熱工基礎(chǔ)課件2

第一篇工程熱力學(xué)第二章熱力學(xué)第一定律102--熱力學(xué)第一定律SCH本章主要內(nèi)容熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)系統(tǒng)儲(chǔ)存能閉口系能量方程狀態(tài)參數(shù)焓開口系統(tǒng)能量方程及其應(yīng)用202--熱力學(xué)第一定律SCH本章基本要求1．掌握熱力系儲(chǔ)存能的概念，掌握狀態(tài)參數(shù)熱力學(xué)能、焓的定義及物理意義；2．深刻理解熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)，并能熟練運(yùn)用熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式（即能量方程）對閉口系能量交換進(jìn)行分析及計(jì)算；3．理解穩(wěn)定流動(dòng)的特點(diǎn)及開口系與閉口系在能量分析上的區(qū)別，并能熟練運(yùn)用穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程式對工程問題進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的分析和計(jì)算；4．了解膨脹（壓縮）功、軸功、技術(shù)功、流動(dòng)功之間的聯(lián)系與區(qū)別。302--熱力學(xué)第一定律SCH2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)19世紀(jì)30-40年代，邁爾·焦耳（德國醫(yī)生）發(fā)現(xiàn)并確定了能量轉(zhuǎn)換與守恒定律。恩格斯將這列為19世紀(jì)三大發(fā)現(xiàn)之一。能量轉(zhuǎn)換與守恒定律定律指出：一切物質(zhì)都具有能量。能量既不可能創(chuàng)造，也不能消滅，它只能在一定的條件下從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。而在轉(zhuǎn)換中，能量的總量恒定不變。至今為止，沒有一個(gè)人提出一個(gè)事實(shí)不符合這條自然規(guī)律的，相反，在各個(gè)領(lǐng)域：天文、地理、生物、化學(xué)、電磁光、宏觀、微觀各領(lǐng)域都遵循

這條規(guī)律。熱力學(xué)是研究能量及其特性的科學(xué)，它必然要遵循這條規(guī)律。（細(xì)胞學(xué)說、達(dá)爾文進(jìn)化論）402--熱力學(xué)第一定律SCH2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)：熱力學(xué)第一定律是能量轉(zhuǎn)換和守恒定律在熱力學(xué)上的應(yīng)用。意義：確定了熱能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系，是工程熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)之一，是熱工分析與計(jì)算的理論依據(jù)。表述：熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊?，在相互轉(zhuǎn)變時(shí)能的總量是不變的。熱力學(xué)第一定律又稱為當(dāng)量定律。當(dāng)量定律：功和熱量的當(dāng)量關(guān)系可表示為：Q＝AW式中A——功熱當(dāng)量．表示單位功所相當(dāng)?shù)臒崃?。相?dāng)熱功工程上，常采用kw·h(干瓦·時(shí))作為功的單位，熱量的單位為KJ則：A=3600KJ/(kw·h)；國際單位制中，功和熱量的單位相同．則A＝1。502--熱力學(xué)第一定律SCH第一類永動(dòng)機(jī)思考?第一類永動(dòng)機(jī)：不消耗能量而能對外連續(xù)作功的機(jī)器；實(shí)踐證明是不可能實(shí)現(xiàn)的。故熱力學(xué)一定律也可表述為：“第一類永動(dòng)機(jī)是永遠(yuǎn)也造不成的”。各種永動(dòng)機(jī)問題長期困擾著科技界與社會(huì)。第二類永動(dòng)機(jī)—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100%的機(jī)器）（有關(guān)問題在第四章課中將詳細(xì)討論）。長期以來一直有人在追求、研究各種形式的永動(dòng)機(jī)，無一有所收獲。希望同學(xué)們樹立正確的思想方法，既要有懷疑精神，也不要誤入歧途。下面看幾個(gè)第一類永動(dòng)機(jī)的幾個(gè)例子:602--熱力學(xué)第一定律SCH永動(dòng)機(jī)設(shè)想？Q鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器WnetQout電加熱器702--熱力學(xué)第一定律SCH永動(dòng)機(jī)設(shè)想？802--熱力學(xué)第一定律SCH第一類永動(dòng)機(jī)902--熱力學(xué)第一定律SCH第一類永動(dòng)機(jī)1002--熱力學(xué)第一定律SCH永動(dòng)機(jī)設(shè)想?1102--熱力學(xué)第一定律SCH第二類永動(dòng)機(jī)設(shè)想？飲水鳥，利用液體揮發(fā)降溫實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，也是需要存在溫差的（飲水鳥的兩端存在溫差），因而不是第二類永動(dòng)機(jī)。

