工程熱力學(xué)課件第二章

多媒體教學(xué)課件華北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院工程熱力學(xué)多媒體教學(xué)課件工程熱力學(xué)2-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)能和總能2-3閉口系統(tǒng)能量方程2-4流動(dòng)功和焓2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)22-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-22-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)能和總能2-3閉口系統(tǒng)能量方程2-4流動(dòng)功和焓2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)32-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱力學(xué)中的應(yīng)用。18世紀(jì)初，工業(yè)革命，熱效率只有1%1842年，邁爾闡述熱一律，但沒(méi)有引起重視1840~1849年，焦耳用多種實(shí)驗(yàn)的一致性證明熱一律，于1950年發(fā)表并得到公認(rèn)1909年，C.Caratheodory最后完善熱一律4熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律熱一律的表述當(dāng)熱能在與其他形式能量相互轉(zhuǎn)換時(shí)，能的總量保持不變。熱一律又可表述為：第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。5熱一律的表述5永動(dòng)機(jī)舉例壓力容器壓氣機(jī)從大氣中取氣取回部分功量驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)wp大氣機(jī)6永動(dòng)機(jī)舉例壓力容器壓氣機(jī)取回部分功量驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)wp大氣機(jī)6永動(dòng)機(jī)舉例？？機(jī)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)水分解裝置取回部分功量驅(qū)動(dòng)水分解裝置wH2水7永動(dòng)機(jī)舉例？？機(jī)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)水分解裝置取回部分功量驅(qū)動(dòng)水分解裝焦耳和熱一律從1849到1878年，焦耳反復(fù)作了四百多次實(shí)驗(yàn)，所得的熱功當(dāng)量值幾乎都是423.9千克米/千卡，這和現(xiàn)在公認(rèn)值427千克米/千卡相比，只小0.7%。焦耳用驚人的耐心和巧奪天工的技術(shù)，在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)得的熱功當(dāng)量值能夠在幾十年時(shí)間里不作比較大的修正，這在物理學(xué)史上也是空前的。8焦耳和熱一律8焦耳和熱一律1843年8月，在考爾克的一次學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上，焦耳作了題為《論磁電的熱效應(yīng)和熱的機(jī)械值》的報(bào)告。他在報(bào)告中提出熱量與機(jī)械功之間存在著恒定的比例關(guān)系，并測(cè)得熱功當(dāng)量值為1千卡熱量相當(dāng)于460千克米的機(jī)械功。這一結(jié)論遭到當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家的反對(duì)。9焦耳和熱一律1843年8月，在考爾克的一次學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上，焦耳焦耳和熱一律1845年在劍橋召開的英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議上，焦耳又一次作了熱功當(dāng)量的研究報(bào)告，宣布熱是一種能量形式，各種形式的能量可以互相轉(zhuǎn)化。但是焦耳的觀點(diǎn)遭到與會(huì)者的否定，英國(guó)倫敦皇家學(xué)會(huì)拒絕發(fā)表他的論文。1847年4月，焦耳在曼徹斯特作了一次通俗講演，充分地闡述了能量守恒原理，但是地方報(bào)紙不理睬，在進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的交涉之后，才有一家報(bào)紙勉強(qiáng)發(fā)表了這次講演。同年6月，在英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)的牛津會(huì)議上，焦耳再一次提出熱功當(dāng)量的研究報(bào)告，宣傳自己的新思想。會(huì)議主席只準(zhǔn)許他作簡(jiǎn)要的介紹。只是由于威廉·湯姆孫在焦耳報(bào)告結(jié)束后作了即席發(fā)言，他的新思想才引起與會(huì)者的重視。直到1850年，焦耳的科學(xué)結(jié)論終于獲得了科學(xué)界的公認(rèn)。10焦耳和熱一律1845年在劍橋召開的英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議上，焦2-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)能和總能2-3閉口系統(tǒng)能量方程2-4流動(dòng)功和焓2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)112-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)能的導(dǎo)出閉口系循環(huán)12熱力學(xué)能的導(dǎo)出閉口系循環(huán)12對(duì)于循環(huán)1a2c1對(duì)于循環(huán)1b2c1狀態(tài)參數(shù)pV12abc熱力學(xué)能的導(dǎo)出13對(duì)于循環(huán)1a2c1對(duì)于循環(huán)1b2c1狀態(tài)參數(shù)pV12abc熱定義dU=Q－W

