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工程熱力學(xué)多媒體課建章張第一頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日2-2熱力學(xué)能和總能一、熱力學(xué)能物質(zhì)內(nèi)部擁有的能量稱(chēng)為熱力學(xué)能,其組成是:內(nèi)動(dòng)能(分子平移,旋轉(zhuǎn),振動(dòng))內(nèi)位能(分子間作用力)化學(xué)能(維持一定的分子結(jié)構(gòu))原子能(原子核內(nèi)部)如果無(wú)化學(xué)反應(yīng),無(wú)核反應(yīng),熱力學(xué)能U=內(nèi)動(dòng)能+內(nèi)位能1kg物質(zhì)的熱力學(xué)能稱(chēng)比熱力學(xué)能u,單位是J/kg。熱力學(xué)能是熱力狀態(tài)的單值函數(shù),它與路徑無(wú)關(guān),是狀態(tài)參數(shù)。
u=f(T,v);u=f(T,p);u=f(p,v)(2-1)第二頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日一、熱力學(xué)能的性質(zhì)分子動(dòng)能分子位能(相互作用)核能化學(xué)能熱力學(xué)能
U:
廣延參數(shù),單位[J]
u:
比參數(shù),單位[J/kg]
熱力學(xué)能總以相對(duì)量出現(xiàn),熱力學(xué)能零點(diǎn)由人為而定。說(shuō)明:移動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能振動(dòng)動(dòng)能第三頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日二、總能工質(zhì)的外部?jī)?chǔ)存能工質(zhì)的總能:熱力學(xué)能+宏觀動(dòng)能及位能
E=
U
+
Ek
+Ep
(2-2)
E=
U
+
mcf2/2+mgz
(2-3)1kg工質(zhì)的總能,即比總能為e=u+
cf2/2+gz
(2-4)宏觀動(dòng)能Ek=mcf2/2宏觀位能Ep=mgz機(jī)械能宏觀動(dòng)能與內(nèi)動(dòng)能的區(qū)別圖2-1系統(tǒng)的宏觀動(dòng)能與內(nèi)動(dòng)能總能外部?jī)?chǔ)存能宏觀動(dòng)能宏觀位能熱力學(xué)能,內(nèi)部?jī)?chǔ)存能第四頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日2-3能量的傳遞和轉(zhuǎn)化一、作功和傳熱能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體可有兩種方式:作功;傳熱。1.作功來(lái)傳遞能量總是和物體的宏觀位移有關(guān),如下圖1-13所示:物體的宏觀位移伴隨著能量形態(tài)的變化作功特點(diǎn)“作功”是系統(tǒng)與外界間的一種相互作用,是越過(guò)邊界的能量交換。功是指作功過(guò)程中傳遞能量的總稱(chēng),一旦過(guò)程結(jié)束就再無(wú)所謂“功”了。p△W12mndVFdxV第五頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日
2.用傳熱來(lái)傳遞能量不需要物體的宏觀位移。傳熱是系統(tǒng)與外界之間依靠溫差進(jìn)行的一種能量傳遞現(xiàn)象,所傳遞的能量稱(chēng)為熱量。在自然界,總是高溫物體把能量傳遞給低溫物體,傳遞能量用熱量來(lái)度量。熱量符號(hào)規(guī)定:系統(tǒng)從外界吸熱為正;向外界放熱為負(fù)。3.熱能和熱量不是同一個(gè)概念溫差雖然是傳熱過(guò)程的推動(dòng)勢(shì)差,但系統(tǒng)溫度的變化與傳熱并無(wú)必然的聯(lián)系。不能由此判斷出系統(tǒng)是否曾經(jīng)吸熱或放熱。熱能是微觀粒子無(wú)序雜亂運(yùn)動(dòng)的能量。傳熱第六頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日二、推動(dòng)功和流動(dòng)功
工質(zhì)在開(kāi)口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功叫推動(dòng)功。見(jiàn)下圖2-2(a),當(dāng)工質(zhì)流入汽缸推動(dòng)活塞移動(dòng)距離△l,所作的功為pA*△l=pV,比體積v=V/m,
pA*△l=pV=mpv。1kg工質(zhì)的推動(dòng)功
=pv。如圖2-2中矩形面積所示。
圖2-2推動(dòng)功第七頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日1、推動(dòng)功(flowwork;flowenergy)推動(dòng)功:工質(zhì)在開(kāi)口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功叫推動(dòng)功。pvp1v11o二、推動(dòng)功和流動(dòng)功第八頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日對(duì)推動(dòng)功的說(shuō)明1、與宏觀流動(dòng)有關(guān),流動(dòng)停止,推動(dòng)功不存在2、作用過(guò)程中,工質(zhì)僅發(fā)生位置變化,無(wú)狀態(tài)變化3、1kg工質(zhì)w推=pv
