熱工13版基礎(chǔ)張學學3第二章

第二章

熱力學第一定律1熱力學第一定律就是一切熱力過程所必須遵循的能量轉(zhuǎn)換與守衡定律。本章重點闡述熱力學第一定律的實質(zhì)與數(shù)學描述，為熱力過程計算奠定理論基礎(chǔ)。2-1

熱力系統(tǒng)的儲存能熱力系統(tǒng)儲存能熱力學能宏觀動能、宏觀位能21.

熱力學能不涉及化學變化和核反應(yīng)時的物質(zhì)分子熱運動動能和分子之間的位能之和（熱能）。熱力學能符號：U，單位：J

或kJ

。比熱力學能：3單位質(zhì)量工質(zhì)的熱力學能。符號：u；單位：J/kg

或kJ/kg。比熱力學能是狀態(tài)參數(shù)。氣體工質(zhì)的比熱力學能可表示為u

f

(T

,

v)任何狀態(tài)下系統(tǒng)熱力學能的數(shù)值不可能為零。由于在工程熱力學中只計算工質(zhì)在狀態(tài)變化中的熱力學能的變化量，因此熱力學能的零點可以人為地規(guī)定，例如，通常取0K時氣體的熱力學能為零。宏觀位能：Ep

，單位為J或kJEp

mgz儲存能：E

，單位為J

或kJE

U

Ek

Ep比儲存能：e

，單位為J/kg或kJ

/kg2f12e

u

ek

ep

u

c

gz2.

宏觀動能

：Ek

，單位為J或kJ24k

f12E

mc2-2

熱力學第一定律的實質(zhì)5熱力學第一定律實質(zhì)就是熱力過程中的能量守恒和轉(zhuǎn)換定律，可表述為：在熱能與其它形式能的互相轉(zhuǎn)換過程中，能的總量始終不變。不花費能量就可以產(chǎn)生功的第一類永動機是不可能制造成功的。進入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量

=系統(tǒng)儲存能量的變化2-3

閉口系統(tǒng)的熱力學第一定律表達式QW6ΔUQ

W

U

U

2

U1Q

U

W對于微元過程，Q

dU

W對于可逆過程，Q

dU

pdV2q

u

1pdv71pdVQ

U

對于單位質(zhì)量工質(zhì),q

du

wq

u

w對于單位質(zhì)量工質(zhì)的可逆過程,q

du

pdv22-4

開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式變。81.穩(wěn)定流動與流動功穩(wěn)定流動流動狀況不隨時間而改變的流動。即任一流通截面上工質(zhì)的狀態(tài)都不隨時間而改變。穩(wěn)定流動的實現(xiàn)條件：系統(tǒng)和外界交換的能量（功量和熱量）與質(zhì)量不隨時間而變；進、出口截面的狀態(tài)參數(shù)不隨時間而（2）流動功推動工質(zhì)流動所作的功，也稱為推進功。Wf

pAdx

pdV

pvdm對于單位質(zhì)量工質(zhì)，wf

pv流動功是由泵或風機加給被輸送工質(zhì)并隨工質(zhì)流動向前傳遞的一種能量，非工質(zhì)本身具有的能量。92.

開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程在

時間內(nèi),進口質(zhì)量m1、流

速

cf1、標

高

z1出口質(zhì)量m2、流

速

cf2、標

高

z2穩(wěn)定流動：m1

m2

m1011在

時間內(nèi)進入系統(tǒng)的能量2f11

11u1

c

gz

mp

v1

2f11212Q

m

Q

mu1

c

gz

p

v

1 1

在

時間內(nèi)離開系統(tǒng)的能量2s2f22

21cW

m

u

gz

mp

v2

2s2f22

2212c

W

m

u

gz

p

v

2

根據(jù)熱力學第一定律可得211

1f11Q

mu

p

v

c

gz

1

2122

2

2f2212sc

w

m

u

p

v

gz

02

令

u

pv

h，h

稱為比焓。比焓的物理意義：比焓是狀態(tài)參數(shù)；對于流動工質(zhì)，比焓表示每千克工質(zhì)沿流動方向向前傳遞的總能量中取決于熱力狀態(tài)的部分。2fs12Q

mh

mc

mgz

W2f21c上式可整理成Q

m

h

gz

22

21f1s212mh

c

gz

W1

令H

mh

，上式改成2fs12Q

H

mc

mgz

W13對于單位質(zhì)量工質(zhì)，以上兩式稱為開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程。對于微元過程，穩(wěn)定流動能量方程寫成2fs1

mgdz

W2fs212Q

dH

mdcq

dh

dc

gdz

w2f

s12q

h

c

gz

w14注意：無論對于流動工質(zhì)還是不流動工質(zhì)，比焓都是狀態(tài)參數(shù)；對于流動工質(zhì)，流動功等于pv，比焓表示單位質(zhì)量工質(zhì)沿流動方向向前傳遞的總能量中取決于熱力狀態(tài)的部分；對于不流動工質(zhì)，不存在流動功，比焓也不表示能量，僅是狀態(tài)參數(shù)。工程上一般只需要計算工質(zhì)經(jīng)歷某一過程后焓的變化量，而不是其絕對值，所以焓值的零點可人為地規(guī)定。153.

技術(shù)功定義：在工程熱力學中，將工程技術(shù)上可以直接利用的動能差、位能差及軸功三項之和稱為技術(shù)功，用Wt

表示2tfs12W

mc

mgz

W對于單位質(zhì)量工質(zhì)，216tfs12w

c

gz

w開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式可改寫為Q

H

Wt17q

h

wt對于微元過程，Q

dH

Wtq

dh

wt對于開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動過程，系統(tǒng)內(nèi)各點的狀態(tài)都不隨時間而變化，所以可以將質(zhì)量為m

的工質(zhì)作為閉口系統(tǒng)來研究。可以假定質(zhì)量為m的工質(zhì)從進口截面處的狀態(tài)1變化到出口截面處的狀態(tài)2，從外界吸收了熱量Q,作了膨脹功W

。根據(jù)閉口系統(tǒng)的熱力學第一定律表達式q

u

w對比開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式q

h

wt可得wt

w

(

p2v2

p1v1

)18對可逆過程，192pdv

(

p2v2

p1v1

)t122d(

pv)w

pdv

121vdp

1式中，v

恒為正值，負號表示技術(shù)功的正負與dp相反。將上式代入開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式q

h

wt可得21vdpq

h

（適用于一般過程）（適用于可逆過程）對于微元可逆過程，q

dh

vdp技術(shù)功的圖形表示21vdpwt

202-5

穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用工程上，除了噴管、擴壓管外，常見熱工設(shè)備的進出口動、位能的變化一般都可以忽略不計。q

h

wswt

ws

1.

熱交換器2.

動力機械ws

0q

h2