第二章熱力學第一定律

第二章

熱力學第一定律TheFirstLawofThermodynamics§2-1熱力學第一定律的本質§2-2系統(tǒng)總能和熱力學能§2-3閉口系能量方程§2-4開口系能量方程§2-5

穩(wěn)定流動能量方程§2-6穩(wěn)定流動能量方程應用舉例本章主要內容§2-1熱力學第一定律的本質1.能量轉換守恒定律自然界中一切物質都具有能量，能量既不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅，而只能從一種形式轉變?yōu)榱硪环N形式，在轉換中能量的總量恒定不變。2.熱力學第一定律的表述實質：能量守恒與轉換定律在研究與熱能相關的能量傳遞與轉換中的應用=進入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)內部儲存能量的變化-3.熱一律意義確定了能量傳遞與轉換的數(shù)量關系，肯定了熱能與其它能量之間所存在的共同性質，即熱也是一種能量，也是一種物質運動的形式。

1909年，C.Caratheodory最后完善熱一律

1842年，J.R.Mayer闡述熱一律，但沒有引起重視

1840-1849年，Joule用多種實驗的一致性證明熱一律，于1850年發(fā)表并得到公認§2-2熱力學能和總能熱力學能（內部儲存能）1.定義系統(tǒng)內部微觀粒子熱運動具有的能量的總和2.構成Uk內動能Up內位能化學能原子能熱力學能移動translation轉動rotation振動vibrationU=Uk+Up熱力學能的說明熱力學能是狀態(tài)量

僅取決于初、終狀態(tài),而與路無關U:

廣延參數(shù)[kJ]

u

:

比參數(shù)[kJ/kg]U=Uk+Up=f1(T)+f2(V)=f(T,V)系統(tǒng)總能：外部儲存能和內部儲存能宏觀動能Ek=mc2/2宏觀位能Ep=mgz機械能系統(tǒng)總能外部儲存能內部儲存能－熱力學能U宏觀動能宏觀位能內動能內位能E

=

U

+

Ek

+Epe

=

u

+ek

+

ep一般與系統(tǒng)同坐標，常用U,dU,u,du宏觀動能與內動能的區(qū)別E

=

U

+

mc2/2

+mgze

=

u+c2/2

+gz能量的轉換和傳遞在溫差推動下，系統(tǒng)與外界借助于微觀的無序運動傳遞的能量在壓力推動下，系統(tǒng)與外界借助于宏觀的有序運動傳遞的能量溫差力差微觀無序宏觀有序能量形態(tài)不變能量形態(tài)發(fā)生變化過程量過程量放熱-，吸熱+對外做功+，耗功-熱量各種功re1.容積變化功W2.軸功WS:通過葉輪機械的軸輸出與輸入的功。3.流動功Wf:維持流動所需的功。CVFvpm0011流動功和推動功推動功：dx系統(tǒng)引進或排除工質傳遞的能量CVFvpm11流動功和推動功流動功：維持系統(tǒng)流動所需要的功22對推動功的說明1、與宏觀流動有關，流動停止，流動功不存在2、作用過程中，工質僅發(fā)生位置變化，無狀態(tài)變化3、w推＝pv與所處狀態(tài)有關，是狀態(tài)量4、并非工質本身的能量（動能、位能）變化引起，而由外界（泵與風機）做出，流動工質所攜帶的能量可理解為：由于工質的進出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機械功，表現(xiàn)為流動工質進出系統(tǒng)使所攜帶和所傳遞的一種能量§2-3閉口系能量方程方程的推導WQ取工質為系統(tǒng)－閉口系=進入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)內部儲存能量的變化-工質的宏觀動能和位能的變化可忽略不計初態(tài)：熱力學能U1終態(tài)：熱力學能U2Q

=dU

+

W

Q

=U

+

WQ-W=dU=U2-U1式中各項均為代數(shù)值，適用于閉口系統(tǒng)各種能量交換過程。對于任意過程(可逆過程或不可逆過程)、任意工質都適用注意閉口系統(tǒng)能量方程常用形式單位質量工質q