1202--熱力學(xué)第一定律SCH永動(dòng)機(jī)設(shè)想？？？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1302--熱力學(xué)第一定律SCH2-2系統(tǒng)儲(chǔ)存能能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的度量，運(yùn)動(dòng)有各種不同的形態(tài)，相應(yīng)的就有各種不同的能量。系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量稱為儲(chǔ)存能，它有內(nèi)部儲(chǔ)存能與外部儲(chǔ)存能之分。系統(tǒng)的內(nèi)部儲(chǔ)存能即為熱力學(xué)能。系統(tǒng)儲(chǔ)存能內(nèi)部儲(chǔ)存能(微觀)（熱力學(xué)能即內(nèi)能）外部儲(chǔ)存能(宏觀)（宏觀機(jī)械能）1402--熱力學(xué)第一定律SCH一、熱力學(xué)能(內(nèi)能)1、概念：熱力學(xué)能是儲(chǔ)存在系統(tǒng)內(nèi)部的各種微觀能量的總稱，它與系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的內(nèi)部粒子的微觀運(yùn)動(dòng)和粒子的空間位置有關(guān).熱力學(xué)能(內(nèi)能)

符號(hào)：U，法定計(jì)量單位：焦耳（J）比熱力學(xué)能(比內(nèi)能)（1kg物質(zhì)的熱力學(xué)能）：符號(hào)：u，單位：J/kg增加熱力學(xué)能的兩種方法:做功和傳熱1502--熱力學(xué)第一定律SCH一、熱力學(xué)能(內(nèi)能)2、微觀組成：內(nèi)動(dòng)能：分子熱運(yùn)動(dòng)（移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)）形成的內(nèi)動(dòng)能。它是溫度的函數(shù)。內(nèi)位能：分子間相互作用形成的內(nèi)位能。它是比體積和溫度的函數(shù)。其它能：維持一定分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)能、原子核內(nèi)部的原子能及電磁場作用下的電磁能等。注意：工程熱力學(xué)中只存在內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)位能。所以有：u=f(T,v)1602--熱力學(xué)第一定律SCH一、熱力學(xué)能（內(nèi)能）3、熱力學(xué)能特性熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)，是熱力狀態(tài)的單值函數(shù)；其變化量與過程特性無關(guān)，只與初、終狀態(tài)有關(guān)；對理想氣體,熱力學(xué)能只與工質(zhì)的溫度有關(guān)。注意：pv12ab01702--熱力學(xué)第一定律SCH物體的內(nèi)能與機(jī)械能的區(qū)別

1．能量的形式不同。物體的內(nèi)能和物體的機(jī)械能分別跟兩種不同的運(yùn)動(dòng)形式相對應(yīng)，內(nèi)能是由于組成物體的大量分子的熱運(yùn)動(dòng)及分子間的相對位置而使物體具有的能．而機(jī)械能是由于整個(gè)物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)及其與它物體間相對位置而使物體具有的能。

2．決定能量的因素不同。內(nèi)能只與物體的溫度和體積有關(guān)，而與整個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度路物體的相對位置無關(guān)．機(jī)械能只與物體的運(yùn)動(dòng)速度和跟其他物體的相對位置有關(guān)，與物體的溫度體積無關(guān)。

3．一個(gè)具有機(jī)械能的物體，同時(shí)也具有內(nèi)能；一個(gè)具有內(nèi)能的物體不一定具有機(jī)械能。1802--熱力學(xué)第一定律SCH二、外部儲(chǔ)存能需要用在系統(tǒng)外的參考坐標(biāo)系測量的參數(shù)來表示的能量，稱為外部儲(chǔ)存能，它包括系統(tǒng)的宏觀動(dòng)能和重力位能：宏觀動(dòng)能：

