熱工學(xué)基礎(chǔ)高職

熱工學(xué)基礎(chǔ)高職第一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三2－1熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)第二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三

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，沒有一個人提出一個事實不符合這條自然規(guī)律的，相反，在各個領(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。第三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三

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Γσ部梢宰優(yōu)闊?，在相互轉(zhuǎn)變時能的總量是不變的。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，為了獲得機械能，則必須花費熱能或其他形式能量，第一類永動機是不可能實現(xiàn)的。第四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三2.2系統(tǒng)儲存能能量是物質(zhì)運動的度量，運動有各種不同的形態(tài)，相應(yīng)的就有各種不同的能量。系統(tǒng)儲存的能量稱為儲存能，它有內(nèi)部儲存能與外部儲存能之分。系統(tǒng)的內(nèi)部儲存能即為熱力學(xué)能第五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三一、內(nèi)能（熱力學(xué)能）熱力學(xué)能是儲存在系統(tǒng)內(nèi)部的能量，它與系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的內(nèi)部粒子的微觀運動和粒子的空間位置有關(guān)，是下列各種能量的總和：分子熱運動形成的內(nèi)動能。它是溫度的函數(shù)。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)。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。第六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)，是熱力狀態(tài)的單值函數(shù)：1.熱力學(xué)能：符號：U單位：焦耳（J）2.比熱力學(xué)能：（1kg物質(zhì)的熱力學(xué)能）符號：u單位：J/kg第七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三二、外部儲存能需要用在系統(tǒng)外的參考坐標(biāo)系測量的參數(shù)來表示的能量，稱為外部儲存能，它包括系統(tǒng)的宏觀動能和重力位能：重力位能：宏觀動能：第八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三三、系統(tǒng)儲存能（簡稱總能）系統(tǒng)的總儲存能為系統(tǒng)的內(nèi)部儲存能與外部儲存能之和，用E表示：1kg工質(zhì)的總能為比總能：第九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三2－3能量的傳遞與轉(zhuǎn)化第十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三一、作功與傳熱作功和傳熱是能量傳遞的兩種方式，因此功量與熱量都是系統(tǒng)與外界所傳遞的能量，而不是系統(tǒng)本身的能量，其值并不由系統(tǒng)的狀態(tài)確定，而是與傳遞時所經(jīng)歷的具體過程有關(guān)。所以，功量和熱量不是系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，而是與過程特征有關(guān)的過程量，稱為遷移能。第十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三作功：借作功來傳遞能量總是和物體的宏觀位移有關(guān)。作功過程中往往伴隨著能量形態(tài)的變化。傳熱：借傳熱來傳遞能量不需要物體的宏觀移動。傳熱是相互接觸的物體間存在溫差時發(fā)生的能量傳遞過程。第十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動而傳遞的功，叫推動功。二、推動功和流動功在作推動功時，工質(zhì)的狀態(tài)沒有改變（如圖中的C點），因此推動功不會來自系統(tǒng)的儲存能－熱力學(xué)能，而是系統(tǒng)以外的物質(zhì)，這樣的物質(zhì)稱為外部功源。工質(zhì)在傳遞推動功時只是單純地傳遞能量，像傳輸帶一樣，能量的形態(tài)不發(fā)生變化。第十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三工質(zhì)在流動時，總是從后面獲得推動功，而對前面作出推動功，進(jìn)出系統(tǒng)的推動功之差稱為流動功（也是系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動所需的功）。工質(zhì)從進(jìn)口到出口，從狀態(tài)1膨脹到狀態(tài)2，膨脹為為w

，在不計工質(zhì)的動能與位能變化時，開系與外界交換的功量應(yīng)為膨脹功與流動功之差w-(pv)第十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三2－4焓一、焓的定義：