熱力學(xué)能U是狀態(tài)函數(shù)Q=dU+WQ=U+W閉口系熱一律表達(dá)式兩種特例：

絕功系Q=dU

絕熱系W=－dU熱力學(xué)能及閉口系熱一律表達(dá)式14定義dU=Q－WQ=dU+W閉口dU=Q－W

dU代表某微元過(guò)程中系統(tǒng)通過(guò)邊界交換的微熱量與微功量?jī)烧咧钪担布聪到y(tǒng)內(nèi)部能量的變化。

U代表儲(chǔ)存于系統(tǒng)內(nèi)部的能量

內(nèi)儲(chǔ)存能（內(nèi)能、熱力學(xué)能）熱力學(xué)能的物理意義WQ15dU=Q－WdU代表某微元過(guò)程中分子動(dòng)能（移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)）分子位能（相互作用）核能化學(xué)能熱力學(xué)能熱力學(xué)能是狀態(tài)量U是廣延參數(shù)，kJ；u是比參數(shù)，J/kg熱力學(xué)能總以變化量出現(xiàn)，其零點(diǎn)人為定義說(shuō)明：內(nèi)能的性質(zhì)16分子動(dòng)能（移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)）熱力學(xué)能熱力學(xué)能是狀態(tài)量外部?jī)?chǔ)存能宏觀動(dòng)能Ek=mc2/2宏觀位能Ep=mgz機(jī)械能系統(tǒng)總能E=U+Ek+Epe=u+ek+ep一般與系統(tǒng)同坐標(biāo)，常用U,dU,u,du系統(tǒng)總能17外部?jī)?chǔ)存能宏觀動(dòng)能Ek=mc2/2機(jī)械能系統(tǒng)總能E熱一律：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律進(jìn)入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的變化熱一律的文字表達(dá)式18熱一律：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律進(jìn)入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量熱2-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)能和總能2-3閉口系統(tǒng)能量方程2-4流動(dòng)功和焓2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)192-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2閉口系能量方程推導(dǎo)Q=dU+WQ=U+Wq=du+w

q=u+w表達(dá)式單位質(zhì)量工質(zhì)適用條件：1）任何工質(zhì)2）任何過(guò)程WQ20閉口系能量方程推導(dǎo)Q=dU+Wq=du+對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)和可逆過(guò)程簡(jiǎn)單可壓縮系準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程閉口系能量方程：21對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)和可逆過(guò)程簡(jiǎn)單可壓縮系準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程閉口系能量方程：2例題1定量空氣在狀態(tài)變化過(guò)程中對(duì)外放熱60kJ，熱力學(xué)能增加70kJ，問(wèn)空氣是膨脹還是被壓縮？功量是多少？解：根據(jù)公式Q=U+W