與所處狀態(tài)有關(guān),是狀態(tài)量4、并非工質(zhì)本身的能量(動(dòng)能、位能)變化引起,而由外界做出的,是流動(dòng)工質(zhì)所攜帶的能量可理解為:由于工質(zhì)的進(jìn)出,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)所攜帶和所傳遞的一種能量。第九頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日流動(dòng)功:系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動(dòng)所需的功。流動(dòng)功定義:開(kāi)口系統(tǒng)的推出功與推進(jìn)功之差。是系統(tǒng)維持流動(dòng)所花費(fèi)的代價(jià)。
推動(dòng)功在p-v圖上的表示:
流動(dòng)功(flowwork;flowenergy)第十頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日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?,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)能、熱力學(xué)能)WQ焓的定義:H=U+pV[J](2-5)1kg工質(zhì)的焓稱(chēng)為比焓:
h=u+pv[J/kg](2-6)1、焓是狀態(tài)參數(shù),與達(dá)到這一狀態(tài)的路徑無(wú)關(guān)。熱力學(xué)能U的物理意義:
dU
=
Q
-
W2-4焓(Enthalpy)第十一頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日2-4焓(Enthalpy)
2、焓H為廣延參數(shù)
H=U+pV=
m(u+pv)=mhu+pv的合并出現(xiàn)不是偶然的。u是1kg工質(zhì)的熱力學(xué)能,
pv是1kg工質(zhì)的推動(dòng)功。3、對(duì)流動(dòng)工質(zhì),焓代表能量(內(nèi)能+推動(dòng)功)。
對(duì)靜止工質(zhì),焓不代表能量。4、焓的物理意義:開(kāi)口系中隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶的、取決于熱力狀態(tài)的能量。
第十二頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日
熱力學(xué)第一定律的能量方程式就是系統(tǒng)變化過(guò)程的能量平衡方程式。根據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律,熱力學(xué)第一定律的文字表達(dá)式:進(jìn)入系統(tǒng)的能量總和-離開(kāi)系統(tǒng)的能量總和=系統(tǒng)總儲(chǔ)存能的增量(2-9)EE+dE流入:流出:內(nèi)部貯能的增量:dE2-5熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式它適用于任何過(guò)程和任何工質(zhì)的熱力系統(tǒng)。第十三頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日§2-5熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開(kāi)系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中貯存能量的增加量(2-9)它適用于任何過(guò)程和任何工質(zhì)的熱力系統(tǒng)。1.閉口系的能量方程:
Q-W=U=U2–U1Q=U+W(2-10)
(輸入)(貯增)(輸出)對(duì)于一個(gè)微元過(guò)程,第一定律的解析式的微分形式:Q=dU+W(2-11)對(duì)于1kg工質(zhì),有
q=u+w(2-12)q=du+w(2-13)規(guī)定:系統(tǒng)吸熱Q為正,系統(tǒng)對(duì)外作功為正,反之則為負(fù)。系統(tǒng)的熱力學(xué)能增大時(shí),U為正,反之則為負(fù)。WQ第十四頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日
可逆過(guò)程的能量方程對(duì)可逆過(guò)程,有W=p*dV,所以Q=
dU+
pdV,
Q=U+
21pdV
(2-14)q
=
du
+
pdv,
q=u+
21pdv(2-15)簡(jiǎn)單可壓縮系的可逆過(guò)程僅存在容積功。閉口系循環(huán)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式
