第2课热力学第一定律.pdf

热力学第零定律热力学第零定律，确定了态函数，确定了态函数温度温度。热力学第一定律热力学第一定律，确定了态函数，确定了态函数内能内能和和焓焓。根据。根据热力学第二定律热力学第二定律，也可以确定一个新的态函数，也可以确定一个新的态函数熵熵。可以用熵来对第二定律作定量的表述。可以用熵来对第二定律作定量的表述。热力学第三定律热力学第三定律通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。或者绝对零度（通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。或者绝对零度（T=0K）不可达到。）不可达到。第二课 热力学第一定律第二课 热力学第一定律热力学第一定律闭口系统开口系统稳定流动不稳定流动热力学第一定律闭口系统开口系统稳定流动不稳定流动热一律热一律:能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律=进入进入系统的系统的能量能量离开离开系统的系统的能量能量系统系统储存能量储存能量的的变化变化-热力学第一定律的实质定律指出定律指出“一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒定不变一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒定不变”焦耳实验水温升高可测得水温升高可测得热量热量，重物下降可测得，重物下降可测得功功工质经历循环工质经历循环:WQ闭口系循环的热一律表达式要想得到要想得到功功，必须化费，必须化费热能热能或或其它能量其它能量第一类永动机第一类永动机:不花费能量而产生动力的机器热一律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的不花费能量而产生动力的机器热一律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”WQ1 21 2()()abQWQW积分结果与路径无关，因此被积函数必定是某个态函数的全微分。定义态函数U为热力学能（内能）。WQdU mgzmc21UE2f系统的总储存能内部储存能(微观)外部储存能(宏观)闭口系热力学第一定律=进入进入系统的系统的能量能量离开离开系统的系统的能量能量系统系统储存能量储存能量的的变化变化-QW)mgzmc21U(E2f00闭口系热一律：闭口系热一律：Q=U+WU+W Q=dU+W适用条件：适用条件：1）任何工质）任何工质2）任何过程）任何过程例：某封闭的刚性容器盛有一定量的空气。初态时热力学能为例：某封闭的刚性容器盛有一定量的空气。初态时热力学能为800kJ,由于容器壁导热向外散热由于容器壁导热向外散热500kJ，容器上装有一搅拌器，通过搅拌器轴的旋转输入能量能量，容器上装有一搅拌器，通过搅拌器轴的旋转输入能量能量100kJ。(1)试问此时容器内的热力学能为多少？试问此时容器内的热力学能为多少？(2)若为了维持容器内空气的热力学能恒定不变，搅拌器应该输入多少轴功？若为了维持容器内空气的热力学能恒定不变，搅拌器应该输入多少轴功？Ws=-100kJQ=500kJU1=800kJU2=?解:(1)Q=U+W=(U2-U1)+W-500=U2-800+(-100)U2=400kJ(2)由于U2=U1=800kJQ=(U2-U1)+W-500=(800-800)+WWs=-500kJ解:(1)Q=U+W=(U2-U1)+W-500=U2-800+(-100)U2=400kJ(2)由于U2=U1=800kJQ=(U2-U1)+W-500=(800-800)+WWs=-500kJ热力系热力系能能储存能储存能E迁移能内部储存能迁移能内部储存能U外部储存能功量热量外部储存能功量热量体积功：体积功：通过体积改变与外界交换的功。通过体积改变与外界交换的功。轴功轴功Ws：通过叶轮机械的轴端与外界交换的能量。通过叶轮机械的轴端与外界交换的能量。流动功流动功Wf：开口系热力系与外界交换质量，工质流入、流出热力系时传递的功。开口系热力系与外界交换质量，工质流入、流出热力系时传递的功。技术功技术功Wt宏观动能：宏观动能：Ek=mc2/2宏观位能：宏观位能：Ep=mgz微观动能微观位能微观动能微观位能系统储存能的增加等于传入系统的净能量，也就是能量既不能创造也不能消失，只能从一种形式转换为另一种形式。（2.1.3)对于有些系统，系统热量的传递或各种功的传递效应是非耦合的，其每一种作用只引起系统一种形式能量的变化。例如：一个质量为，比热容为的刚性物体的温度为，速度为，高度为。通过加热和无摩擦做功使其状态变化到（），这样有，。热量的传递只引起物体温度的变化，不引起平动动能和重力势能的变化。所以，与非耦合作用相关的的储存能是独立的，不同类型的储存能可以直接叠加。P22表2.2.1列出了几种典型非耦合工的作用方式和相应的储存能形式。与外界相互作用诸如重力、宏观运动、电磁和变形等无关的储存能称为热力学能（内能）。非耦合热力系统与外界热或功的交换会引起系统热力性质的变化。这种作用是相互关联、彼此耦合的。例如：热量的传递或功的传递都可以引起静流体系统温度的变化；同样，通过功的传递或热量的传递也可引起系统压力的变化。耦合稳定流动能量方程式开口系的能量开口系的能量稳定流动能量分析稳定流动能量分析:系统与外界的功量和热量交换不随时间时间改变,系统内各处流体的热力状态和流动情况也不随时间变化。