因此W<0，說(shuō)明外界對(duì)空氣作功，即空氣被壓縮。提示：熱量的正負(fù)值及功的正負(fù)值的物理意義要記住.22例題1定量空氣在狀態(tài)變化過(guò)程中對(duì)外放熱60kJ，熱力學(xué)能增加2-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)能和總能2-3閉口系統(tǒng)能量方程2-4流動(dòng)功和焓2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)232-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2流動(dòng)功當(dāng)質(zhì)量為dm的工質(zhì)在外力的推動(dòng)下移動(dòng)距離dx，并通過(guò)面積為A的截面進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，則外界所作的流動(dòng)功為對(duì)于單位質(zhì)量工質(zhì)流動(dòng)功為：流動(dòng)功是由泵或風(fēng)機(jī)加給被輸送工質(zhì)并隨工質(zhì)流動(dòng)向前傳遞的一種能量，非工質(zhì)本身具有的能量。24流動(dòng)功當(dāng)質(zhì)量為dm的工質(zhì)在外力的推動(dòng)下移動(dòng)距離dx，并通過(guò)面流動(dòng)功特點(diǎn)由于工質(zhì)進(jìn)出開口系統(tǒng)，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機(jī)械功，表現(xiàn)為流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)出系統(tǒng)所攜帶和所傳遞和一種能量。在工質(zhì)流動(dòng)時(shí)工質(zhì)的狀態(tài)并沒(méi)有發(fā)生變化，因此熱力學(xué)能沒(méi)有變化，僅僅是工質(zhì)的位置變化。與宏觀流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)靜止，流動(dòng)功不存在，pv此時(shí)不代表流動(dòng)功。與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量。25流動(dòng)功特點(diǎn)由于工質(zhì)進(jìn)出開口系統(tǒng)，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機(jī)焓的定義在有關(guān)熱工計(jì)算的公式中，時(shí)常有U+pV組合出現(xiàn)，定義為焓，用H表示：H=U+pV單位質(zhì)量工質(zhì)的焓稱為比焓，用h表示H=u+pv焓的單位：J、kJ比焓的單位：J/kg，kJ/kg26焓的定義在有關(guān)熱工計(jì)算的公式中，時(shí)常有U+pV組合出現(xiàn)，定義焓的物理意義對(duì)于流動(dòng)工質(zhì)，焓是一種能量，它表示流動(dòng)工質(zhì)傳遞的總能量中取決于熱力狀態(tài)的那部分能量。在熱力設(shè)備中，工質(zhì)總是連續(xù)流動(dòng)的，隨工質(zhì)流動(dòng)而轉(zhuǎn)移（傳遞）的能量中，取決于工質(zhì)熱力狀態(tài)的部分是焓不是熱力學(xué)能。即開口系隨工質(zhì)流動(dòng)傳遞的能量是焓，不是熱力學(xué)能，當(dāng)然還包括工質(zhì)的機(jī)械能（動(dòng)能、位能），因此焓的應(yīng)用比熱力學(xué)能更廣泛。27焓的物理意義對(duì)于流動(dòng)工質(zhì)，焓是一種能量，它表示流動(dòng)工質(zhì)傳遞的焓的物理意義無(wú)論對(duì)于流動(dòng)工質(zhì)還是不流動(dòng)工質(zhì)，比焓都是狀態(tài)參數(shù)。對(duì)于流動(dòng)工質(zhì)，流動(dòng)功等于pv，比焓表示單位質(zhì)量工質(zhì)沿流動(dòng)方向向前傳遞的總能量中取決于熱力狀態(tài)的部分。對(duì)于不流動(dòng)工質(zhì)，不存在流動(dòng)功，比焓也不表示能量，僅是狀態(tài)參數(shù)。工程上一般只需要計(jì)算工質(zhì)經(jīng)歷某一過(guò)程后焓的變化量，而不是其絕對(duì)值，所以焓值的零點(diǎn)可人為地規(guī)定。28焓的物理意義無(wú)論對(duì)于流動(dòng)工質(zhì)還是不流動(dòng)工質(zhì)，比焓都是狀態(tài)參數(shù)2-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)能和總能2-3閉口系統(tǒng)能量方程2-4流動(dòng)功和焓2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)292-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2穩(wěn)定流動(dòng)特點(diǎn)流入和流出熱力系統(tǒng)的質(zhì)量流量相等，且不隨時(shí)間而變化；進(jìn)、出口處工質(zhì)的狀態(tài)不隨時(shí)間而變化；系統(tǒng)和外界交換的熱量和功不隨時(shí)間而改變。30穩(wěn)定流動(dòng)特點(diǎn)流入和流出熱力系統(tǒng)的質(zhì)量流量相等，且不隨時(shí)間而變進(jìn)口質(zhì)量m1、流速c1、高度z1出口質(zhì)量m2、流速c2、高度z2穩(wěn)定流動(dòng)：

開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程推導(dǎo)31進(jìn)口質(zhì)量m1、流速c1、離開系統(tǒng)的能量