(2-16)要想得到功,必須花費(fèi)熱能或其它能量。第十五頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日熱力學(xué)能及閉口系熱力學(xué)第一定律表達(dá)式
dU=
Q
-
W
熱力學(xué)能U
—
狀態(tài)函數(shù)Q
=
dU
+
WQ
=
U
+
W閉口系熱力學(xué)第一定律表達(dá)式兩種特例:Q
=
dU
絕熱系統(tǒng)絕功系統(tǒng)W
=-
dU第十六頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日例題自由膨脹如圖,解:取氣體為熱力系
—閉口系?開(kāi)口系?強(qiáng)調(diào):功是通過(guò)邊界傳遞的能量。抽去隔板,求?第十七頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日歸納熱力學(xué)解題思路1)取好熱力系;2)計(jì)算初、終態(tài);3)兩種解題思路從已知條件逐步推向目標(biāo)從目標(biāo)反過(guò)來(lái)缺什么補(bǔ)什么4)不可逆過(guò)程的功可嘗試從外部參數(shù)著手。第十八頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日第十九頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日
實(shí)際熱力設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程復(fù)雜,為簡(jiǎn)化問(wèn)題,做4個(gè)假定:假定控制容積形狀、大小、空間位置均不隨時(shí)間改變?!蚨y(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的總能時(shí),不考慮系統(tǒng)整體的外觀能量,但要計(jì)算流體的流動(dòng)動(dòng)能,重力位能以及熱力學(xué)能。假定系統(tǒng)除與外界有物質(zhì)流交換,在沒(méi)有質(zhì)量流穿越的邊界上,還可以有傳熱和作功的相互作用。假定進(jìn)口、出口截面上存在局部平衡條件。假定流動(dòng)為一元流動(dòng)——僅在沿流動(dòng)的方向上才有參數(shù)的變化?!?-6開(kāi)口系統(tǒng)能量方程式第二十頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日一、開(kāi)口系的能量方程
依據(jù):能量守恒原則進(jìn)入系統(tǒng)能量-離開(kāi)系統(tǒng)能量=系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的增加
(2-9)minmoutWiQuinuoutgzingzout第二十一頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日一、開(kāi)口系能量方程第二十二頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日2-182-192-202-182-20)第二十三頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日二、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程
在流動(dòng)過(guò)程中,開(kāi)口系統(tǒng)(包括進(jìn)、出口截面上)各點(diǎn)工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及流動(dòng)情況(流速、流向)不隨時(shí)間變化時(shí),稱(chēng)為穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程。
1、系統(tǒng)各截面狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化2、系統(tǒng)與外界的能量交換不隨時(shí)間變化3、系統(tǒng)自身能量貯存與質(zhì)量貯存不隨時(shí)間變化穩(wěn)定流動(dòng)的必要條件為minWiQmoutuinuoutgzingzout∑qm,in=∑qm,out在只有單股流體進(jìn)出時(shí):q
m1=q
m2=q
m第二十四頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日穩(wěn)定流動(dòng)能量方程將以上條件代入式(2-20),并用qm
除式(2-20),有i(2-21)式中,q和wi分別是1kg工質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)后,系統(tǒng)從外界吸入的熱量和在機(jī)器內(nèi)部作的功。當(dāng)min=mout=m,穩(wěn)定流動(dòng)能量方程可寫(xiě)為
Q=△H+m△cf2+mg△z+Wi
