1、第二章,热力学第一定律,2019/3/6,2,基本要求,理解热力学第一定律的实质，熟练掌握热力学第一定律及其表达式。能够正确、灵活地应用热力学第一定律表达式分析计算工程实际中的有关问题。 掌握能量、存储能、热力学能、迁移能的概念。 掌握体积变化功、推动功、轴功和技术功的概念及其计算式。 掌握焓的引出和定义。,2019/3/6,3,2-1 热力学第一定律的本质,能量转换及守恒定律在热过程中的应用，确定了热力过程中各种能量在数量上的关系。 其表述：当热能与其他形式的能量相互转换时，它的总量保持不变。 根据热力学第一定律，为了得到机械能必须花费热能或其他形式的能量，因此第一类永动机是不可能制造成功的
2、。 热力学第一定律是热力学的基本定律，它适合于一切工质和一切热力过程，分析具体问题时，其数学表达式就是能量守恒表达式。 对于任何系统，能量平衡关系为: 进入系统的能量-离开系统的能量=系统存储能的变化,2019/3/6,4,2-2 储存能-内能和外储存能,定义 dU = Q - W 内能U 是状态函数 闭口系热一律表达式 Q = dU + W Q = U + W 两种特例 绝功系 Q = dU 绝热系 W = - dU,2019/3/6,5,内能U 的物理意义,dU = Q - W dU 代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。 U 代表储存于系统内
3、部的能量 内储存能（内能、热力学能）,2019/3/6,6,内能的性质,内能 分子动能（移动、转动、振动） 分子位能（相互作用产生，对气体是温度和比容的函数） 核能（不考虑） 化学能（不考虑） 说明 气体的内能是与温度和比容有关的状态量 U : 广延参数 kJ u : 比参数 kJ/kg 内能总以变化量出现，内能零点人为定,2019/3/6,7,系统总能,外部存储的能-机械能 宏观动能： Ek= mc2/2 宏观位能 Ep= mgz 系统总能 E = U + Ek + Ep e = u + ek + epc,z是力学参数，处于同一热力状态的物体可以有不同的c和z，因此， c和z是独立于热力系统
4、内部的参数。 系统的宏观动能和重力位能称作外部储存能。,2019/3/6,8,热一律的文字表达式,热力学第一定律 能量守恒与转换定律 进入系统的能量 - 离开系统的能量= 系统内部储存能量的变化,2019/3/6,9,2-3 闭口系能量方程,一般式单位工质适用条件 任何工质 任何过程,Q = dU + WQ = U + W,q = du + w q = u + w,2019/3/6,10,闭口系能量方程中的功,功（ w） 是广义功 闭口系与外界交换的功量 如果系统与外界交换的功量有很多种： 准静态容积变化功 pdv 拉伸功 w= - dl 表面张力功 w= - dA w = pdv - dl
5、- dA +.,2019/3/6,11,闭口系准静态和可逆过程能量方程,简单可压缩系准静态过程 热力学第一定律解析式之一 w = pdv q = du + pdv q = u + pdv 简单可压缩系可逆过程 热力学恒等式 q = Tds Tds = du + pdv Tds = u + pdv,2019/3/6,12, 2-4 开口系能量方程,推导过程 能量守恒原则 进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能量的变化,2019/3/6,13,推进功的引入,能量平衡关系式Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv
6、 这个结果与实验结果不符 少推进功,2019/3/6,14,推进功的表达式,推进功（流动功、推动功） W推 = p A dl = pV w推= pv 注意 不是 pdv，v 没有变化,2019/3/6,15,对推进功的说明,与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在 作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化 w推pv与所处状态有关，是状态量 并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，流动工质所携带的能量 可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统所携带和所传递的一种能量,2019/3/6,16,开口系能量方程的推导,Wnet,Q,pvin,
7、mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,min,pvout,2019/3/6,17,开口系能量方程微分式,Q + min(u + pv+c2/2 + gz)in - Wnet - mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv,工程上常用流率,2019/3/6,18,开口系能量方程微分式,当有多条进出口,流动时，总一起存在，新状态参数？,2019/3/6,19,焓的引入,定义 焓h = u + pv,h,h,开口系能量方程,2019/3/6
8、,20,焓（Enthalpy) 的说明,定义 h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 焓是状态量，与工质是否流动无关，它满足状态参数的一切特征。 H为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh h为比参数 对流动工质，焓代表能量(内能+推进功) 物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决于热力状态的能量。,2019/3/6,21,2-5 稳定流动能量方程,稳定流动（Steady State Steady Flow）条件 质量流率不变热流率不变轴功功率不变总能变化率不变,2019/3/6,22,稳定流动能量方程的推导,稳定流动条件,0,2019/3/6,23,稳定流动
