav vvv（2）222111ddlnvbwp vvbvv練習(xí)題2如圖，已知活塞與氣缸無摩擦，初始時p1=pb，t1=27 緩緩加熱，使p2=0.15Mpa, t2=207若m=0.1kg，缸徑=0.4m ，空氣求：過程加熱量QA kJ/kgK0.72uT練習(xí)題3解：WUQ據(jù)題意121272. 0TTmuumU可以求出；?W212212212212222

13、1xxKVVpxxKxxApAdxxAKpWbbxxb?2XKW彈W斥21dWp VddbKppxVA xAmLLxmLmpTmRVmAVLmPTmRVgg617. 0302. 116359. 0685. 00861. 0101)27327(2871 . 012223222113511122bbKxKxpppAA22222410183N/mbbDppA ppKxx2221219687.3J20.72 0.12972719.44kJ9.6919.4429.13kJbKWp VVxxUQWU充氣問題解：取A為CV.容器剛性絕熱000outmWQ忽略動能差及位能差，則 若容器A為剛性絕熱初態(tài)為真空，

14、打開閥門充氣，使壓力p2=4MPa時截止。若空氣u=0.72T求容器A內(nèi)達(dá)平衡后溫度T2及充入氣體量m。非穩(wěn)定開口系練習(xí)題4dddiihmEmu由5g40 10132.87kg287 423.99pVmR T或 流入(進(jìn)入系統(tǒng)的能量)：hinmin 離開系統(tǒng)的能量： 0 系統(tǒng)中儲能的增量：m2u2 - 0ddiih mmu221122umumummhii22305.3423.99K150.84 C0.72ihuT即2imm22ff11d22CVoutinoutinQEhcgzmhcgzmW 0.1 MPa，20 的空氣在壓氣機(jī)中絕熱壓縮升壓升溫后導(dǎo)入的空氣在壓氣機(jī)中絕熱壓縮升壓升溫后導(dǎo)入換熱器排走部分熱量，再進(jìn)入噴管膨脹到換熱器排走部分熱量，再進(jìn)入噴管膨脹到0.1 MPa、20。噴管。噴管出口截面積出口截面積A = 0.032 4 m2，氣體流速，氣體流速cf2 = 300 m/s。若進(jìn)口和出。若進(jìn)口和出口處口處h相同。已知相同。已知壓氣機(jī)耗功率壓氣機(jī)耗功率710 kW，問換熱器中空氣散失，問換熱器中空氣散失的熱量。的熱量。練習(xí)題5gVmpqqR T解：解：對對 CV 列能量方程列能量方程流入：流入：21f1112mqhcgzP流出：流出：22f 2212mQqhcgzq內(nèi)增：內(nèi)增： 0f 22gp c AR T620.1 10 Pa300 m/s 0.032 4