m—物體質(zhì)量；c—運(yùn)動(dòng)速度重力位能：

Z—相對于系統(tǒng)外的參考坐標(biāo)系的高度1902--熱力學(xué)第一定律SCH系統(tǒng)總儲(chǔ)存能(E)=熱力學(xué)能(U)+外儲(chǔ)存能(Ek+Ep)單位質(zhì)量工質(zhì)的比儲(chǔ)存能：比儲(chǔ)存能為狀態(tài)參數(shù)，對于沒有宏觀運(yùn)動(dòng)且相對高度為零的系統(tǒng)，總儲(chǔ)存能就等于熱力學(xué)能，即：e=u或 E=U三、系統(tǒng)的總儲(chǔ)存能2002--熱力學(xué)第一定律SCH2-3閉口系能量方程式閉口系：系統(tǒng)與外界沒有物質(zhì)交換，傳遞能量只有熱量和功量兩種形式。在熱力過程中（如圖）系統(tǒng)從外界熱源取得熱量Q；對外界做膨脹功W；=進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)內(nèi)部儲(chǔ)存能量的變化-能量平衡關(guān)系式：WQ2102--熱力學(xué)第一定律SCH對于不做整體移動(dòng)的閉口系，系統(tǒng)宏觀動(dòng)能和位能均無變化，有：（?E=?U），故對微元過程單位質(zhì)量熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的根本途徑熱力系吸收的能量增加系統(tǒng)的熱力學(xué)能對外膨脹作功

一定質(zhì)量對微元過程2-3閉口系能量方程式2202--熱力學(xué)第一定律SCH第一定律基本表達(dá)式的符號(hào)規(guī)定+系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱內(nèi)能增加內(nèi)能減少系統(tǒng)對外界做功外界對系統(tǒng)做功2302--熱力學(xué)第一定律SCH對可逆過程，上述一定律的表達(dá)式也可表示為下列各式(只適用于可逆過程)：注意：以上各能量方程式適用于閉系各種過程（可逆或不可逆）及各種工質(zhì)（理想氣體、實(shí)際氣體或液體）一定質(zhì)量單位質(zhì)量一定過程微元過程2402--熱力學(xué)第一定律SCH例題分析例2-1：氣體在某一過程中吸收的熱量為50J，同時(shí)熱力學(xué)能增加了84J，問此過程是膨脹過程還是壓縮過程?作功量為多少?解：根據(jù)題意，有Q=50J，ΔU=84J，由閉口系能量方程式，可得:W=Q-ΔU=50-84=-34J<0可見，此過程為壓縮過程，外界對氣體作功34J。2502--熱力學(xué)第一定律SCH例題分析例2-2：一閉口系從狀態(tài)1沿1-2-3途徑到狀態(tài)3,傳遞給外界的熱量為47.5kJ,而系統(tǒng)對外作功為30kJ,如圖所示。(1)若沿1-4-3途徑變化時(shí),系統(tǒng)對外作功15kJ,求過程中系統(tǒng)與外界的傳熱量；(2)若系統(tǒng)從狀態(tài)3沿圖示曲線途徑到達(dá)狀態(tài)1,外界對系統(tǒng)作功6kJ，求該過程中系統(tǒng)與外界傳遞的熱量；(3)若U2=175kJ,U3=87.5kJ,求過程2-3傳遞的熱量及狀態(tài)1的熱力學(xué)能。解：對途徑1-2-3，由閉口系能量方程式得

ΔU123=U3-U1=Q123-W123=-47.5-30=-77.5kJ（1）對途徑1-4-3，由閉口系能量方程式得

Q143=ΔU143+W143

而ΔU143=ΔU123=-77.5kJ，故

Q143=-77.5+15=-62.5kJ

（說明系統(tǒng)向外界放熱）pv12342602--熱力學(xué)第一定律SCH（2）對途徑3-1，由閉口系能量方程式得

Q31=ΔU31+W31=-ΔU123+W31

=77.5+(-6)=71.5kJ

（說明系統(tǒng)從外界吸熱）（3）對途徑2-3，有W23=0，則

Q23=ΔU23+W23=U3-U2

=87.5-175=-87.5kJU1=U3-ΔU123=87.5-(-77.5)=165kJ2702--熱力學(xué)第一定律SCH2-4狀態(tài)參數(shù)焓在熱力設(shè)備中，工質(zhì)的吸熱和作功過程往往伴隨著工質(zhì)的流動(dòng)而進(jìn)行。除了熱和功交換外，還有物質(zhì)交換，并且由于物質(zhì)交換引起其它能量的交換；此時(shí)熱力系屬開口系。如火力發(fā)電廠中，給水在鍋爐各受熱面用加熱器中的吸熱過程；蒸汽在汽輪機(jī)中的作功過程等。如推動(dòng)功。2802--熱力學(xué)第一定律SCH一、推動(dòng)功與流動(dòng)凈功1、推動(dòng)功：工質(zhì)在流過熱力設(shè)備時(shí)，必須受外力推動(dòng)，這種推動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)而作的功稱為推動(dòng)功（流動(dòng)功、推進(jìn)功）。

