工程熱力學第三章

工程熱力學第三章第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一作業(yè)習題

3－2，3－6，3－7，3－8第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一第三章熱力學第一定律熱力學第一定律的實質(zhì)熱力學能與總能系統(tǒng)與外界傳遞的能量閉口系統(tǒng)能量方程開口系統(tǒng)能量方程開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程的應用第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一熱力學第一定律熱力學第一定律（TheFirstLawofThermodynamics）：“熱是能的一種，機械能變熱能，或熱能變機械能的時候，它們間的比值是一定的?！薄盁峥勺?yōu)楣?，功也可變?yōu)闊幔欢康臒嵯r，必產(chǎn)生一定量的功，消耗一定量的功時，必出現(xiàn)與之相應的一定量的熱?！睙峁Ξ斄抗岬?頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一熱一律的理論基礎(chǔ)與實質(zhì)熱能的本質(zhì)：熱能是組成物質(zhì)的分子、原子等微粒的雜亂運動的能量，微粒的雜亂運動叫做熱運動。既然熱能和機械能都是物質(zhì)的運動，那么熱能和機械能的相互轉(zhuǎn)化實質(zhì)上是物質(zhì)由一種運動形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N運動形態(tài)，轉(zhuǎn)化時的總能量守恒則是理所當然的。熱力學第一定律的實質(zhì)：熱力學第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在熱現(xiàn)象上的應用。第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一熱功當量熱功當量表明熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化時的當量關(guān)系，與能量轉(zhuǎn)化時的條件無關(guān)，僅僅決定于熱和功所用的單位。熱量單位 J kcal kJ kJ kcal kcal功的單位 J kgf·m kwh hph kwh hph熱功當量 1 1/427 3600 2646 860 632注意單位第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一熱力學能和總能系統(tǒng)儲存能內(nèi)部儲存能外部儲存能取決于系統(tǒng)本身的狀態(tài)，與分子結(jié)構(gòu)與微觀運動形式有關(guān)(核能、化學能、內(nèi)熱能)與外力場的相互作用（位能），宏觀運動能量（宏觀動能）熱力學能總能第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一熱力學能的導出考察閉口系熱力循環(huán)1-a-2-c-1，循環(huán)過程中工質(zhì)從外界吸收熱量，對外界輸出功，完成循環(huán)后又回復到初態(tài)，根據(jù)熱力學第一定律：狀態(tài)參數(shù)的積分特征積分是否與路徑無關(guān)第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一熱力學能是狀態(tài)參數(shù)對循環(huán)1-a-2-c-1，有：對循環(huán)1-b-2-c-1，有：與路徑無關(guān)是某狀態(tài)函數(shù)的全微分用dU表示第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一熱力學能的物理意義dU

=

Q

-

W

dU代表某微元過程中系統(tǒng)通過邊界交換的微熱量與微功量兩者之差值，也即系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化。

U代表儲存于系統(tǒng)內(nèi)部的能量

內(nèi)儲存能（內(nèi)能、熱力學能）內(nèi)能總以變化量出現(xiàn)，內(nèi)能零點人為定第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一熱力學能的微觀組成分子動能分子位能bindingforces化學能chemicalenergy核能nuclearenergy熱力學能移動translation轉(zhuǎn)動rotation振動vibration熱力狀態(tài)的單值函數(shù)，與路徑無關(guān)第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一外部儲存能（macroscopicformsofenergy）1.宏觀動能2.重力位能外部存儲能機械能第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一系統(tǒng)的總能系統(tǒng)的總能＝內(nèi)部儲存能+外部儲存能比總能第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一系統(tǒng)與外界傳遞的能量系統(tǒng)外界傳熱傳功傳質(zhì)1.熱量：在溫差作用下與外界傳遞的能量。2.功量：除溫差外的其它不平衡勢差所引起的系統(tǒng)與外界之間傳遞的能量。3.隨物質(zhì)流傳遞的能量——開口系統(tǒng)包括儲存能和推動功兩部分第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一隨物質(zhì)流傳遞的能量1.儲存能工質(zhì)儲存的能量依附于工質(zhì)，隨工質(zhì)的流動而傳遞2.流動功（推動功）為推動流體通過控制體界面而傳遞的機械功，是維持流體正常流動所必須傳遞的能量。

