工程热力学-第二章热力学第一定律.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二章,热力学第一定律,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。,2026/1/25 周日,2,2-1,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。,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,2026/1/25 周日,3,2-2,储存能,-,内能和外储存能,定义,d,U,=,Q-,W,内能,U,是,状态函数,闭口系热一律表达式,Q,=,d,U,+,W,Q,=,U,+,W,两种特例,绝功系,Q,=,d,U,绝热系,W,=-,d,U,2026/1/25 周日,4,内能,U,的,物理意义,d,U,=,Q-,W,d,U,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）,W,Q,2026/1/25 周日,5,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,2026/1/25 周日,6,系统总能,外部存储的能,-,机械能,宏观动能：,E,k,=,mc,2,/2,宏观位能,E,p,=,mgz,系统总能,E,=,U,+,E,k,+,E,p,e,=,u,+,e,k,+,e,p,c,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,是独立于热力系统内部的参数。,系统的宏观动能和重力位能称作外部储存能。,2026/1/25 周日,7,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,2026/1/25 周日,8,2-3,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,W,Q,Q,=,d,U,+,W,Q,=,U,+,W,q,=,d,u,+,w,q,=,u,+,w,2026/1/25 周日,9,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,p,d,v,拉伸功,w,=-,d,l,表面张力功 ,w,=-,d,A,w,=,p,d,v,-,d,l,-,d,A,+,.,2026/1/25 周日,10,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,=,p,d,v,q,=d,u,+,p,d,v,q,=,u,+,p,d,v,简单可压缩系可逆过程,热力学恒等式,q,=,T,d,s,T,d,s,=d,u,+,p,d,v,T,d,s,=,u,+,p,d,v,2026/1/25 周日,11,2-4,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,W,net,Q,m,in,m,out,u,in,u,out,gz,in,gz,out,2026/1/25 周日,12,推进功的引入,能量平衡关系式,Q,+,m,in,(,u,+,c,2,/2+,gz,),in,-,m,out,(,u,+,c,2,/2+,gz,),out,-,W,net,=,d,E,cv,这个结果与实验结果不符,少推进功,W,net,Q,m,in,m,out,u,in,u,out,gz,in,gz,out,2026/1/25 周日,13,推进功的表达式,推进功（流动功、推动功）,W,推,=,p,A,d,l,=,pV,w,推,=,pv,注意,不是,pdv,，,v,没有变化,p,A,p,V,dl,2026/1/25 周日,14,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,2026/1/25 周日,15,开口系能量方程的推导,W,net,Q,pv,in,m,out,u,in,u,out,gz,in,gz,out,Q,+,m,in,(,u,+,c,2,/2+,gz,),in,-,m,out,(,u,+,c,2,/2+,gz,),out,-,W,net,=,d,E,cv,m,in,pv,out,2026/1/25 周日,16,开口系能量方程微分式,Q,+,m,in,(,u,+,pv,+,c,2,/2+,gz,),in,-,W,net,-,m,out,(,u,+,pv,+,c,2,/2+,gz,),out,=,d,E,cv,工程上常用,流率,2026/1/25 周日,17,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？,2026/1/25 周日,18,焓的引入,定义,焓,h,=,u,+,pv,h,h,开口系能量方程,2026/1/25 周日,19,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。,2026/1/25 周日,20,W,net,Q,m,in,m,out,u,in,u,out,gz,in,gz,out,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,2026/1/25 周日,21,稳定流动能量方程的推导,稳定流动条件,0,2026/1/25 周日,22,稳定流动能量方程的推导,1kg,工质,2026/1/25 周日,23,稳定流动能量方程,适用条件,任何工质,任何稳定流动,2026/1/25 周日,24,单位质量工质的开口系与闭口系,w,s,q,稳流,开口系,闭口系,(1kg),容积变化功,等价,技术功,w,t,2026/1/25 周日,25,稳流开口系与闭口系的能量方程,容积变化功,w,技术功,w,t,闭口,稳流开口,等价,轴功,w,s,推进功,(,pv,),几种功的关系？,2026/1/25 周日,26,几种功的关系,w,w,t,(,pv,),c,2,/2,w,s,g,z,做功的根源,w,s,2026/1/25 周日,27,准静态下的技术功,准静态,准静态,热一律解析式之一,热一律解析式之二,2026/1/25 周日,28,技术功在示功图上的表示,2026/1/25 周日,29,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,2026/1/25 周日,30,2-6,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：,c,1,=,1,m/s,c,2,=,30,m/s,(,c,2,2,-c,1,2,)/,2,=,0.449,kJ/kg,z,1,=,0 m,z,2,=,30 m,g,(,z,2,-z,1,),=,0.3 kJ/kg,1bar,下,0,o,C,水的,h,1,=,84 kJ/kg,100,o,C,水蒸气,的,h,2,=,2676 kJ/kg,2026/1/25 周日,31,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,2026/1/25 周日,32,火力发电装置,锅,炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,2026/1/25 周日,33,航空发动机（燃气循环）,2026/1/25 周日,34,燃气发电装置,活塞,2026/1/25 周日,35,燃气装置,压气机,燃气轮机,燃烧室,空气,废气,2026/1/25 周日,36,透平,(Turbine),机械,1),体积不大,2,）,流量大,3,）,保温层,q,0,w,s,=,-,h,=,h,1,-,h,2,0,输出的轴功是靠焓降转变的,2026/1/25 周日,37,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,2026/1/25 周日,38,制冷空调,装置,活塞,2026/1/25 周日,39,压缩机械,1),体积不大,2,）,流量大,3,）,保温层,q,0,w,s,=,-,h,=,h,1,-,h,2,0,输入的轴功转变为焓升,2026/1/25 周日,40,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,2026/1/25 周日,41,火力发电装置,锅,炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,2026/1/25 周日,42,制冷空调,装置,活塞,2026/1/25 周日,43,换热设备,热流体放热量：,没有作功部件,热流体,冷流体,h,1,h,2,h,1,h,2,冷流体吸热量：,焓变,2026/1/25 周日,44,例,4,：绝热节流,管道阀门,制冷,空调,膨胀阀、毛细管,2026/1/25 周日,45,制冷空调,装置,活塞,2026/1/25 周日,46,绝热节流,绝热节流过程，前后,h,不变,，但,h,不是处处相等,h,1,h,2,没有作功部件,绝热,2026/1/25 周日,47,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,2026/1/25 周日,48,喷管与扩压管,2026/1/25 周日,49,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,2026/1/25 周日,50,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,=,系统内能的增加,2026/1/25 周日,51,第二章 小结,热力学第一定律通用表达式,2026/1/25 周日,52,第二章 小结,稳流：,d,E,cv,/,=0,2026/1/25 周日,53,第二章 小结,闭口系：,通用式,2026/1/25 周日,54,第二章 小结,通用式,循环,d,E,cv,=0,out,=in,2026/1/25 周日,55,第二章 小结,孤立系：,通用式,2026/1/25 周日,56,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,2026/1/25 周日,57,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,2026/1/25 周日,58,第二章 小结,5,、,四种功的关系,准,静态下,2026/1/25 周日,59,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,2026/1/25 周日,60,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,2026/1/25 周日,61,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,2026/1/25 周日,62,THE END,2026/1/25 周日,63,