9、能量方程的推导,1kg工质,2019/3/6,24,稳定流动能量方程,适用条件 任何工质 任何稳定流动,2019/3/6,25,单位质量工质的开口系与闭口系,ws,q,稳流开口系,闭口系(1kg),容积变化功,等价,技术功wt,2019/3/6,26,稳流开口系与闭口系的能量方程,容积变化功w,技术功wt,闭口,稳流开口,等价,轴功ws,推进功(pv),几种功的关系？,2019/3/6,27,几种功的关系,w,wt,(pv), c2/2,ws,gz,做功的根源,ws,2019/3/6,28,准静态下的技术功,准静态,准静态,热一律解析式之一,热一律解析式之二,2019/3/6,29,技术功在示
10、功图上的表示,2019/3/6,30,机械能守恒,对于流体流过管道，,压力能 动能 位能,机械能守恒,柏努利方程,2019/3/6,31, 2-6 稳定流动能量方程应用举例,热力学问题经常可忽略动、位能变化,例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kg,z1 = 0 m z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg,1bar下, 0 oC水的 h1 = 84 kJ/kg 100 oC水蒸气的 h2 = 2676 kJ/kg,2019/3/6,32,例1：透平(Turbine)机械,火力发电 核电,飞机发动
11、机 轮船发动机 移动电站,燃气轮机,蒸汽轮机,2019/3/6,33,火力发电装置,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,2019/3/6,34,航空发动机（燃气循环）,2019/3/6,35,燃气发电装置,活塞,2019/3/6,36,燃气装置,压气机,燃气轮机,燃烧室,空气,废气,2019/3/6,37,透平(Turbine)机械,1) 体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,ws = -h = h1 - h20,输出的轴功是靠焓降转变的,2019/3/6,38,例2：压缩机械,火力发电 核电,飞机发动机 轮船发动机 移动电站,压气机,水泵,制冷 空调,压缩机,2019/3/6
12、,39,制冷空调装置,活塞,2019/3/6,40,压缩机械,1) 体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,ws = -h = h1 - h20,输入的轴功转变为焓升,2019/3/6,41,例3：换热设备,火力发电：,锅炉、凝汽器,核电：,热交换器、凝汽器,制冷 空调,蒸发器、冷凝器,2019/3/6,42,火力发电装置,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,2019/3/6,43,制冷空调装置,活塞,2019/3/6,44,换热设备,热流体放热量：,没有作功部件,热流体,冷流体,h1,h2,h1,h2,冷流体吸热量：,焓变,2019/3/6,45,例4：绝热节流,管道阀门,制冷
13、 空调,膨胀阀、毛细管,2019/3/6,46,制冷空调装置,活塞,2019/3/6,47,绝热节流,绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等,h1,h2,没有作功部件,绝热,2019/3/6,48,例5：喷管和扩压管,火力发电,蒸汽轮机静叶,核电,飞机发动机 轮船发动机 移动电站,压气机静叶,2019/3/6,49,喷管与扩压管,2019/3/6,50,喷管和扩压管,喷管目的：,压力降低，速度提高,扩压管目的：,动能与焓变相互转换,速度降低，压力升高,动能参与转换，不能忽略,2019/3/6,51,第二章 小结,热力学第一定律 本质：能量守恒与转换定律 流入系统的能量-流出系统的能量=系统
14、内能的增加,2019/3/6,52,第二章 小结,热力学第一定律通用表达式,2019/3/6,53,第二章 小结,稳流：,dEcv / = 0,2019/3/6,54,第二章 小结,闭口系：,通用式,2019/3/6,55,第二章 小结,通用式,循环,dEcv = 0,out = in,2019/3/6,56,第二章 小结,孤立系：,通用式,2019/3/6,57,第二章 小结,3、准静态下两个热力学微分关系式,适合于闭口系统和稳流开口系统,后续很多式子基于此两式,2019/3/6,58,第二章 小结,4、u与 h,U, H 广延参数 u, h 比参数,U 系统本身具有的内部能量,H 不是系统本身具有的能量，开口系中随工质流动而携带的，取决于状态参数的能量,2019/3/6,59,第二章 小结,5、四种功的关系,准静态下,2019/3/6,60,第二章 讨论课,思考题,工质膨胀是否一定对外作功？,向真空膨胀，自由膨胀,定容过程是否一定不作功？,开口系，技术功,定温过程是否一定不传热？,相变过程（冰融化，水汽化）,水轮机,2019/3/6,61,门窗紧闭房间用电冰箱降温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程,T,电冰箱,2019/3/6,62,门窗紧闭房间用空调降温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程,T,空调,Q,2019/3/6,63,THE END,