開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程推導(dǎo)進(jìn)入系統(tǒng)的能量

32離開系統(tǒng)的能量開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程推導(dǎo)進(jìn)入系統(tǒng)的能量3根據(jù)熱力學(xué)第一定律文字表達(dá)式：開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程推導(dǎo)注意u+pv為比焓33根據(jù)熱力學(xué)第一定律文字表達(dá)式：開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程推導(dǎo)注意開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程推導(dǎo)34開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程推導(dǎo)34以上兩式稱為開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程對(duì)于單位質(zhì)量工質(zhì)：對(duì)于質(zhì)量為mkg工質(zhì)：35以上兩式稱為開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程對(duì)于微元過(guò)程，穩(wěn)定流動(dòng)能量方程寫成開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程適用條件：任何工質(zhì)、任何穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程36對(duì)于微元過(guò)程，穩(wěn)定流動(dòng)能量方程寫成開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程開技術(shù)功定義：在工程熱力學(xué)中，將工程技術(shù)上可以直接利用的動(dòng)能差、位能差及軸功三項(xiàng)之和稱為技術(shù)功，用Wt表示

對(duì)于單位質(zhì)量工質(zhì)，37技術(shù)功定義：在工程熱力學(xué)中，將工程技術(shù)上可以直接利用的動(dòng)能差開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程對(duì)于微元過(guò)程：38開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程對(duì)于微元過(guò)程：38可以假定質(zhì)量為m的工質(zhì)從進(jìn)口截面處的狀態(tài)1變化到出口截面處的狀態(tài)2，從外界吸收了熱量Q,作了膨脹功W。根據(jù)閉口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式對(duì)比開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式可得技術(shù)功表達(dá)式39可以假定質(zhì)量為m的工質(zhì)從進(jìn)口截面處的狀態(tài)1變化到出口式中，v恒為正值，負(fù)號(hào)表示技術(shù)功的正負(fù)與dp相反。對(duì)可逆過(guò)程40式中，v恒為正值，負(fù)號(hào)表示技術(shù)功的正負(fù)與dp相反。對(duì)可可得（適用于一般過(guò)程）（適用于可逆過(guò)程）對(duì)于微元可逆過(guò)程，技術(shù)功的圖形表示將上式代入開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式41可得（適用于一般過(guò)程）（適用于可逆過(guò)程）對(duì)于微元可逆過(guò)程，技關(guān)于技術(shù)功可逆過(guò)程的技術(shù)功在壓容圖（p-v圖，示功圖）上表示，是曲線與縱坐標(biāo)圍成曲線面積。dp<0，工質(zhì)壓力降低，技術(shù)功為正，工質(zhì)對(duì)機(jī)器做功，如汽輪機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)dp>0，工質(zhì)壓力增加，技術(shù)功為負(fù)，機(jī)器對(duì)工質(zhì)做功（消耗外界的功），如壓氣機(jī)、電風(fēng)扇42關(guān)于技術(shù)功可逆過(guò)程的技術(shù)功在壓容圖（p-v圖，示功圖）上表示穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的應(yīng)用根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程穩(wěn)定流動(dòng)能量方程在工程中應(yīng)用很廣泛，在研究具體問(wèn)題時(shí)，要與所研究的實(shí)際裝置和實(shí)際熱力過(guò)程的具體特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，對(duì)于某些次要因素可以略去不計(jì)，使能量方程更加簡(jiǎn)潔明晰。43穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的應(yīng)用根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程穩(wěn)定流動(dòng)能量方程鍋爐及各種換熱器火力發(fā)電：鍋爐、凝汽器核電：熱交換器、凝汽器制冷空調(diào)蒸發(fā)器、冷凝器44鍋爐及各種換熱器火力發(fā)電：鍋爐、凝汽器核電：熱交換器、凝汽器鍋爐及各種換熱器00045鍋爐及各種換熱器000454646汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)火力發(fā)電核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽輪機(jī)47汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)火力發(fā)電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽輪機(jī)47汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)00048汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)00048例:汽輪機(jī)作功一臺(tái)一股進(jìn)汽多股抽汽的汽輪機(jī)，如下圖所示，1kg狀態(tài)為1的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)膨脹作功，分別抽出α1（kg）狀態(tài)為2和α2(kg)狀態(tài)為3的蒸汽，最后1─α1─α2(kg)蒸汽以狀態(tài)4排出汽輪機(jī)，求蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)作的功。