Wf=p

Adl=pV

wf=pv流動功是一種特殊的功，大小取決于控制體進出口界面的熱力狀態(tài)，與熱力過程無關(guān)。第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一對流動功的理解可理解為：由于工質(zhì)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(zhì)進出系統(tǒng)時所攜帶和所傳遞的一種能量1.與宏觀流動有關(guān)，流動停止，流動功不存在2.作用過程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，無狀態(tài)變化3.Wf＝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（動能、位能）變化引起，而由外界（泵與風機）做出，流動工質(zhì)所攜帶的能量第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一焓及其物理意義流動工質(zhì)傳遞的能量：取決于物質(zhì)的熱力狀態(tài)定義為焓hh＝u+pvH＝U+pV焓是流動工質(zhì)傳遞的總能量中取決于熱力狀態(tài)的部分，如果動能和位能可以忽略，則焓代表隨流動工質(zhì)傳遞的總能量第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一閉口系統(tǒng)能量方程閉口系統(tǒng)，沒有物質(zhì)交換，能量傳遞只有熱量和功兩種形式。系統(tǒng)總能變化＝傳入的熱量－輸出的功動能與位能不發(fā)生變化適用于任何工質(zhì)、任何過程第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一熱一律在循環(huán)過程中的應用閉口系統(tǒng)，熱力循環(huán)1-2-3-4-1根據(jù)熱力學第一定律，對每個過程建立能量方程：回到初態(tài)第一類永動機不可能實現(xiàn)第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一理想氣體熱力學能變化計算定容過程理想氣體或定值比熱Cv平均比熱真實比熱混合氣體第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一例題門窗緊閉的房間內(nèi)有一臺運行的電冰箱，若敞開冰箱門就有一股涼氣撲面，有人就想通過敞開冰箱大門達到降低室溫的目的，請用熱力學第一定律分析此方法是否可行？以房間為系統(tǒng)，忽略圍護結(jié)構(gòu)傳熱，則系統(tǒng)為絕熱閉口系。閉口系能量方程絕熱耗電T升高第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一例題既然敞開冰箱大門不能降溫，為什么在門窗緊閉的房間內(nèi)安裝空調(diào)能使房間降溫呢？以房間為系統(tǒng)，忽略圍護結(jié)構(gòu)傳熱，系統(tǒng)為閉口系。閉口系能量方程空調(diào)排熱耗電T下降空調(diào)特性第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一例題例3-2第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一作業(yè)習題：3-11，3-12，3-16，3-19第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一開口系統(tǒng)能量方程δm1δm2U1P1,v1U2P2,v2c1c21122dEcvδWsδQz1z2開口系統(tǒng)，系統(tǒng)與外界之間有質(zhì)量、熱量和功的交換。質(zhì)量守恒定律能量守恒定律第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一開口系統(tǒng)能量方程進入控制體的能量：離開控制體的能量：控制體儲存能的變化：能量方程：第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一開口系統(tǒng)能量方程上式以能量守恒為基礎(chǔ)，對不穩(wěn)定流動和穩(wěn)態(tài)流動、可逆與不可逆過程都適用，也適用于閉口系統(tǒng)。對于閉口系統(tǒng)第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一開口系統(tǒng)能量方程微分形式工程上常用傳熱率、功率等形式表示第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一開口系統(tǒng)能量方程微分形式若進出開口系統(tǒng)的工質(zhì)有若干股：第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一例題3－3一儲氣罐從壓縮空氣總管充氣，總管內(nèi)壓縮空氣參數(shù)恒定，分別為p1＝1MPa，T1＝300K，儲氣罐與總管相連的管段上配有配氣閥門。充氣前，閥門關(guān)閉，儲氣罐內(nèi)真空，閥門開啟后，壓縮空氣進入罐內(nèi)，直到罐內(nèi)壓力與總管壓力相等。如果罐壁絕熱，壓縮空氣看作是理想氣體，充氣過程中罐內(nèi)氣體狀態(tài)均勻變化，求充氣后儲氣罐內(nèi)壓縮空氣的溫度。