=u

+

wq

=du+

w可逆過程q

=du+

pdvq

=u

+

∫1

pdv2閉口系循環(huán)的熱一律表達式要想得到功，必須化費熱能或其它能量熱一律又可表述為“第一類永動機是不可能制成的”門窗緊閉房間用電冰箱降溫以房間為系統(tǒng)

絕熱閉口系閉口系能量方程T電冰箱RefrigeratorIcebox門窗緊閉房間用空調降溫以房間為系統(tǒng)

閉口系閉口系能量方程T空調QAir-conditioner§

2-4開口系能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout能量守恒原則進入系統(tǒng)的能量

-離開系統(tǒng)的能量

=系統(tǒng)儲存能量的變化開口系能量方程的推導WnetQpvinmoutuinuoutgzingzoutQ

+

min(u

+

c2/2

+

gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wnet

=

dUcvminpvout開口系能量方程微分式Q

+

min(u

+

pv+c2/2

+

gz)in-

Wnet

-

mout(u

+

pv+c2/2

+gz)out

=

dUcv工程上常用流率U當有多條進出口：流動時，總一起存在U焓Enthalpy的引入定義：焓

h

=u

+

pv開口系能量方程Uhh焓Enthalpy的

說明

定義：h

=

u

+

pv[kJ/kg]

H

=

U

+

pV

[kJ]1、焓是狀態(tài)量stateproperty3、H為廣延參數(shù)

H=U+pV=

m(u+pv)=mhh為比參數(shù)4、對流動工質，焓代表能量(熱力學能+推動功)

對靜止工質，焓不代表能量2、物理意義：開口系中隨工質流動而攜帶的、取決

于熱力狀態(tài)的能量。

焓并不能看作是工質儲存的能量，而是隨工質流動跨越邊界而轉移的能量。熱力學能則是工質內部儲存能量的唯一形式?！?-5

穩(wěn)定流動能量方程穩(wěn)定流動定義：是指系統(tǒng)（內部及邊界）各點工質的所有熱力參數(shù)及運動參數(shù)都不隨時間而變化的流動。任一截面參數(shù)不隨時間變化條件任一截面的質量流量均相同與外界交換的功和熱量不隨時間min軸功WsQmoutuinuoutgzingzout穩(wěn)定流動條件開口系統(tǒng)能量方程1kg工質穩(wěn)定流動能量方程適用條件：任何流動工質任何穩(wěn)定流動過程技術功Wt

動能差 工程技術上可以直接利用軸功機械能勢能差單位質量工質的開口與閉口wsq穩(wěn)流開口系閉口系(1kg)容積變化功等價技術功穩(wěn)流開口與閉口的能量方程容積變化功w技術功wt閉口穩(wěn)流開口等價軸功ws流動功(pv)幾種功的關系？幾種功的關系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws對功的小結2、開口系，系統(tǒng)與外界交換的功為軸功ws3、一般情況下忽略動、位能的變化1、閉口系，系統(tǒng)與外界交換的功為容積變化功wwswt準平衡下的技術功準平衡準平衡熱一律解析式之一熱一律解析式之二技術功在示功圖上的表示第一定律的表達式：基本形式re微元形式re流率形式例1：透平(Turbine)機械火力發(fā)電核電飛機發(fā)動機輪船發(fā)動機移動電站燃氣機蒸汽輪機Steamturbine§2-6穩(wěn)定流動能量方程應用舉例透平(Turbine)機械與外界存在功量交換。有散熱，q為負，相對于功量散熱量≈0。宏觀動能和位能的變化可忽略：ws

=-△h=

h1-

h2>0輸入的軸功轉變?yōu)殪噬?00例2：壓縮機械Compressor火力發(fā)電核電飛機發(fā)動機輪船發(fā)動機移動電站壓氣機水泵制冷空調壓縮機壓縮機械ws