49例:汽輪機(jī)作功一臺(tái)一股進(jìn)汽多股抽汽的汽輪機(jī)，如下圖所示，1解答:把汽輪機(jī)分成三段，將每一段作的功加起來(lái)就是蒸汽在整個(gè)汽輪機(jī)作的功或把汽流分成三股，將三股汽流作的功加起來(lái)也可以求出蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)作的功50解答:把汽輪機(jī)分成三段，將每一段作的功加起來(lái)就是蒸汽在整個(gè)汽壓縮機(jī)械火力發(fā)電核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站壓氣機(jī)水泵制冷空調(diào)壓縮機(jī)51壓縮機(jī)械火力發(fā)電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)水泵制冷壓縮機(jī)51壓縮機(jī)械00軸流式活塞式對(duì)于軸流式q=0，對(duì)于活塞式q≠052壓縮機(jī)械00軸流式活塞式對(duì)于軸流式q=噴管和擴(kuò)壓管火力發(fā)電蒸汽輪機(jī)靜葉核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站壓氣機(jī)靜葉53噴管和擴(kuò)壓管火力發(fā)電蒸汽輪機(jī)靜葉核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)靜葉53噴管和擴(kuò)壓管00054噴管和擴(kuò)壓管00054絕熱節(jié)流管道閥門制冷空調(diào)膨脹閥、毛細(xì)管55絕熱節(jié)流管道閥門制冷膨脹閥、毛細(xì)管55絕熱節(jié)流000h1h20絕熱節(jié)流過(guò)程，前后h不變，但h不是處處相等56絕熱節(jié)流000h1h20絕熱節(jié)流過(guò)程，前后h不變，但h不是處課后思考題制冷系數(shù)或供熱系數(shù)均可大于1，這是否違反熱力學(xué)第一定律？有人認(rèn)為，既然冰箱能夠制冷，那么在夏天里使門窗緊閉而把電冰箱門打開，室內(nèi)溫度就會(huì)降低。這種想法對(duì)嗎？57課后思考題制冷系數(shù)或供熱系數(shù)均可大于1，這是否違反熱力學(xué)第一多媒體教學(xué)課件華北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院工程熱力學(xué)多媒體教學(xué)課件工程熱力學(xué)2-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)能和總能2-3閉口系統(tǒng)能量方程2-4流動(dòng)功和焓2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)592-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-22-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)能和總能2-3閉口系統(tǒng)能量方程2-4流動(dòng)功和焓2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)602-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱力學(xué)中的應(yīng)用。18世紀(jì)初，工業(yè)革命，熱效率只有1%1842年，邁爾闡述熱一律，但沒(méi)有引起重視1840~1849年，焦耳用多種實(shí)驗(yàn)的一致性證明熱一律，于1950年發(fā)表并得到公認(rèn)1909年，C.Caratheodory最后完善熱一律61熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律熱一律的表述當(dāng)熱能在與其他形式能量相互轉(zhuǎn)換時(shí)，能的總量保持不變。熱一律又可表述為：第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。62熱一律的表述5永動(dòng)機(jī)舉例壓力容器壓氣機(jī)從大氣中取氣取回部分功量驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)wp大氣機(jī)63永動(dòng)機(jī)舉例壓力容器壓氣機(jī)取回部分功量驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)wp大氣機(jī)6永動(dòng)機(jī)舉例？？機(jī)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)水分解裝置取回部分功量驅(qū)動(dòng)水分解裝置wH2水64永動(dòng)機(jī)舉例？？機(jī)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)水分解裝置取回部分功量驅(qū)動(dòng)水分解裝焦耳和熱一律從1849到1878年，焦耳反復(fù)作了四百多次實(shí)驗(yàn)，所得的熱功當(dāng)量值幾乎都是423.9千克米/千卡，這和現(xiàn)在公認(rèn)值427千克米/千卡相比，只小0.7%。焦耳用驚人的耐心和巧奪天工的技術(shù)，在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)得的熱功當(dāng)量值能夠在幾十年時(shí)間里不作比較大的修正，這在物理學(xué)史上也是空前的。65焦耳和熱一律8焦耳和熱一律1843年8月，在考爾克的一次學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上，焦耳作了題為《論磁電的熱效應(yīng)和熱的機(jī)械值》的報(bào)告。他在報(bào)告中提出熱量與機(jī)械功之間存在著恒定的比例關(guān)系，并測(cè)得熱功當(dāng)量值為1千卡熱量相當(dāng)于460千克米的機(jī)械功。這一結(jié)論遭到當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家的反對(duì)。66焦耳和熱一律1843年8月，在考爾克的一次學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上，焦耳焦耳和熱一律1845年在劍橋召開的英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議上，焦耳又一次作了熱功當(dāng)量的研究報(bào)告，宣布熱是一種能量形式，各種形式的能量可以互相轉(zhuǎn)化。但是焦耳的觀點(diǎn)遭到與會(huì)者的否定，英國(guó)倫敦皇家學(xué)會(huì)拒絕發(fā)表他的論文。1847年4月，焦耳在曼徹斯特作了一次通俗講演，充分地闡述了能量守恒原理，但是地方報(bào)紙不理睬，在進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的交涉之后，才有一家報(bào)紙勉強(qiáng)發(fā)表了這次講演。同年6月，在英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)的牛津會(huì)議上，焦耳再一次提出熱功當(dāng)量的研究報(bào)告，宣傳自己的新思想。會(huì)議主席只準(zhǔn)許他作簡(jiǎn)要的介紹。只是由于威廉·湯姆孫在焦耳報(bào)告結(jié)束后作了即席發(fā)言，他的新思想才引起與會(huì)者的重視。直到1850年，焦耳的科學(xué)結(jié)論終于獲得了科學(xué)界的公認(rèn)。67焦耳和熱一律1845年在劍橋召開的英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議上，焦2-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)能和總能2-3閉口系統(tǒng)能量方程2-4流動(dòng)功和焓2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)682-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)能的導(dǎo)出閉口系循環(huán)69熱力學(xué)能的導(dǎo)出閉口系循環(huán)12對(duì)于循環(huán)1a2c1對(duì)于循環(huán)1b2c1狀態(tài)參數(shù)pV12abc熱力學(xué)能的導(dǎo)出70對(duì)于循環(huán)1a2c1對(duì)于循環(huán)1b2c1狀態(tài)參數(shù)pV12abc熱定義dU=Q－W

