工程熱力學(xué)（湛利華）課件PPT版 第二章

第二章

熱力學(xué)第一定律

firstlawofthermodynamics本章的基本要求深入理解熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)，熟練掌握熱力學(xué)第一定律及其表達(dá)式。能夠正確、靈活地應(yīng)用熱力學(xué)第一定律表達(dá)式來分析計(jì)算工程實(shí)際中的有關(guān)問題。掌握能量、儲(chǔ)存能、熱力學(xué)能、遷移能的概念掌握體積變化功、推動(dòng)功、軸功和技術(shù)功的概念及計(jì)算式。焓的定義

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（細(xì)胞學(xué)說、達(dá)爾文進(jìn)化論）。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。熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱力學(xué)中的應(yīng)用，它確定了熱力過程中各種能量在數(shù)量上的相互關(guān)系。在工程熱力學(xué)的范圍內(nèi)，主要考慮熱能與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換與守恒，因此熱力學(xué)第一定律可表述為：熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊幔谙嗷マD(zhuǎn)變時(shí)能的總量是不變的。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，為了獲得機(jī)械能，則必須花費(fèi)熱能或其他形式能量，第一類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的?！?/p>

2–1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)一.第一定律的實(shí)質(zhì)：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的應(yīng)用。二.第一定律的表述：

熱是能的一種，機(jī)械能變熱能，或熱能變機(jī)械能的時(shí)候，他們之間的比值是一定的。或：熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊?；一定量的熱消失時(shí)必定產(chǎn)生相應(yīng)量的功；消耗一定量的功時(shí)，必出現(xiàn)與之相應(yīng)量的熱?！?–2熱力學(xué)能（內(nèi)能）和總能一.熱力學(xué)能(internalenergy)Uch

Unu

UthUkE

平移動(dòng)能轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能振動(dòng)動(dòng)能UpE—二.總（儲(chǔ)存）能(totalstoredenergyofsystem)總能熱力學(xué)能，內(nèi)部儲(chǔ)存能外部儲(chǔ)存能宏觀動(dòng)能宏觀位能三.熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)

測量p，V，T可求出四.熱力學(xué)能單位

五.工程中關(guān)心的是詳細(xì)推導(dǎo)過程見書P191§2–3熱力學(xué)第一定律基本表達(dá)式

加入系統(tǒng)的能量總和—熱力系統(tǒng)輸出的能量總和=熱力系總儲(chǔ)存能的增量EE+dE流入：流出：內(nèi)部貯能的增量：dEEE+dE§2–4閉口系基本能量方程式據(jù)

對(duì)閉口系，

忽略宏觀動(dòng)能Uk和位能Up，可得：第一定律第一解析式—熱功的基本表達(dá)式討論：

1）對(duì)于可逆過程2）對(duì)于循環(huán)3）對(duì)于定量工質(zhì)吸熱與升溫關(guān)系，還取決于W的“+”，“–”，大小。例

自由膨脹如圖，解：取氣體為熱力系

—閉口系？開口系？強(qiáng)調(diào)：功是通過邊界傳遞的能量。抽去隔板，求?例題\第二章\A4302661.ppt例題\第二章\A4303771.ppt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)反過來缺什么補(bǔ)什么4）不可逆過程的功可嘗試從外部參數(shù)著手§2–4開口系能量方程一、推動(dòng)功(flowwork;flowenergy)和流動(dòng)功(flowwork;flowenergy)推動(dòng)功：系統(tǒng)引進(jìn)或排除工質(zhì)傳遞的功量。pvp1v11對(duì)推進(jìn)功的說明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流動(dòng)功：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：二、焓(enthalpy)定義：H=U+pV

h=u+pv

單位：J（kJ）

J/kg（kJ/kg）焓是狀態(tài)參數(shù)物理意義：

引進(jìn)或排出工質(zhì)而輸入或排出系統(tǒng)的總能量。焓（Enthalpy)

的說明

定義：h=u+pv[kJ/kg]H=U+pV[kJ]1、焓是狀態(tài)量2、H為廣延參數(shù)H=U+pV=m(u+pv)=mhh為比參數(shù)3、對(duì)流動(dòng)工質(zhì)，焓代表能量(內(nèi)能+推進(jìn)功)

對(duì)靜止工質(zhì)，焓不代表能量4、物理意義：開口系中隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶的、取決于熱力狀態(tài)的能量。三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程

(steady-flowenergyequation)

穩(wěn)定流動(dòng)特征：注意：區(qū)分各截面間參數(shù)可不同。1）各截面上參數(shù)不隨時(shí)間變化。2）ΔECV=0，

ΔSCV=0，

ΔmCV=0?···

(shaftwork)流入系統(tǒng)的能量:流出系統(tǒng)的能量:系統(tǒng)內(nèi)部儲(chǔ)能增量:ΔECV–=考慮到穩(wěn)流特征：

ΔECV=0qm1=qm2=qm;及h=u+pv

有討論：1）改寫（B）為（C）熱能轉(zhuǎn)變成功部分輸出軸功流動(dòng)功機(jī)械能增量（C）適用條件：任何流動(dòng)工質(zhì)任何穩(wěn)定流動(dòng)過程2）技術(shù)功(technicalwork)—由（C）技術(shù)上可資利用的功

wt3)第一定律第二解析式a)通過膨脹，由熱能

b)第一定律兩解析式可相互導(dǎo)出，但只有在開系中

能量方程才用焓。把wt的概念代入（B）式，可得第一定律第二解析式

4）兩個(gè)解析式的關(guān)系功，w=q–Δu總之：幾種功的關(guān)系wwt△(pv)c2/2wsg△z做功的根源ws四、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的應(yīng)用1.蒸汽輪機(jī)、氣輪機(jī)(steamturbine、gasturbine)

流進(jìn)系統(tǒng)：

流出系統(tǒng)：內(nèi)部儲(chǔ)能增量：

02、壓氣機(jī)，水泵類

(compressor、pump)流入流出內(nèi)增

0圖\設(shè)備圖\壓氣機(jī).doc3、換熱器（鍋爐、加熱器等）(heatexchanger:boiler、heater)

流入：流出：內(nèi)增：

0若忽略動(dòng)能差、位能差4、管內(nèi)流動(dòng)流入：流出：內(nèi)增：

0例題\第二章\A4312661.ppt例題\第二章\A4322661.ppt例題\第二章\A4332771.ppt例題\第二章\A4333771.ppt討論：

1）開口系問題也可用閉口系方法求解。

2）注意閉口系邊界面上熱、功交換；尤其是邊界面

變形時(shí)需