W推=p

Ah=pV=mpv

單位質(zhì)量流動(dòng)功：w推=pv注意：不是pdv,，v沒有變化；推動(dòng)功不是工質(zhì)本身具有的能量，它是用來維持工質(zhì)流動(dòng)的，是伴隨工質(zhì)流動(dòng)而帶入和帶出的能量。2902--熱力學(xué)第一定律SCH對推動(dòng)功的理解1、與宏觀流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)停止，推進(jìn)功不存在；2、作用過程中，工質(zhì)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(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（泵與風(fēng)機(jī)）做出，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)使所攜帶和所傳遞的一種能量3002--熱力學(xué)第一定律SCH2、流動(dòng)凈功流動(dòng)凈功：對于有同時(shí)有工質(zhì)進(jìn)出的開口系，系統(tǒng)與外界交換的推動(dòng)功的差值，稱為流動(dòng)凈功。流動(dòng)凈功可視為由于工質(zhì)的進(jìn)出，系統(tǒng)與外界傳遞的能量。流動(dòng)功與流動(dòng)凈功動(dòng)畫對單位質(zhì)量：wf=?(pv)3102--熱力學(xué)第一定律SCH二、焓對于m千克工質(zhì)：焓=內(nèi)能+流動(dòng)功

2、焓的物理意義：（1）對流動(dòng)工質(zhì)(開口系統(tǒng))，表示沿流動(dòng)方向傳遞的總能量中，取決于熱力狀態(tài)的那部分能量.思考：對理想氣體有：h=u+RgT=f(T)

對于1千克工質(zhì)：h=u+pv（2）對不流動(dòng)工質(zhì)(閉口系統(tǒng))，焓只是一個(gè)復(fù)合狀態(tài)參數(shù)，1、焓的定義式：單位：J或kJ單位：J/kg或kJ/kg焓只與狀態(tài)參數(shù)u,p,v有關(guān)，它也是狀態(tài)參數(shù)3202--熱力學(xué)第一定律SCH2-5開口系穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程

及其應(yīng)用穩(wěn)定流動(dòng)概念：開口系統(tǒng)內(nèi)任意各點(diǎn)工質(zhì)的熱力狀態(tài)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)都不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)過程。如：電廠中的熱力設(shè)備（汽輪機(jī)、加熱器等），除啟動(dòng)、停止或者加減負(fù)荷外，大部分時(shí)間是在外界影響不變的條件下穩(wěn)定運(yùn)行的，可以認(rèn)為處于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。穩(wěn)定流動(dòng)必須滿足以下條件：（1）系統(tǒng)內(nèi)及邊界各點(diǎn)工質(zhì)的狀態(tài)不隨時(shí)間變化；（2）系統(tǒng)內(nèi)各流通截面上工質(zhì)的質(zhì)量流量相等，且不隨時(shí)間而變，滿足質(zhì)量守恒；即qm1=qm2=qm。（3）系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存的能量保持不變，即單位時(shí)間內(nèi)輸入系統(tǒng)的能量應(yīng)等于從系統(tǒng)輸出的能量，即ΔE=0。3302--熱力學(xué)第一定律SCH一、穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程在單位時(shí)間內(nèi)有mkg工質(zhì)帶入系統(tǒng)的能量：（1）焓H1=U1+P1V1（2）宏觀動(dòng)能（3）重力位能mgz1（4）外界加入熱量Qmkg工質(zhì)帶出的能量有：（1）焓H2=U2+P2V2（2）宏觀動(dòng)能（3）重力位能mgz2（4）系統(tǒng)對外輸出軸功WSWsQP1v1H1c1c2z1z2P2v2H23402--熱力學(xué)第一定律SCH離開系統(tǒng)的總能量：

由于是穩(wěn)定流動(dòng)，系統(tǒng)儲(chǔ)存能的變化量?E=0。代入能量平衡方程式，可得開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程：

