热力学第二章第一定律.ppt

第二章热力学第一定律,The First Law of Thermodynamics,2-1 热力学第一定律的本质,1909年，C.Caratheodory最后完善热一律,本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用,18世纪初，工业革命，热效率只有1%,1842年，J.R.Mayer阐述热一律，但没有 引起重视,1840-1849年，Joule用多种实验的一致性 证明热一律，于1850年发表并得到公认,Conservation of energy,One of the most fundamental laws of nature,“During an interaction,energy can change from one form to another but the total amount of energy remains constant”,Energy cannot be created or destroyed,焦耳实验,1、重物下降，输 入功，绝热容 器内气体 T,2、绝热去掉，气 体 T，放出 热给水，T 恢复 原温。,焦耳实验,水温升高可测得热量，重物下降可测得功,热功当量1 cal=4.1868 kJ,工质经历循环:,Mechanical equivalent of heat,闭口系循环的热一律表达式,要想得到功，必须花费热能或其它能量,热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”,Perpetual motion machine of the first kind,Q,Perpetual motion machine of the first kind,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,Wnet,Qout,电加热器,2-2 热一律的推论内能,内能的导出,闭口系循环,Internal energy,内能的导出,对于循环1a2c1,对于循环1b2c1,状态参数,p,V,1,2,a,b,c,内能及闭口系热一律表达式,定义 dU=Q-W 内能U 状态函数,Q=dU+WQ=U+W,闭口系热一律表达式,！两种特例 绝功系 Q=dU 绝热系 W=-dU,内能U 的物理意义,dU=Q-W,W,Q,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 代表储存于系统内部的能量 内储存能（内能、热力学能）,内能的组成,分子动能分子位能 binding forces化学能 chemical energy核能 nuclear energy,内能,microscopic forms of energy,移动 translation,转动 rotation,振动 vibration,系统总能 total energy,外部储存能macroscopic forms of energy,宏观动能 kinetic Ek=mc2/2宏观位能 potential Ep=mgz,机械能,系统总能,E=U+Ek+Ep,e=u+ek+ep,一般与系统同坐标，常用U,dU,u,du,内能的说明,内能是状态量 state property,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,热一律的文字表达式,热一律:能量守恒与转换定律,能量的传递和转化,一、能量传递的两种方式,作功,作功的说明,“作功”是系统与外界间的一种相互作用，是越过系统边界的能量交换。功是指作功过程中在传递着的能量的总称，过程一旦结束就再无所谓功。机械能与机械功、电能与电功等同吗？系统是否作功应以过程在外界所引起的效果来判断，而不应从系统的内部去寻找依据，对系统的内部来说无所谓“功”。功是有序能量传递。,过程功：按照系统在热力过程中的状态变化而应该作出的功。系统的过程功中通常可以区分为有用功和无用功的两个部分。对大气所作的任何功是无用的，克服摩擦所作的功都转变为热量，因而也是无用的。像设备从转轴上传出的轴功，提升重物所作的机械功，以及工质本身的宏观动能和重力位能的增加（可以利用相关机械设备进一步使之转变为轴功等机械功）都属于系统所作的有用功。有用功：技术上有用的，可以输给功源的功。功源：一种可以向热力系作功或从热力系统接受功的外界物体或装置。,传热,系统与外界之间的另一种相互作用，是系统与外界之间依靠温差进行的一种能量传递现象，所传递的能量称为热量。,热能和热量不是同一个概念温差虽然是传热过程的推动势差，但是系统温度的变化与传热并无必然的联系。热能是微观粒子无序紊乱运动的能量热量符号规定：系统从外界吸热为正；向外界放热为负,2-3 闭口系能量方程,W,Q,一般式,Q=dU+W Q=U+W,q=du+w q=u+w,单位工质,适用条件：1）任何工质 2)任何过程,Energy balance for closed system,Point function-Exact differentials-dPath function-Inexact differentials-,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,q=du+w,准静态容积变化功 pdv拉伸功 w拉伸=-dl表面张力功 w表面张力=-dA,w=pdv-dl-dA+.,闭口系能量方程的通式,q=du+w,若在地球上研究飞行器 q=de+w=du+dek+dep+w,工程热力学用此式较少,准静态和可逆闭口系能量方程,简单可压缩系准静态过程,w=pdv,简单可压缩系可逆过程,q=Tds,q=du+pdv,q=u+pdv,热一律解析式之一,Tds=du+pdv,Tds=u+pdv,热力学恒等式,门窗紧闭房间用电冰箱升温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程,T,电冰箱,RefrigeratorIcebox,门窗紧闭房间用空调降温,以房间为系统,闭口系,闭口系能量方程,T,空调,Q,Air-condition,2-4 开口系能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,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,Energy balance for open system,推进功的引入,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv,这个结果与实验不符,少了推进功,推进功的表达式,推进功（流动功、推动功）,p,A,p,V,dl,W推=p A dl=pV w推=pv,注意：不是 pdv v 没有变化,Flow work,对推进功的说明,1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在,2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化,3、w推pv与所处状态有关，是状态量,4、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时所携带和所传递的一种能量,开口系能量方程的推导,Wnet,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv,min,pvout,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,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,焓Enthalpy的引入,定义：焓 h=u+pv,h,h,开口系能量方程,焓Enthalpy的 说明,定义：h=u+pv kJ/kg H=U+pV kJ,1、焓是状态量 state property,2、H为广延参数 H=U+pV=m(u+pv)=mh h为比参数,3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功)对静止工质，焓不代表能量,4、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。