熱力學(xué)能U是狀態(tài)函數(shù)Q=dU+WQ=U+W閉口系熱一律表達(dá)式兩種特例：

絕功系Q=dU

絕熱系W=－dU熱力學(xué)能及閉口系熱一律表達(dá)式71定義dU=Q－WQ=dU+W閉口dU=Q－W

dU代表某微元過(guò)程中系統(tǒng)通過(guò)邊界交換的微熱量與微功量?jī)烧咧钪?，也即系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化。

U代表儲(chǔ)存于系統(tǒng)內(nèi)部的能量

內(nèi)儲(chǔ)存能（內(nèi)能、熱力學(xué)能）熱力學(xué)能的物理意義WQ72dU=Q－WdU代表某微元過(guò)程中分子動(dòng)能（移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)）分子位能（相互作用）核能化學(xué)能熱力學(xué)能熱力學(xué)能是狀態(tài)量U是廣延參數(shù)，kJ；u是比參數(shù)，J/kg熱力學(xué)能總以變化量出現(xiàn)，其零點(diǎn)人為定義說(shuō)明：內(nèi)能的性質(zhì)73分子動(dòng)能（移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)）熱力學(xué)能熱力學(xué)能是狀態(tài)量外部?jī)?chǔ)存能宏觀動(dòng)能Ek=mc2/2宏觀位能Ep=mgz機(jī)械能系統(tǒng)總能E=U+Ek+Epe=u+ek+ep一般與系統(tǒng)同坐標(biāo)，常用U,dU,u,du系統(tǒng)總能74外部?jī)?chǔ)存能宏觀動(dòng)能Ek=mc2/2機(jī)械能系統(tǒng)總能E熱一律：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律進(jìn)入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的變化熱一律的文字表達(dá)式75熱一律：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律進(jìn)入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量熱2-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)能和總能2-3閉口系統(tǒng)能量方程2-4流動(dòng)功和焓2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)762-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2閉口系能量方程推導(dǎo)Q=dU+WQ=U+Wq=du+w

q=u+w表達(dá)式單位質(zhì)量工質(zhì)適用條件：1）任何工質(zhì)2）任何過(guò)程WQ77閉口系能量方程推導(dǎo)Q=dU+Wq=du+對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)和可逆過(guò)程簡(jiǎn)單可壓縮系準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程閉口系能量方程：78對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)和可逆過(guò)程簡(jiǎn)單可壓縮系準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程閉口系能量方程：2例題1定量空氣在狀態(tài)變化過(guò)程中對(duì)外放熱60kJ，熱力學(xué)能增加70kJ，問(wèn)空氣是膨脹還是被壓縮？功量是多少？解：根據(jù)公式Q=U+W

