第二章

熱力學(xué)第一定律TheFirstLawofThermodynamics§2-1熱力學(xué)第一定律的本質(zhì)§2-2系統(tǒng)總能和熱力學(xué)能§2-3閉口系能量方程§2-4開(kāi)口系能量方程§2-5

穩(wěn)定流動(dòng)能量方程§2-6穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例本章主要內(nèi)容§2-1熱力學(xué)第一定律的本質(zhì)1.能量轉(zhuǎn)換守恒定律自然界中一切物質(zhì)都具有能量，能量既不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅，而只能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在轉(zhuǎn)換中能量的總量恒定不變。2.熱力學(xué)第一定律的表述實(shí)質(zhì)：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在研究與熱能相關(guān)的能量傳遞與轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用=進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開(kāi)系統(tǒng)的能量系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的變化-3.熱一律意義確定了能量傳遞與轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系，肯定了熱能與其它能量之間所存在的共同性質(zhì)，即熱也是一種能量，也是一種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的形式。

1909年，C.Caratheodory最后完善熱一律

1842年，J.R.Mayer闡述熱一律，但沒(méi)有引起重視

1840-1849年，Joule用多種實(shí)驗(yàn)的一致性證明熱一律，于1850年發(fā)表并得到公認(rèn)§2-2熱力學(xué)能和總能熱力學(xué)能（內(nèi)部?jī)?chǔ)存能）1.定義系統(tǒng)內(nèi)部微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)具有的能量的總和2.構(gòu)成Uk內(nèi)動(dòng)能Up內(nèi)位能化學(xué)能原子能熱力學(xué)能移動(dòng)translation轉(zhuǎn)動(dòng)rotation振動(dòng)vibrationU=Uk+Up熱力學(xué)能的說(shuō)明熱力學(xué)能是狀態(tài)量

僅取決于初、終狀態(tài),而與路無(wú)關(guān)U:

廣延參數(shù)[kJ]

u

:

比參數(shù)[kJ/kg]U=Uk+Up=f1(T)+f2(V)=f(T,V)系統(tǒng)總能：外部?jī)?chǔ)存能和內(nèi)部?jī)?chǔ)存能宏觀動(dòng)能Ek=mc2/2宏觀位能Ep=mgz機(jī)械能系統(tǒng)總能外部?jī)?chǔ)存能內(nèi)部?jī)?chǔ)存能－熱力學(xué)能U宏觀動(dòng)能宏觀位能內(nèi)動(dòng)能內(nèi)位能E

=

U

+

Ek

+Epe

=

u

+ek

+

ep一般與系統(tǒng)同坐標(biāo)，常用U,dU,u,du宏觀動(dòng)能與內(nèi)動(dòng)能的區(qū)別E

=

U

+

mc2/2

+mgze

=

u+c2/2

+gz能量的轉(zhuǎn)換和傳遞在溫差推動(dòng)下，系統(tǒng)與外界借助于微觀的無(wú)序運(yùn)動(dòng)傳遞的能量在壓力推動(dòng)下，系統(tǒng)與外界借助于宏觀的有序運(yùn)動(dòng)傳遞的能量溫差力差微觀無(wú)序宏觀有序能量形態(tài)不變能量形態(tài)發(fā)生變化過(guò)程量過(guò)程量放熱-，吸熱+對(duì)外做功+，耗功-熱量各種功re1.容積變化功W2.軸功WS:通過(guò)葉輪機(jī)械的軸輸出與輸入的功。3.流動(dòng)功Wf:維持流動(dòng)所需的功。CVFvpm0011流動(dòng)功和推動(dòng)功推動(dòng)功：dx系統(tǒng)引進(jìn)或排除工質(zhì)傳遞的能量CVFvpm11流動(dòng)功和推動(dòng)功流動(dòng)功：維持系統(tǒng)流動(dòng)所需要的功22對(duì)推動(dòng)功的說(shuō)明1、與宏觀流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)停止，流動(dòng)功不存在2、作用過(guò)程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，無(wú)狀態(tài)變化3、w推＝pv與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量4、并非工質(zhì)本身的能量（動(dòng)能、位能）變化引起，而由外界（泵與風(fēng)機(jī)）做出，流動(dòng)工質(zhì)所攜帶的能量可理解為：由于工質(zhì)的進(jìn)出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機(jī)械功，表現(xiàn)為流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)出系統(tǒng)使所攜帶和所傳遞的一種能量§2-3閉口系能量方程方程的推導(dǎo)WQ取工質(zhì)為系統(tǒng)－閉口系=進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開(kāi)系統(tǒng)的能量系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的變化-工質(zhì)的宏觀動(dòng)能和位能的變化可忽略不計(jì)初態(tài)：熱力學(xué)能U1終態(tài)：熱力學(xué)能U2Q