焓的單位：J，比焓的單位：J/kg第十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三二、焓是狀態(tài)參數(shù)第十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三三、焓的意義：焓是物質(zhì)進(jìn)出開口系統(tǒng)時帶入或帶出的熱力學(xué)能與推動功之和，是隨物質(zhì)一起轉(zhuǎn)移的能量。焓是一種宏觀存在的狀態(tài)參數(shù)，不僅在開口系統(tǒng)中出現(xiàn)，而且在分析閉口系統(tǒng)時，它同樣存在。第十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三2－5熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式熱力學(xué)第一定律的能量方程式就是系統(tǒng)變化過程中的能量平衡方程式，任何系統(tǒng)、任何過程均可根據(jù)以下原則建立能量方程式：進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)中儲存能量的增加＝－第十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三一、閉口系統(tǒng)的能量方程閉口系統(tǒng)的能量方程是熱力學(xué)第一定律在控制質(zhì)量系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，是熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式。設(shè)閉系中工質(zhì)從外界吸熱Q后，從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，同時對外作功W，則：此式就是閉口系的能量方程式。第十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三對于控制質(zhì)量閉口系來說，常見的情況在狀態(tài)變化過程中，系統(tǒng)的宏觀動能與位能的變化為零，或可以忽略不計，因此更見的閉口系的能量方程是：若閉口系經(jīng)過一個微元過程，則能量方程為微分形式：第二十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三對于1kg工質(zhì)，能量方程式為：對于循環(huán)：第二十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三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、實際氣體或液體）閉系能量方程總結(jié)：mkg工質(zhì)經(jīng)過有限過程mkg工質(zhì)經(jīng)過微元過程1kg工質(zhì)經(jīng)過有限過程1kg工質(zhì)經(jīng)過微元過程第二十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三二、閉系能量方程的應(yīng)用例題2－1一個裝有2kg工質(zhì)的閉口系經(jīng)歷了如下過程：過程中系統(tǒng)散熱25kJ，外界對系統(tǒng)做功100KJ，比熱力學(xué)能減小15KJ/kg，并且整個系統(tǒng)被舉高1000m。試確定過程中系統(tǒng)動能的變化。第二十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三例題2－2如圖所示活塞面積A為4cm2，體積為20cm3的氣缸內(nèi)充滿壓力為0.1MPa、溫度20C的空氣，彈簧剛度系數(shù)k為100N/cm，初始時彈簧未變形。緩慢地對空氣加熱，求當(dāng)空氣壓力增加到表壓力為0.2MPa時共需加入多少熱量。（大氣壓力p0=0.1MPa，u=0.707TKJ/Kg，且滿足狀態(tài)方程PV=mRgT）第二十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三2－6開口系統(tǒng)能量方程式實際熱力設(shè)備中實施的能量轉(zhuǎn)換往往是工質(zhì)在熱力裝置中循環(huán)不斷地流經(jīng)各相互銜接的熱力設(shè)備，完成不同的熱力過程后才能實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。因此分析這類熱力設(shè)備時，常采用開口系即控制容積的分析方法。第二十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三工質(zhì)在設(shè)備內(nèi)流動時，在同一截面上參數(shù)近似地看作是均勻的。并認(rèn)為同一截面上各點流速一致。第二十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三一、開口系能量方程有dm1的微元工質(zhì)流入進(jìn)口截面1－1，有dm2的微元工質(zhì)流出出口截面2－2系統(tǒng)從外界接受熱量dQ系統(tǒng)對機器作內(nèi)部功dWi圖中的開口系在dt時間內(nèi)進(jìn)行了一個微元過程：Wi表示工質(zhì)在機器內(nèi)部對機器所作的功，而軸功Ws為Wi的有用功部分，兩者的差為機器各部分的摩擦損失。第二十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三

進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量控制容積系統(tǒng)儲存能量的增加量進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)儲存能量的增加量－＝第二十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三此式為開口系能量方程的一般表達(dá)式第二十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三

進(jìn)、出系統(tǒng)的工質(zhì)有若干股，則方程為：開口系能量方程的其他形式：第三十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三以流率表示的開口系能量方程：第三十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三二、穩(wěn)定流動能量方程所謂穩(wěn)定流動，即流動過程中開口系內(nèi)部及其邊界上各點工質(zhì)的熱力參數(shù)及運動參數(shù)都不隨時間而變。第三十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三能量方程則可寫成：此方程為流過開口系1kg流體的穩(wěn)定流動的能量方程。其微分形式為：第三十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三若流過開口系mkg流體的穩(wěn)定流動的能量方程及其微分形式為：第三十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三三、穩(wěn)定流動能量方程式的分析此三項為機械能，是技術(shù)上可資利用的功，稱為技術(shù)功，用表示第三十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三

對于可逆過程：

微分形式：第三十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三以技術(shù)功的形式表達(dá)穩(wěn)定流能量方程一般形式過程可逆第三十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三思考題開口系實施穩(wěn)定流動過程，是否同時滿足下列三式：第三十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三2－7能量方程式的應(yīng)用一、開口系穩(wěn)定流能量方程在幾種常見熱力設(shè)備中的應(yīng)用動力機第三十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三壓氣機換熱器第四十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三管通節(jié)流第四十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三某燃?xì)廨啓C裝置如圖所示，已知壓氣機進(jìn)口處空氣的比焓h1為290kJ/kg。經(jīng)壓縮后空氣升溫使比焓增為h2=580kJ/kg，在截面2處空氣和燃料的混合物以cf2=20m/s的速度進(jìn)入燃燒室，在定壓下燃燒，使工質(zhì)吸入熱量q=670kJ/kg。燃燒后燃?xì)膺M(jìn)入噴管絕熱膨脹到狀態(tài)3‘，h3’=800kJ/kg，流速增加到cf3’，此燃?xì)膺M(jìn)入動葉片，推動轉(zhuǎn)輪回轉(zhuǎn)作功。若燃?xì)庠趧尤~片中的熱力狀態(tài)不變，最后離開燃?xì)廨啓C的速度cf4=100m/s，求：若空氣流量為100kg/s，壓氣機消耗的功率為多少？若燃?xì)獾陌l(fā)熱值qB=43960kJ/kg，燃料的耗量為多少？燃?xì)鈬姽艹隹谔幍牧魉偈嵌嗌伲咳細(xì)廨啓C的功率為多少？燃?xì)廨啓C裝置的總功率為多少？第四十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三二、一般開口系能量方程的應(yīng)用充氣問題在充、放氣過程中，容器內(nèi)氣體的狀態(tài)隨時間在不斷變化，但在每一瞬間可以認(rèn)為整個容器內(nèi)各處的參數(shù)是一致的。另外在充氣過程中，雖然流動情況隨時間變化，但可認(rèn)為通