(2-23)式(2-21)-(2-24)是據(jù)能量守恒定理在穩(wěn)定條件導(dǎo)出,其適用條件:任何穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程的任何流動(dòng)工質(zhì)。fqm1=qm2=qm第二十五頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)1kg工質(zhì)穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的能量方程iiiii第二十六頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的分析if將△h=△u+△(pv)代入上式,有:(2-21)工質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能工質(zhì)在過(guò)程中的容積變化功fi上式說(shuō)明,工質(zhì)在狀態(tài)變化過(guò)程中從熱能轉(zhuǎn)變而來(lái)的機(jī)械能
=容積變化的膨脹功(2-25)第二十七頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日穩(wěn)定流動(dòng)能量方程分析技術(shù)功wtif(2-21)技術(shù)功ifwt=(2-26)由式(2-25)并考慮q-△u=w,則wt=w-△(pu)=w-(p2u2–p1u1)(2-27)第二十八頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日技術(shù)功在示功圖上的表示對(duì)可逆過(guò)程:wt=2211(2-28)51265123415140562306圖2-5技術(shù)功的表示在微元過(guò)程中Wi=-vdp(2-29)65dp第二十九頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日穩(wěn)流開(kāi)口與閉口的能量方程容積變化功w技術(shù)功wt引入技術(shù)功wt(2-16)式為:
穩(wěn)流開(kāi)口系等價(jià)工質(zhì)對(duì)機(jī)器作的功wi推動(dòng)功(pv)幾種功的關(guān)系?閉口系(2-21)1kg工質(zhì)的:(2–12)wwt△(pv)c2/2wig△z做功根源第三十頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日能量轉(zhuǎn)換關(guān)系分析穩(wěn)流開(kāi)口系閉口系兩種過(guò)程中消失了的熱能數(shù)量上都等于(q-u)任何情況下,熱力過(guò)程造成的熱變功效果只是(q-u),即過(guò)程功工質(zhì)的過(guò)程功是熱變功的根源i第三十一頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日幾種功的關(guān)系wwt△(pv)c2/2wig△z做功的根源wii技術(shù)功工質(zhì)對(duì)機(jī)器作的功第三十二頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日過(guò)程功和有用功的概念過(guò)程功:按照系統(tǒng)在熱力過(guò)程中的狀態(tài)變化而應(yīng)該作出的功。系統(tǒng)的過(guò)程功中通??煞譃橛杏霉蜔o(wú)用功的兩個(gè)部分。對(duì)大氣所作的任何功是無(wú)用的,克服摩擦所作的功都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚蚨彩菬o(wú)用的。設(shè)備從轉(zhuǎn)軸上傳出的軸功,提升重物所作的機(jī)械功,以及工質(zhì)本身的宏觀動(dòng)能和重力位能的增加(可以利用相關(guān)機(jī)械設(shè)備進(jìn)一步使之轉(zhuǎn)變?yōu)檩S功等機(jī)械功)都屬于系統(tǒng)所作的有用功。有用功:技術(shù)上有用的,可以輸給功源的功。功源:一種可以向熱力系作功或從熱力系統(tǒng)接受功的外界物體或裝置。第三十三頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日【例2-2】已知新蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)時(shí)的焓h1=3232kJ/kg,流速cf1=50m/s,乏汽流出汽輪機(jī)時(shí)的焓h2=2302kJ/kg,流速cf2=120m/s。忽略熱損失和位能差。若蒸汽流量qm為10t/h,試求:(1)汽輪機(jī)的功率;
(2)忽略散熱損失(q=0)和蒸汽進(jìn)、出口動(dòng)能變化引起的計(jì)算誤差。
解:(1)因蒸汽在汽輪機(jī)中的流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng),可根據(jù)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程式進(jìn)行求解。第三十四頁(yè),共四十一頁(yè),2022年,8月28日【例2-2】而蒸汽在汽輪機(jī)中絕熱膨脹,并且,其進(jìn)出口的高度差可近似看作等于零,因此可得:if解
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