1、工程熱力學第三章第1頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三作業習題32，36，37，38第2頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三第三章 熱力學第一定律熱力學第一定律的實質熱力學能與總能系統與外界傳遞的能量閉口系統能量方程開口系統能量方程開口系統穩態穩流能量方程穩態穩流能量方程的應用第3頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三熱力學第一定律熱力學第一定律（The First Law of Thermodynamics）：“熱是能的一種，機械能變熱能，或熱能變機械能的時候，它們間的比值是一定的。”“熱可變為功，功也可變為熱，一定量的熱消失時，必

2、產生一定量的功，消耗一定量的功時，必出現與之相應的一定量的熱。”熱功當量功熱第4頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三熱一律的理論基礎與實質熱能的本質：熱能是組成物質的分子、原子等微粒的雜亂運動的能量，微粒的雜亂運動叫做熱運動。既然熱能和機械能都是物質的運動，那么熱能和機械能的相互轉化實質上是物質由一種運動形態轉變為另一種運動形態，轉化時的總能量守恒則是理所當然的。熱力學第一定律的實質： 熱力學第一定律是能量守恒與轉化定律在熱現象上的應用。第5頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三熱功當量熱功當量表明熱能和機械能相互轉化時的當量關系，與能量轉化時的條件無關，

3、僅僅決定于熱和功所用的單位。熱量單位JkcalkJkJkcalkcal功的單位Jkgfmkwhhphkwhhph熱功當量11/42736002646860632注意單位第6頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三熱力學能和總能系統儲存能內部儲存能外部儲存能取決于系統本身的狀態，與分子結構與微觀運動形式有關(核能、化學能、內熱能)與外力場的相互作用（位能），宏觀運動能量（宏觀動能）熱力學能總能第7頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三熱力學能的導出考察閉口系熱力循環1-a-2-c-1，循環過程中工質從外界吸收熱量，對外界輸出功，完成循環后又回復到初態，根據熱力學

4、第一定律：狀態參數的積分特征積分是否與路徑無關第8頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三熱力學能是狀態參數對循環1-a-2-c-1，有：對循環1-b-2-c-1，有：與路徑無關是某狀態函數的全微分用dU表示第9頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三熱力學能的物理意義dU = Q - W dU 代表某微元過程中系統通過邊界交換的微熱量與微功量兩者之差值，也即系統內部能量的變化。 U 代表儲存于系統內部的能量 內儲存能（內能、熱力學能） 內能總以變化量出現，內能零點人為定第10頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三熱力學能的微觀組成分子動能分子

5、位能 binding forces化學能 chemical energy核能 nuclear energy熱力學能移動 translation轉動 rotation振動 vibration熱力狀態的單值函數，與路徑無關第11頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三外部儲存能（macroscopic forms of energy）1.宏觀動能2.重力位能外部存儲能機械能第12頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三系統的總能系統的總能內部儲存能+外部儲存能比總能第13頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三系統與外界傳遞的能量系統外界傳熱傳功傳質

6、1.熱量：在溫差作用下與外界傳遞的能量。2.功量：除溫差外的其它不平衡勢差所引起的系統與外界之間傳遞的能量。3.隨物質流傳遞的能量開口系統包括儲存能和推動功兩部分第14頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三隨物質流傳遞的能量1.儲存能 工質儲存的能量依附于工質，隨工質的流動而傳遞2.流動功（推動功） 為推動流體通過控制體界面而傳遞的機械功，是維持流體正常流動所必須傳遞的能量。 Wf = p A dl = pV wf= pv流動功是一種特殊的功，大小取決于控制體進出口界面的熱力狀態，與熱力過程無關。第15頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三對流動功的理解可理

7、解為：由于工質的進出，外界與系統之間所傳遞的一種機械功，表現為流動工質進出系統時所攜帶和所傳遞的一種能量1.與宏觀流動有關，流動停止，流動功不存在2.作用過程中，工質僅發生位置變化，無狀態變化3.Wfpv與所處狀態有關，是狀態量4.并非工質本身的能量（動能、位能）變化引起，而由外界（泵與風機）做出，流動工質所攜帶的能量第16頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三焓及其物理意義流動工質傳遞的能量：取決于物質的熱力狀態定義為焓hhu+pvHU+pV焓是流動工質傳遞的總能量中取決于熱力狀態的部分，如果動能和位能可以忽略，則焓代表隨流動工質傳遞的總能量第17頁，共52頁，2022年，

8、5月20日，4點25分，星期三閉口系統能量方程閉口系統，沒有物質交換，能量傳遞只有熱量和功兩種形式。系統總能變化傳入的熱量輸出的功動能與位能不發生變化適用于任何工質、任何過程第18頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三熱一律在循環過程中的應用閉口系統，熱力循環1-2-3-4-1根據熱力學第一定律，對每個過程建立能量方程：回到初態第一類永動機不可能實現第19頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三理想氣體熱力學能變化計算定容過程理想氣體或 定值比熱Cv 平均比熱 真實比熱混合氣體第20頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三例題門窗緊閉的房間內有