因此W<0，說(shuō)明外界對(duì)空氣作功，即空氣被壓縮。提示：熱量的正負(fù)值及功的正負(fù)值的物理意義要記住.79例題1定量空氣在狀態(tài)變化過(guò)程中對(duì)外放熱60kJ，熱力學(xué)能增加2-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)能和總能2-3閉口系統(tǒng)能量方程2-4流動(dòng)功和焓2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)802-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2流動(dòng)功當(dāng)質(zhì)量為dm的工質(zhì)在外力的推動(dòng)下移動(dòng)距離dx，并通過(guò)面積為A的截面進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，則外界所作的流動(dòng)功為對(duì)于單位質(zhì)量工質(zhì)流動(dòng)功為：流動(dòng)功是由泵或風(fēng)機(jī)加給被輸送工質(zhì)并隨工質(zhì)流動(dòng)向前傳遞的一種能量，非工質(zhì)本身具有的能量。81流動(dòng)功當(dāng)質(zhì)量為dm的工質(zhì)在外力的推動(dòng)下移動(dòng)距離dx，并通過(guò)面流動(dòng)功特點(diǎn)由于工質(zhì)進(jìn)出開口系統(tǒng)，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機(jī)械功，表現(xiàn)為流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)出系統(tǒng)所攜帶和所傳遞和一種能量。在工質(zhì)流動(dòng)時(shí)工質(zhì)的狀態(tài)并沒(méi)有發(fā)生變化，因此熱力學(xué)能沒(méi)有變化，僅僅是工質(zhì)的位置變化。與宏觀流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)靜止，流動(dòng)功不存在，pv此時(shí)不代表流動(dòng)功。與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量。82流動(dòng)功特點(diǎn)由于工質(zhì)進(jìn)出開口系統(tǒng)，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機(jī)焓的定義在有關(guān)熱工計(jì)算的公式中，時(shí)常有U+pV組合出現(xiàn)，定義為焓，用H表示：H=U+pV單位質(zhì)量工質(zhì)的焓稱為比焓，用h表示H=u+pv焓的單位：J、kJ比焓的單位：J/kg，kJ/kg83焓的定義在有關(guān)熱工計(jì)算的公式中，時(shí)常有U+pV組合出現(xiàn)，定義焓的物理意義對(duì)于流動(dòng)工質(zhì)，焓是一種能量，它表示流動(dòng)工質(zhì)傳遞的總能量中取決于熱力狀態(tài)的那部分能量。在熱力設(shè)備中，工質(zhì)總是連續(xù)流動(dòng)的，隨工質(zhì)流動(dòng)而轉(zhuǎn)移（傳遞）的能量中，取決于工質(zhì)熱力狀態(tài)的部分是焓不是熱力學(xué)能。即開口系隨工質(zhì)流動(dòng)傳遞的能量是焓，不是熱力學(xué)能，當(dāng)然還包括工質(zhì)的機(jī)械能（動(dòng)能、位能），因此焓的應(yīng)用比熱力學(xué)能更廣泛。84焓的物理意義對(duì)于流動(dòng)工質(zhì)，焓是一種能量，它表示流動(dòng)工質(zhì)傳遞的焓的物理意義無(wú)論對(duì)于流動(dòng)工質(zhì)還是不流動(dòng)工質(zhì)，比焓都是狀態(tài)參數(shù)。對(duì)于流動(dòng)工質(zhì)，流動(dòng)功等于pv，比焓表示單位質(zhì)量工質(zhì)沿流動(dòng)方向向前傳遞的總能量中取決于熱力狀態(tài)的部分。對(duì)于不流動(dòng)工質(zhì)，不存在流動(dòng)功，比焓也不表示能量，僅是狀態(tài)參數(shù)。工程上一般只需要計(jì)算工質(zhì)經(jīng)歷某一過(guò)程后焓的變化量，而不是其絕對(duì)值，所以焓值的零點(diǎn)可人為地規(guī)定。85焓的物理意義無(wú)論對(duì)于流動(dòng)工質(zhì)還是不流動(dòng)工質(zhì)，比焓都是狀態(tài)參數(shù)2-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2熱力學(xué)能和總能2-3閉口系統(tǒng)能量方程2-4流動(dòng)功和焓2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)862-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程及其應(yīng)用第2章熱力學(xué)第一定律2-2穩(wěn)定流動(dòng)特點(diǎn)流入和流出熱力系統(tǒng)的質(zhì)量流量相等，且不隨時(shí)間而變化；進(jìn)、出口處工質(zhì)的狀態(tài)不隨時(shí)間而變化；系統(tǒng)和外界交換的熱量和功不隨時(shí)間而改變。87穩(wěn)定流動(dòng)特點(diǎn)流入和流出熱力系統(tǒng)的質(zhì)量流量相等，且不隨時(shí)間而變進(jìn)口質(zhì)量m1、流速c1、高度z1出口質(zhì)量m2、流速c2、高度z2穩(wěn)定流動(dòng)：