第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一例題3－3沒有氣流流出儲氣罐絕熱沒有軸功忽略動能、位能變化第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一例題1.5MPa320℃氣輪機0.6m3如圖所示，一個大儲氣罐里儲存溫度為320℃，壓力為1.5MPa，比焓為3081.9kJ/kg的水蒸氣，通過一個閥門與氣輪機和體積為0.6m3起初被抽真空的小容器相連。打開閥門，小容器被充以水蒸氣，直至壓力為1.5MPa，溫度為400℃時閥門關(guān)閉，此時的比熱力學能為2951.3kJ/kg，比體積為0.203m3/kg，整個過程絕熱，且動、位能變化可忽略，求氣輪機輸出的功。第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一例題大儲氣罐蒸汽狀態(tài)穩(wěn)定，管道內(nèi)的蒸汽量可忽略。絕熱，忽略動、位能，沒有質(zhì)量流出。第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流工況：工質(zhì)以恒定的流量連續(xù)不斷地進出系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部及界面上各點工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)和宏觀運動參數(shù)都保持一定，不隨時間變化。恒定流量恒定參數(shù)流過系統(tǒng)任何斷面的質(zhì)量相等進入的能量與離開的能量相等第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流單位質(zhì)量工質(zhì)第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一技術(shù)功（Technicalwork）動能軸功機械能位能工程技術(shù)上可以直接利用第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一單位質(zhì)量工質(zhì)的開口與閉口穩(wěn)流開口系(1kg)閉口系(1kg)容積變化功等價技術(shù)功1122WsQ第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一幾種功的關(guān)系wwt△(pv)△c2/2wsg△z熱變功的根源第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一可逆過程的技術(shù)功可逆過程可逆過程第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一技術(shù)功在示功圖上的表示第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一理想氣體焓變計算流動工質(zhì)傳遞的總能量中，取決于工質(zhì)熱力狀態(tài)的部分難以計算對于定壓過程，穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程：定壓比熱：理想氣體第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一理想氣體焓變計算適用于理想氣體，對于實際氣體，只適用于定壓過程定值比熱平均比熱真實比熱第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程的應用動力機壓氣機熱交換器噴管流體的混合絕熱節(jié)流第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一動力機ws12氣輪機進出口高度差很小進出口流速變化小工質(zhì)在氣輪機中停留時間很短輸出的軸功是靠焓降轉(zhuǎn)變的。第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一壓氣機ws21壓氣機進出口高度差很小進出口流速變化小工質(zhì)在氣輪機中停留時間很短消耗的軸功等于壓縮氣體焓的增加。第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一熱交換器進出口高度差很小進出口流速變化小沒有功量交換工質(zhì)吸收的熱量等于焓的增加。熱流體冷流體h1h2h1’h2’熱流體冷流體h1h2h1’h2’第46頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一噴管和擴壓管噴管目的：壓力降低，速度提高擴壓管目的：速度降低，壓力升高動能與焓變相互轉(zhuǎn)換動能參與轉(zhuǎn)換，不能忽略進出口高度差很小停留時間很短沒有功量交換第47頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一流體的混合混合室m1,h1m2,h2h3高度差小絕熱條件沒有功量交換速度變化小第48頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一絕熱節(jié)流忽略位能變化絕熱條件沒有功量交換忽略動能變化第49頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一例題例題3-7第50頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一例題活塞式空氣壓縮機。壓縮前空氣參數(shù)是p1＝0.1MPa，v1＝0.845m3/kg，壓縮后的參數(shù)是p2=0.