單位質(zhì)量工質(zhì)：

進(jìn)入系統(tǒng)的總能量：此方程適用于任何工質(zhì)、任何穩(wěn)定流動(dòng)過程；由此可知：系統(tǒng)從外界吸收的熱量，一部分用于增加工質(zhì)的焓；一部分用增加工質(zhì)的動(dòng)能和位能；其于用于對外輸出軸功。3502--熱力學(xué)第一定律SCH1、技術(shù)功：在上式中，后三項(xiàng)實(shí)際上都屬于機(jī)械能，工程上可直接利用的功；故把此三項(xiàng)合并在一起稱技術(shù)功（Wt）。單位質(zhì)量工質(zhì)技術(shù)功：故開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程還可以寫為：壓力變化是技術(shù)功的標(biāo)志。二、技術(shù)功2、技術(shù)功的計(jì)算式：wt3602--熱力學(xué)第一定律SCH3、膨脹功、技術(shù)功、軸功間的關(guān)系由穩(wěn)定流動(dòng)能量方程可得：再由閉口系能量方程有：q-?u=w所以：在閉口系中，工質(zhì)的體積變化功直接表現(xiàn)為對外膨脹做功，而在開口穩(wěn)流系統(tǒng)中，工質(zhì)的體積變化功為：維持工質(zhì)流動(dòng)所必須支付的流動(dòng)凈功、工質(zhì)本身動(dòng)能和位能的增加、對外輸出的軸功。當(dāng)不計(jì)動(dòng)能和位能變化時(shí)，技術(shù)功就等于軸功。由此可見：技術(shù)功是由熱能轉(zhuǎn)換所得的體積變化功扣除流動(dòng)凈功后得到的。不計(jì)動(dòng)能和位能變化時(shí)膨脹功與技術(shù)功動(dòng)畫3702--熱力學(xué)第一定律SCH常見的穩(wěn)流裝置3802--熱力學(xué)第一定律SCH三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例1、熱力發(fā)動(dòng)機(jī)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)（汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等）是將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備，在正常運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部工質(zhì)的流動(dòng)可視為穩(wěn)定流動(dòng)。動(dòng)畫特點(diǎn)：故有：可見：工質(zhì)在熱機(jī)對所作的功等于熱機(jī)進(jìn)出口工質(zhì)的焓的減少，這時(shí)的軸功就是技術(shù)功。3902--熱力學(xué)第一定律SCH三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例2、換熱器特點(diǎn)：故有：可見：工質(zhì)在換熱設(shè)備中流動(dòng)時(shí)，吸收的熱量等于其焓的增加。換熱器是實(shí)現(xiàn)兩種流體熱量交換的設(shè)備，電廠中的換熱設(shè)備有：鍋爐及各受熱面（過熱器、再熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器等）、回?zé)峒訜崞鳌⒛?、冷油器等。?dòng)畫電廠高加4002--熱力學(xué)第一定律SCH三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例3、泵與風(fēng)機(jī)泵與風(fēng)機(jī)是輸送工質(zhì)的設(shè)備，并消耗軸功以提高工質(zhì)的壓力，如電廠中的給水泵、循環(huán)水泵、送（引）風(fēng)機(jī)等。動(dòng)畫特點(diǎn)：可見：泵現(xiàn)風(fēng)機(jī)對工質(zhì)所作的功等于工質(zhì)進(jìn)口工質(zhì)的焓的增加，這時(shí)的軸功就是技術(shù)功。wh2h14102--熱力學(xué)第一定律SCH4、噴管(動(dòng)畫)5、絕熱節(jié)流(動(dòng)畫)

所以有：特點(diǎn)：特點(diǎn)：所以有：工質(zhì)動(dòng)能的增加等于其焓的減少工質(zhì)絕熱前后焓值相等，但不是等焓過程三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例4202--熱力學(xué)第一定律SCH例題分析例2-3：已知汽輪機(jī)進(jìn)口水蒸汽焓為h1＝3230KJ/Kg，流速c1＝50m/s；出口水蒸汽焓為h2＝2300KJ/Kg，流速c2＝120m/s。蒸氣的質(zhì)量流量qm＝600t/h。蒸氣在汽輪機(jī)中進(jìn)行穩(wěn)定的絕熱流動(dòng)，試求（1）汽輪機(jī)的功率；（2）若忽略蒸汽進(jìn)出口動(dòng)能變化引起的誤差。解（1）由穩(wěn)流能量方程,可得1Kg蒸汽在汽輪機(jī)中做的軸功：

ws=(h1-h2)-1/2(c22-c