=-△h

=

h1-

h2<0輸入的軸功轉變?yōu)殪噬美}：某一蒸汽輪機，進口蒸汽：P1=9.0MPa,t1=500oC,h1=3386.8kJ/kgcf1=50m/s;出口蒸汽參數(shù)為：P2=4kPa,h2=2226.9kJ/kg,cf2=140m/s,進出口高度差為12m，每kg蒸汽經蒸汽輪機散熱損失為15kJ。試求：（1）單位質量蒸汽流經汽輪機對外輸出功；（2）不計進出口動能的變化，對輸出功的影響；（3）不計進出口位能差，對輸出功的影響；（4）不計散熱損失，對輸出功的影響；（5）若蒸汽流量為220t/h，汽輪機功率有多大？已知：P1=9.0MPa，t1=500oC,，h1=3386.8kJ/kg，cf1=50m/s;

P2=4kPa,h2=2226.9kJ/kg,cf2=140m/sq=-15kJ/kg，?z=12m解：（1）選汽輪機為熱力系，由穩(wěn)定流動能量方程：第（2）~（4），實際上計算是不計動、位能差以及散熱損失時，、所得軸功的相對偏差（2）（3）（4）（5）例3：換熱設備HeatExchangers火力發(fā)電：鍋爐、凝汽器核電：熱交換器、凝汽器制冷空調蒸發(fā)器、冷凝器換熱設備冷熱流體的熱量交換，僅交換熱量而無功量交換，忽略宏觀動能和位能的變化：對冷流體或熱流體分析可得：焓變鍋爐1kg蒸汽的吸熱量：q=h2-h1>0換熱器1kg蒸汽的放熱量：q=h2-h1<0例4：絕熱節(jié)流ThrottlingValves管道閥門制冷空調膨脹閥h1h2絕熱節(jié)流h1h2冷工質流經閥門時，流動截面突然收縮，由于存在流動阻力會造成流體壓力降低的現(xiàn)象。節(jié)流是不可逆過程。離閥門不遠的兩個截面的流動可用穩(wěn)定流動的能量方程式。流動可以看作是絕熱的q=0，不對外做工WS=0，忽略動、位能的變化例5：噴管和擴壓管火力發(fā)電蒸汽輪機靜葉核電飛機發(fā)動機輪船發(fā)動機移動電站壓氣機靜葉噴管和擴壓管噴管目的：壓力降低，速度提高擴壓管目的：動能與焓變相互轉換速度降低，壓力升高動能參與轉換，不能忽略充氣問題解：取A為CV——容器剛性絕熱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，打開閥門充氣，使壓力p2=4MPa時截止。若空氣u=0.72T求容器A內達平衡后溫度T2及充入氣體量m。非穩(wěn)定開口系dUCV由或流入：hinδmin

流出：0熱力學能增：uδm故討論：1）非穩(wěn)態(tài)流動問題可用一般能量方程式也可用基本原則。在一些條件下，后者常更方便。2）能量方程中若流體流出、入系統(tǒng)，物質能量用h，若不流動用u。3）是推動功轉換成熱力學能—即使向真空系統(tǒng)輸送，也需要推動功！例題：某燃氣輪機裝置如圖所示，空氣首先進入壓氣機，壓縮到一定的壓力后進入燃燒室，這是燃油噴入和空氣混合燃燒產生高溫高壓燃氣，然后進入噴管絕熱膨脹，p上升v下降，告訴氣流再沖擊葉片，帶動葉輪旋轉做功，做功后的乏汽排入大氣。燃燒室噴管葉輪壓氣機燃燒室噴管葉輪壓氣機已知：h1=290kJ/kg，cf1=0；h2=580kJ/kg，cf2=20m/s；cf3=0q=670kJ/kgh1=290kJ/kgcf1=0h2=580kJ/kgcf2=20m/s12345cf3=0h4=800kJ/kg；h4=h5，cf5=100m/s；h4=800kJ/kgh4=h5cf5=100m/s求：（1）cf4=？（2）壓氣機所耗的功ws，C燃氣輪機所耗的功ws，T（3）若空氣流量qm=100kg/s,

求裝置的總功率燃燒室噴管葉輪