9、一臺運行的電冰箱，若敞開冰箱門就有一股涼氣撲面，有人就想通過敞開冰箱大門達到降低室溫的目的，請用熱力學第一定律分析此方法是否可行？以房間為系統，忽略圍護結構傳熱，則系統為絕熱閉口系。閉口系能量方程絕熱耗電T升高第21頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三例題既然敞開冰箱大門不能降溫，為什么在門窗緊閉的房間內安裝空調能使房間降溫呢？以房間為系統，忽略圍護結構傳熱，系統為閉口系。閉口系能量方程空調排熱耗電T下降空調特性第22頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三例題例3-2第23頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三作業習題：3-11，3-12

10、，3-16，3-19第24頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三開口系統能量方程m1m2U1P1,v1U2P2,v2c1c21122dEcvWsQz1z2開口系統，系統與外界之間有質量、熱量和功的交換。質量守恒定律能量守恒定律第25頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三開口系統能量方程進入控制體的能量：離開控制體的能量：控制體儲存能的變化：能量方程：第26頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三開口系統能量方程上式以能量守恒為基礎，對不穩定流動和穩態流動、可逆與不可逆過程都適用，也適用于閉口系統。對于閉口系統第27頁，共52頁，2022年，5

11、月20日，4點25分，星期三開口系統能量方程微分形式工程上常用傳熱率、功率等形式表示第28頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三開口系統能量方程微分形式若進出開口系統的工質有若干股：第29頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三例題33一儲氣罐從壓縮空氣總管充氣，總管內壓縮空氣參數恒定，分別為p11MPa，T1300K，儲氣罐與總管相連的管段上配有配氣閥門。充氣前，閥門關閉，儲氣罐內真空，閥門開啟后，壓縮空氣進入罐內，直到罐內壓力與總管壓力相等。如果罐壁絕熱，壓縮空氣看作是理想氣體，充氣過程中罐內氣體狀態均勻變化，求充氣后儲氣罐內壓縮空氣的溫度。第30頁，共5

12、2頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三例題33沒有氣流流出儲氣罐絕熱沒有軸功忽略動能、位能變化第31頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三例題1.5MPa320氣輪機0.6m3如圖所示，一個大儲氣罐里儲存溫度為320，壓力為1.5MPa，比焓為3081.9kJ/kg的水蒸氣，通過一個閥門與氣輪機和體積為0.6m3起初被抽真空的小容器相連。打開閥門，小容器被充以水蒸氣，直至壓力為1.5MPa，溫度為400時閥門關閉，此時的比熱力學能為2951.3kJ/kg，比體積為0.203m3/kg，整個過程絕熱，且動、位能變化可忽略，求氣輪機輸出的功。第32頁，共52頁，2022

13、年，5月20日，4點25分，星期三例題大儲氣罐蒸汽狀態穩定，管道內的蒸汽量可忽略。絕熱，忽略動、位能，沒有質量流出。第33頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三 開口系統穩態穩流能量方程穩態穩流工況：工質以恒定的流量連續不斷地進出系統，系統內部及界面上各點工質的狀態參數和宏觀運動參數都保持一定，不隨時間變化。恒定流量恒定參數流過系統任何斷面的質量相等進入的能量與離開的能量相等第34頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三 開口系統穩態穩流能量方程穩態穩流單位質量工質第35頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三技術功（Technical wor

14、k）動能軸功機械能位能工程技術上可以直接利用第36頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三單位質量工質的開口與閉口穩流開口系(1kg)閉口系(1kg)容積變化功等價技術功1122WsQ第37頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三幾種功的關系wwt(pv) c2/2wsgz熱變功的根源第38頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三可逆過程的技術功可逆過程可逆過程第39頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三技術功在示功圖上的表示第40頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三理想氣體焓變計算流動工質傳遞的總能量中，取

15、決于工質熱力狀態的部分難以計算對于定壓過程，穩態穩流能量方程：定壓比熱：理想氣體第41頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三理想氣體焓變計算適用于理想氣體，對于實際氣體，只適用于定壓過程定值比熱平均比熱真實比熱第42頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三穩態穩流能量方程的應用動力機壓氣機熱交換器噴管流體的混合絕熱節流第43頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三動力機ws12氣輪機進出口高度差很小進出口流速變化小工質在氣輪機中停留時間很短輸出的軸功是靠焓降轉變的。第44頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三壓氣機ws21壓氣

16、機進出口高度差很小進出口流速變化小工質在氣輪機中停留時間很短消耗的軸功等于壓縮氣體焓的增加。第45頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三熱交換器進出口高度差很小進出口流速變化小沒有功量交換工質吸收的熱量等于焓的增加。熱流體冷流體h1h2h1h2熱流體冷流體h1h2h1h2第46頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三噴管和擴壓管噴管目的：壓力降低，速度提高擴壓管目的：速度降低，壓力升高動能與焓變相互轉換動能參與轉換，不能忽略進出口高度差很小停留時間很短沒有功量交換第47頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三流體的混合混合室m1,h1m2,h2h3高度差小絕熱條件沒有功量交換速度變化小第48頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三絕熱節流忽略位能變化絕熱條件沒有功量交換忽略動能變化第49頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三例題例題3-7第50頁，共52頁，2022年，5月20日，4點25分，星期三例題活塞式空氣壓縮機。壓縮前空氣參數是p10.1MPa，v10.845m3/kg，壓縮后的參數是p2=0.8MPa，v20.175m3/