開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程推導(dǎo)88進(jìn)口質(zhì)量m1、流速c1、離開系統(tǒng)的能量

開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程推導(dǎo)進(jìn)入系統(tǒng)的能量

89離開系統(tǒng)的能量開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程推導(dǎo)進(jìn)入系統(tǒng)的能量3根據(jù)熱力學(xué)第一定律文字表達(dá)式：開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程推導(dǎo)注意u+pv為比焓90根據(jù)熱力學(xué)第一定律文字表達(dá)式：開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程推導(dǎo)注意開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程推導(dǎo)91開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程推導(dǎo)34以上兩式稱為開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程對(duì)于單位質(zhì)量工質(zhì)：對(duì)于質(zhì)量為mkg工質(zhì)：92以上兩式稱為開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程對(duì)于微元過(guò)程，穩(wěn)定流動(dòng)能量方程寫成開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程適用條件：任何工質(zhì)、任何穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程93對(duì)于微元過(guò)程，穩(wěn)定流動(dòng)能量方程寫成開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程開技術(shù)功定義：在工程熱力學(xué)中，將工程技術(shù)上可以直接利用的動(dòng)能差、位能差及軸功三項(xiàng)之和稱為技術(shù)功，用Wt表示

對(duì)于單位質(zhì)量工質(zhì)，94技術(shù)功定義：在工程熱力學(xué)中，將工程技術(shù)上可以直接利用的動(dòng)能差開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程對(duì)于微元過(guò)程：95開口系穩(wěn)定流動(dòng)能量方程對(duì)于微元過(guò)程：38可以假定質(zhì)量為m的工質(zhì)從進(jìn)口截面處的狀態(tài)1變化到出口截面處的狀態(tài)2，從外界吸收了熱量Q,作了膨脹功W。根據(jù)閉口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式對(duì)比開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式可得技術(shù)功表達(dá)式96可以假定質(zhì)量為m的工質(zhì)從進(jìn)口截面處的狀態(tài)1變化到出口式中，v恒為正值，負(fù)號(hào)表示技術(shù)功的正負(fù)與dp相反。對(duì)可逆過(guò)程97式中，v恒為正值，負(fù)號(hào)表示技術(shù)功的正負(fù)與dp相反。對(duì)可可得（適用于一般過(guò)程）（適用于可逆過(guò)程）對(duì)于微元可逆過(guò)程，技術(shù)功的圖形表示將上式代入開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式98可得（適用于一般過(guò)程）（適用于可逆過(guò)程）對(duì)于微元可逆過(guò)程，技關(guān)于技術(shù)功可逆過(guò)程的技術(shù)功在壓容圖（p-v圖，示功圖）上表示，是曲線與縱坐標(biāo)圍成曲線面積。dp<0，工質(zhì)壓力降低，技術(shù)功為正，工質(zhì)對(duì)機(jī)器做功，如汽輪機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)dp>0，工質(zhì)壓力增加，技術(shù)功為負(fù)，機(jī)器對(duì)工質(zhì)做功（消耗外界的功），如壓氣機(jī)、電風(fēng)扇99關(guān)于技術(shù)功可逆過(guò)程的技術(shù)功在壓容圖（p-v