,2-5 稳定流动能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,稳定流动条件,1、,2、,3、,轴功Shaft work,每截面状态不变,4、,Energy balance for steady-flow systems,稳定流动的定义,当流动系统中（包括进、出口截面上）各点的热力学状态及流动情况（流速、流向）不随时间变化时，称系统处于稳定流动,1、系统各截面状态参数不随时间变化,2、系统与外界的能量交换不随时间变化,3、系统自身能量贮存与质量贮存不随时间变化,稳定流动能量方程的推导,稳定流动条件,0,稳定流动能量方程的推导,1kg工质,稳定流动能量方程,适用条件：,任何流动工质,任何稳定流动过程,Energy balance for steady-flow systems,技术功 technology work,动能,工程技术上可以直接利用,轴功,机械能,位能,单位质量工质的开口与闭口,ws,q,稳流开口系,闭口系(1kg),容积变化功,等价,技术功,稳流开口与闭口的能量方程,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？,几种功的关系,w,wt,(pv),c2/2,ws,gz,做功的根源,ws,对功的小结,2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws,3、一般情况下忽略动、位能的变化,1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功w,wswt,简单可压缩系可逆过程的技术功,可逆过程,简单可压缩系可逆过程,热一律解析式之一,热一律解析式之二,技术功在示功图上的表示,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,伯努利方程,Bernoullis equation,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 mg(z2-z1)=0.3 kJ/kg,1bar下,0 oC水的 h1=84 kJ/kg100 oC水蒸气的 h2=2676 kJ/kg,例1：透平(Turbine)机械,火力发电核电,飞机发动机轮船发动机移动电站,燃气轮机,蒸汽轮机,Steam turbine,Gas turbine,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,例2：压缩机械 Compressor,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,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,例3：换热设备Heat Exchangers,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,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,例4：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,Nozzles and Diffusers,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,例5：绝热节流Throttling Valves,管道阀门,制冷空调,膨胀阀、毛细管,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,例：已知新蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3230kJ/kg，流速c1=50m/s，乏汽流出汽轮机时的焓h2=2300kJ/kg，流速c2=120m/s。蒸汽流量为600t/h，试求：(1)汽轮机的功率；(2)忽略蒸汽进、出口动能变化引起的计算误差。,解：（1）,因，所以每小时在汽轮机中所做的功为：,蒸汽机的功率为：,（2）忽略蒸汽进、出口时的动能差时，蒸汽进、出口的动能有：,由此引起的误差为：,第二章 小结 Summary,1、本质：能量守恒与转换定律,第二章 小结,通用式,2、热一律表达式：,第二章 小结,稳流：,dEcv/=0,通用式,第二章 小结,闭口系：,通用式,第二章 小结,通用式,循环,dEcv=0,out=in,第二章 小结,孤立系：,通用式,第二章 小结,3、热力学第一定律表达式和适用条件,任何工质，任何过程,任何工质，可逆过程,任何工质，任何稳流过程,第二章 小结,4、可逆过程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,第二章 小结,5、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,第二章 小结,6、四种功的关系,准静态下,闭口系过程,开口系过程,第二章 讨论 Discussion,思考题,工质膨胀是否一定对外作功？,做功对象和做功部件,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,第二章 讨论,气体被压缩时一定消耗外功,热力学功指有用功,对外作功指有用功,第二章 讨论,气体边膨胀边放热是可能的,对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能,第二章 小结,循环,思考题4附图,P,q,例：燃气轮机循环,充气问题与取系统,例,储气罐原有气体m0,u0,输气管状态不变，h,经时间充气，关阀,储气罐中气体m,求：储气罐中气体内能u,忽略动、位能变化，且管路、储气罐、阀门均绝热,m0,u0,h,四种可取系统,1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,1)取储气罐为系统(开口系),忽略动位能变化,h,绝热,无作功部件,无离开气体,1)取储气罐为系统(开口系),经时间充气，积分概念,h,h是常数,2）取最终罐中气体为系统(闭口系),h,m0,m-m0,绝热,m-m0,3）取将进入储气罐的气体为系统(闭口系),m0,h,m-m0,m0与m-m0有温差传热Q1,m-m0对m0作功W1,?,?,m-m0,4）取储气罐原有气体为系统(闭口系),m0,h,m-m0,m0与m-m0有温差传热Q1,m0得m-m0作功W1,?,?,4）取储气罐原有气体为系统(闭口系),m0,h,m-m0,利用热一律的文字表达式,进 出 内能变化,h,内能变化：,取储气罐为系统(开口系),进：,出：,m0,u0,作业,思考题25，27，211，212习题28，29,第二章 完End of Chapter Two,