=dU

+

W

Q

=U

+

WQ-W=dU=U2-U1式中各項(xiàng)均為代數(shù)值，適用于閉口系統(tǒng)各種能量交換過(guò)程。對(duì)于任意過(guò)程(可逆過(guò)程或不可逆過(guò)程)、任意工質(zhì)都適用注意閉口系統(tǒng)能量方程常用形式單位質(zhì)量工質(zhì)q

=u

+

wq

=du+

w可逆過(guò)程q

=du+

pdvq

=u

+

∫1

pdv2閉口系循環(huán)的熱一律表達(dá)式要想得到功，必須化費(fèi)熱能或其它能量熱一律又可表述為“第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的”門(mén)窗緊閉房間用電冰箱降溫以房間為系統(tǒng)

絕熱閉口系閉口系能量方程T電冰箱RefrigeratorIcebox門(mén)窗緊閉房間用空調(diào)降溫以房間為系統(tǒng)

閉口系閉口系能量方程T空調(diào)QAir-conditioner§

2-4開(kāi)口系能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout能量守恒原則進(jìn)入系統(tǒng)的能量

-離開(kāi)系統(tǒng)的能量

=系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的變化開(kāi)口系能量方程的推導(dǎo)WnetQpvinmoutuinuoutgzingzoutQ

+

min(u

+

c2/2

+

gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wnet

=

dUcvminpvout開(kāi)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

=

dUcv工程上常用流率U當(dāng)有多條進(jìn)出口：流動(dòng)時(shí)，總一起存在U焓Enthalpy的引入定義：焓

h

=u

+

pv開(kāi)口系能量方程Uhh焓Enthalpy的

說(shuō)明

定義：h

=

u

+

pv[kJ/kg]

H

=

U

+

pV

[kJ]1、焓是狀態(tài)量stateproperty3、H為廣延參數(shù)

H=U+pV=

m(u+pv)=mhh為比參數(shù)4、對(duì)流動(dòng)工質(zhì)，焓代表能量(熱力學(xué)能+推動(dòng)功)

對(duì)靜止工質(zhì)，焓不代表能量2、物理意義：開(kāi)口系中隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶的、取決

于熱力狀態(tài)的能量。

焓并不能看作是工質(zhì)儲(chǔ)存的能量，而是隨工質(zhì)流動(dòng)跨越邊界而轉(zhuǎn)移的能量。熱力學(xué)能則是工質(zhì)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的唯一形式。§2-5

穩(wěn)定流動(dòng)能量方程穩(wěn)定流動(dòng)定義：是指系統(tǒng)（內(nèi)部及邊界）各點(diǎn)工質(zhì)的所有熱力參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)都不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)。任一截面參數(shù)不隨時(shí)間變化條件任一截面的質(zhì)量流量均相同與外界交換的功和熱量不隨時(shí)間min軸功WsQmoutuinuoutgzingzout穩(wěn)定流動(dòng)條件開(kāi)口系統(tǒng)能量方程1kg工質(zhì)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程適用條件：任何流動(dòng)工質(zhì)任何穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程技術(shù)功Wt

動(dòng)能差 工程技術(shù)上可以直接利用軸功機(jī)械能勢(shì)能差單位質(zhì)量工質(zhì)的開(kāi)口與閉口wsq穩(wěn)流開(kāi)口系閉口系(1kg)容積變化功等價(jià)技術(shù)功穩(wěn)流開(kāi)口與閉口的能量方程容積變化功w技術(shù)功wt閉口穩(wěn)流開(kāi)口等價(jià)軸功ws流動(dòng)功(pv)幾種功的關(guān)系？幾種功的關(guān)系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws對(duì)功的小結(jié)2、開(kāi)口系，系統(tǒng)與外界交換的功為軸功ws3、一般情況下忽略動(dòng)、位能的變化1、閉口系，系統(tǒng)與外界交換的功為容積變化功wwswt準(zhǔn)平衡下的技術(shù)功準(zhǔn)平衡準(zhǔn)平衡熱一律解析式之一熱一律解析式之二技術(shù)功在示功圖上的表示第一定律的表達(dá)式：基本形式re微元形式re流率形式例1：透平(Turbine)機(jī)械火力發(fā)電核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站燃?xì)鈾C(jī)蒸汽輪機(jī)Steamturbine§2-6穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例透平(Turbine)機(jī)械與外界存在功量交換。有散熱，q為負(fù)，相對(duì)于功量散熱量≈0。宏觀動(dòng)能和位能的變化可忽略：ws

=-△h=

h1-

h2>0輸入的軸功轉(zhuǎn)變?yōu)殪噬?00例2：壓縮機(jī)械Compressor火力發(fā)電核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站壓氣機(jī)水泵制冷空調(diào)壓縮機(jī)壓縮機(jī)械ws

=-△h

=

h1-

h2<0輸入的軸功轉(zhuǎn)變?yōu)殪噬美}：某一蒸汽輪機(jī)，進(jìn)口蒸汽：P1=9.0MPa,t1=500oC,h1=3386.8kJ/kgcf1=50m/s;出口蒸汽參數(shù)為：P2=4kPa,h2=2226.9kJ/kg,cf2=140m/s,進(jìn)出口高度差為12m，每kg蒸汽經(jīng)蒸汽輪機(jī)散熱損失為15kJ。試求：（1）單位質(zhì)量蒸汽流經(jīng)汽輪機(jī)對(duì)外輸出功；（2）不計(jì)進(jìn)出口動(dòng)能的變化，對(duì)輸出功的影響；（3）不計(jì)進(jìn)出口位能差，對(duì)輸出功的影響；（4）不計(jì)散熱損失，對(duì)輸出功的影響；（5）若蒸汽流量為220t/h，汽輪機(jī)功率有多大？已知：P1=9.0MPa，t1=500oC,，h1=3386.8kJ/kg，cf1=50m/s;

P2=4kPa,h2=2226.9kJ/kg,cf2=140m/sq=-15kJ/kg，?z=12m解：（1）選汽輪機(jī)為熱力系，由穩(wěn)定流動(dòng)能量方程：第（2）~（4），實(shí)際上計(jì)算是不計(jì)動(dòng)、位能差以及散熱損失時(shí)，、所得軸功的相對(duì)偏差（2）（3）（4）（5）例3：換熱設(shè)備HeatExchangers火力發(fā)電：鍋爐、凝汽器核電：熱交換器、凝汽器制冷空調(diào)蒸發(fā)器、冷凝器換熱設(shè)備冷熱流體的熱量交換，僅交換熱量而無(wú)功量交換，忽略宏觀動(dòng)能和位能的變化：對(duì)冷流體或熱流體分析可得：焓變鍋爐1kg蒸汽的吸熱量：q=h2-h1>0換熱器1kg蒸汽的放熱量：q=h2-h1<0例4：絕熱節(jié)流ThrottlingValves管道閥門(mén)制冷空調(diào)膨脹閥h1h2絕熱節(jié)流h1h2冷工質(zhì)流經(jīng)閥門(mén)時(shí)，流動(dòng)截面突然收縮，由于存在流動(dòng)阻力會(huì)造成流體壓力降低的現(xiàn)象。節(jié)流是不可逆過(guò)程。離閥門(mén)不遠(yuǎn)的兩個(gè)截面的流動(dòng)可用穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程式。流動(dòng)可以看作是絕熱的q=0，不對(duì)外做工WS=0，忽略動(dòng)、位能的變化例5：噴管和擴(kuò)壓管火力發(fā)電蒸汽輪機(jī)靜葉核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站壓氣機(jī)靜葉噴管和擴(kuò)壓管?chē)姽苣康模簤毫档停俣忍岣邤U(kuò)壓管目的：動(dòng)能與焓變相互轉(zhuǎn)換速度降低，壓力升高動(dòng)能參與轉(zhuǎn)換，不能忽略充氣問(wèn)題解：取A為CV——容器剛性絕熱忽略動(dòng)能差及位能差，則

若容器A為剛性絕熱,初態(tài)為真空，打開(kāi)閥門(mén)充氣，使壓力p2=4MPa時(shí)截止。若空氣u=0.72T求容器A內(nèi)達(dá)平衡后溫度T2及充入氣體量m。非穩(wěn)定開(kāi)口系dUCV由或流入：hinδmin

流出：0熱力學(xué)能增：uδm故討論：1）非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)問(wèn)題可用一般能量方程式也可用基本原則。在一些條件下，后者常更方便。2）能量方程中若流體流出、入系統(tǒng)，物質(zhì)能量用h，若不流動(dòng)用u。3）是推動(dòng)功轉(zhuǎn)換成熱力學(xué)能—即使向真空系統(tǒng)輸送，也需要推動(dòng)功！例題：某燃?xì)廨啓C(jī)裝置如圖所示，空氣首先進(jìn)入壓氣機(jī)，壓縮到一定的壓力后進(jìn)入燃燒室，這是燃油噴入和空氣混合燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)猓缓筮M(jìn)入噴管絕熱膨脹，p上升v下降，告訴氣流再?zèng)_擊葉片，帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)做功，做功后的乏汽排入大氣。燃燒室噴管葉輪壓氣機(jī)燃燒室噴管葉輪壓氣機(jī)已知：h1=290kJ/kg，cf1=0；h2=580kJ/kg，cf2=20m/s；cf3=0q=670kJ/kgh1=290kJ/kgcf1=0h2=580kJ/kgcf2=20m/s12345cf3=0h4=800kJ/kg；h4=h5，cf5=100m/s；h4=800kJ/kgh4=h5cf5=100m/s求：（1）cf4=？（2）壓氣機(jī)所耗的功ws，C燃?xì)廨啓C(jī)所耗的功ws，T（3）若空氣流量qm=100kg/s,

求裝置的總功率燃燒室噴管葉輪