不稳定流动能量分析不稳定流动能量分析1）开口系进、出口截面的参数开口系进、出口截面的参数不随时间变化；不随时间变化；2）热力系与外界交换能量热力系与外界交换能量时不随时间变化；时不随时间变化；3）热力系与外界的质量交换热力系与外界的质量交换不随时间变化，进口的质量流量等于出口的质量流量。不随时间变化，进口的质量流量等于出口的质量流量。稳定流动系统是指热力系内各点参数不随时间变化的系统。特征：进出口工质状态不变；进出口工质流量相等；与外界交换能量不变。2-7稳定流动能量方程式)gz2ch(q)gz2cvpu(q121f1121f111进入进入系统的系统的能量能量-离开离开系统的系统的能量能量=系统=系统储存能量储存能量的变化的变化Wnetq min moutu1uoutgz1gz2212inc212outc1）进入系统的能量：热量）进入系统的能量：热量+工质携进热力系的能量工质携进热力系的能量2）离开系统的能量：功量）离开系统的能量：功量+工质携出热力系的能量工质携出热力系的能量3）由于开口系统是稳定流动）由于开口系统是稳定流动,热力系统储存能量不随时间变化：热力系统储存能量不随时间变化：E=0)gz2ch(w222f2net)gz2ch(q)gz2cvpu(q121f1121f111流动时流动时,总是一起存在总是一起存在.焓的定义焓的定义net1221f22f12222f2net121f1w)zz(g2cc)hh(q0)gz2ch(w)gz2ch(q则则:net2fnet2fnet2fwgdz2dcdhqwzg2chqkg1Wzmg2cmHQmkg:,微元过程工质工质上式可表达为针对不同情况定义：定义：h=u+pv kJ/kg H=U+pV kJ 1、焓焓是状态量是状态量state property2、H为广延参数为广延参数H=U+pV=m(u+pv)=mhh为比参数为比参数3、对流动工质，对流动工质，焓焓代表能量代表能量(内能内能+推挤功推挤功)对静止工质，对静止工质，焓焓不代表不代表能量能量4、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。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。一.稳定流动中焓H的引入1.流动功流动功pApVdlW推挤功推挤功=p A dl=pVw推挤功推挤功=pv注意：注意：不是不是 pdvv 没有变化没有变化二.稳定流动中功的讨论推挤功是克服某种作用力,使气体发生宏观位置移动所消耗的功.使流体从截面1流入到截面2流出的流动过程中,系统付诸于质量迁移所作的功称为流动功,有Wf表示:)(1122pVVpVpWf在移动过程中气体仅发生位置变化,而无热力状态的变化.在流动过程中,流动功是气体穿过边界进出开系时与外界交换的推挤功的差值.因此,流动功可视为流动过程中系统与外界由于物质的进出而传递的机械功.对流动功的说明1、1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，流动功不存在有关，流动停止，流动功不存在2、2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、3、w推推pv与所处状态有关，是状态量与所处状态有关，是状态量4、4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量可理解为：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使所携带和所传递的一种能量由于工质的进出，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使所携带和所传递的一种能量2、技术功、技术功wtttnet2fttnet2fwdhqwhq:kg1wzgc21w.w.w,zg,2c工质开口系稳定流动所以对于这三项的组合称为能量有开口系中机械能形式的流动功体积功)()()(pvuqpvuqhqwtvdp)pdvvdp(pdv)pv(dwwt vdpdhq:kg1 工质开口系稳定流动所以对于技术功在示功图上的表示1 12 2ddv pp vpvp vt1 12 2wwpvp vt()wwpv12 1ba12341 140 1a230 2bWt与Ws的关系 Wt与W、Wf的关系当过程可逆时,这也是动、位能差不计时的最大轴功技术上可资利用的功技术功Wt Wf是进出口推动功之差开口系付诸于质量迁移所作的功流动功Wf Ws是开口系所求的功当工质进出口间的动、位能差被忽略时,Wt=Ws,所以此时开口系所求的功也是技术功系统通过轴与外界交换的功轴功Ws当过程可逆时,W是简单可压缩系统热变功的源泉W往往对应闭口系所求的功系统体积变化所完成的功体积变化功W说明含义名称21pdVWsftWzmgcmW22121VdpWtftWWW非稳定流动的能量方程式工程上,除了稳定流动外还会遇到一些非稳定流动过程,如气轮机负荷变化时流体的流动过程,容器的充气放气过程,等.这时流体在流道内的状态将随时间变化,其对外的热量功量交换也将随时间变化.netinfinoutfoutVCWgzchmgzchmdEQ)21()21(22.非稳定流动能量方程.它反映了流过过程的一般规律.netinfinoutfoutVCWgzchmgzchmdEQ)21()21(infoutfWgzchmgzchmQ)21()21(22非稳定流过能量方程稳定流动能量方程非稳定流动能量方程稳定流动能量方程是非稳定流动能量方程的一个特例.由于流道内流动状况及流体的热力状态不随时间变化,上式简化为: