2-热力学第一定律(工程热力学)

第二章热力学第一定律本章的基本要求教学目标：使学生深入理解并熟练掌握热力学第一定律的内容和实质，能将工程实际问题建立热力学模型。知识点：理解和掌握热力学第一定律基本表达式——基本能量方程；理解和掌握闭口系、开口系和稳定流动能量方程及其常用的简化形式；掌握能量方程的内在联系与共性，热变功的实质。能力点：培养学生正确、灵活运用基本能量方程，对工程实际中的有关问题进行简化和建立模型的能力。培养学生结合系统的特点推导出闭口系、开口系及稳定流动过程能量方程的逻辑思维能力和演绎思维能力。德育点：对学生进行能源的合理利用、节能及环保等相关的可持续发展观念的教育。重点：热力学第一定律的实质，闭口、开口系统热力学第一定律解析式的表述形式及适用条件，在不同工程场合中的热工计算，及充气和放气过程的计算。难点：热力学第一定律及其应用是本课程的重点内容，应深刻理解这个定律的普遍适用性，牢固掌握各种热力学第一定律表达式的适用条件，并能将理论与工程实际相联系。2－1热力学第一定律的实质能量转换与守恒定律指出：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。热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学上的应用，确定了热能和机械能之间的相互转换的数量关系。热力学第一定律：热能和机械能在转移和转换的过程中，能量的总量必定守恒。第一类永动机：不消耗能量而连续作功的设备。相应量热功2－2热力学能和总能能量是物质运动的度量，运动有各种不同的形态，相应的就有各种不同的能量。系统储存的能量称为储存能，它有内部储存能与外部储存能之分。系统的内部储存能即为热力学能，又称为内能。下面的热力学系统具有哪些方面的能量?热力系cfz内部能量外部动能外部势能一、热力学能(内能)热力学能是储存在系统内部的能量，它与系统内工质的内部粒子的微观运动和粒子的空间位置有关，是下列各种能量的总和：分子热运动形成的内动能。它是温度的函数。分子间相互作用形成的内位能。它是比体积和温度的函数。维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子能及电磁场作用下的电磁能等。热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数：0dU热力学能比热力学能符号：Uu单位：焦耳（J）J/kg千焦(kJ)kJ/kg2211UdUUU21uuuu0du二、外部储存能需要用系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的宏观动能和重力位能：221fkmcEmgzEp重力位能：宏观动能：系统的储存能热力学能宏观动能宏观位能UkEPEEkPEUEE即系统的储存能三、系统的总储存能（简称总能）mgzmcUEf2211kg工质的总能为比总能：gzcuef221或内能宏观动能宏观位能JkpUUU2J2kmcEJpEmgz22mcEUmgz储存能2－3能量的传递与转化一、作功与传热作功和传热是能量传递的两种方式，因此功量与热量都是系统与外界所传递的能量，其值并不由系统的状态确定，而是与传递时所经历的具体过程有关。所以，功量和热量不是系统的状态参数，而是与过程特征有关的过程量，称为迁移能。问题:能量是否还有其它的传递方式?气缸活塞飞轮热源观察下面的过程,看热能是如何转换为功的工质、机器和热源组成的系统假设过程是可逆的。问题：过程可逆的条件是什么？气缸活塞飞轮热源左止点1pv可逆过程模拟气缸活塞飞轮热源左止点12pv续41气缸飞轮热源左止点12pv续41气缸飞轮热源左止点12pv续41气缸飞轮热源左止点12pv续41气缸飞轮热源左止点12pv续41气缸飞轮热源左止点1pv续41气缸飞轮热源左止点1pv续41气缸飞轮热源左止点1pv续41气缸飞轮热源左止点右止点12pv续41气缸飞轮热源左止点右止点12pv续41问题：左图中阴影部分的面积代表什么？作功：借作功来传递能量总是和物体的宏观位移有关。作功过程中往往伴随着能量形态的变化。传热：借传热来传递能量不需要物体的宏观移动。传热是相互接触的物体间存在温差时发生的能量传递过程。气缸飞轮热源左止点右止点12pv续41二、容积功21wpdv可逆过程的容积功在p—v图中的表示图上曲线下面的面积代表容积功12pv可逆过程中容积功在ｐ│ｖ图上的表示21wpdv*强调：2.称为压缩功1.pv0dv0ww称为膨胀功有0dv0ww有有0dv0w工质在开口系统中流动而传递的功，叫推动功。三、推动功和流动功mpvpVlpA在作推动功时，工质的状态没有改变（如图中的C点），因此推动功不会来自系统的储存能－热力学能，而是系统以外的物质，这样的物质称为外部功源。工质在传递推动功时只是单纯地传递能量，像传输带一样，能量的形态不发生变化。工质在流动时，总是从后面获得推动功，而对前面作出推动功，进出系统的推动功之差称为流动功（也是系统为维持工质流动所需的功）。)()(11221122pvvpvpwpVVpVpWff工质从进口到出口，从状态1膨胀到状态2，膨胀功为w，在不计工质的动能与位能变化时，开系与外界交换的功量应为膨胀功与流动功之差w-(pv)汽轮机简单模型2－4焓一、焓的定义：pvuhpVUH焓的单位：J，比焓的单位：J/kg二、焓是状态参数0),(),,(),,(12212121dhhhdhhhvTfhTpfhvpfhba三、焓的意义：焓是物质进出开口系统时带入或带出的热力学能与推动功之和，是随物质一起转移的能量。焓是一种宏观存在的状态参数，不仅在开口系统中出现，而且在分析闭口系统时，它同样存在。2－5热力学第一定律的基本能量方程式热力学第一定律的能量方程式就是系统变化过程中的能量平衡方程式，任何系统、任何过程均可根据以下原则建立能量方程式：进入系统的能量离开系统的能量系统中储存能量的增加＝－一、闭口系统的能量方程闭口系统的能量方程是热力学第一定律在控制质量系统中的具体应用，是热力学第一定律的基本能量方程式。21QWEEE设闭系中工质从外界吸热Q后，从状态1变化到状态2，同时对外作功W，则：此式就是闭口系的能量方程式。QEW对于控制质量闭口系来说，常见的情况在状态变化过程中，系统的宏观动能与位能的变化为零，或可以忽略不计，因此更见的闭口系的能量方程是：若闭口系经过一个微元过程，则能量方程为微分形式：QUWQdUW对于1kg工质，能量方程式为：对于循环：有限过程:微元过程:0QdUWQWdUqduwquw以上各能量方程式适用于闭系各种过程（可逆或不可逆）及各种工质（理想气体、实际气体或液体）闭系能量方程总结：mkg工质经过有限过程mkg工质经过微元过程1kg工质经过有限过程1kg工质经过微元过程注意上述方程的使用前提:系统无宏观动能和宏观势能变化!QUWQdUWquwqduw二、闭口系能量方程的应用•例题2－1一个装有2kg工质的闭口系经历了如下过程：过程中系统散热25kJ，外界对系统做功100KJ，比热力学能减小15KJ/kg，并且整个系统被举高1000m。试确定过程中系统动能的变化。解:WEQpkEEUEWEUQEpk根据:(1)(2)将(2)代入(1),得:(3)将已知条件代入(3),得:)100(1000/)10008.92()215(25kEkJEk4.85•例题2－2如图所示活塞面积A为4cm2，体积为20cm3的气缸内充满压力为0.1MPa、温度20C的空气，弹簧刚度系数k为100N/cm，初始时弹簧未变形。缓慢地对空气加热，求当空气压力增加到表压力为0.2MPa时共需加入多少热量。（大气压力p0=0.1MPa，u=0.707TKJ/Kg，且满足状态方程PV=mRgT,Rg=287J/(kg·K)）解:WEQpkEEUE0,0pkEE取汽缸内的空气为热力系，这是一个闭口系。(1)(2)根据题意:(3)根据:所以:umUE(4)热力系bPkPl221lklAp2g221g11TmRVpTmRVpNmMPlka801042.024(5)根据气体状态方程:而又:cml80.0所以:JW64.0212g1g2211TmRTmRVpVpTTKTT64.10191020101.010)8.0420(103.0)20273(VPVP6666112212(6)TmumUE707.0kgTRVpmg51111038.2JkJumUE2.12)(64.726707.01038.25JWEQ84.12所以：又：所以：得到：2－6开口系统能量方程式实际热力设备中实施的能量转换往往是工质在热力装置中循环不断地流经各相互衔接的热力设备，完成不同的热力过程后才能实现能量转换。因此分析这类热力设备时，常采用开口系即控制容积的分析方法。工质在设备内流动时，在同一截面上参数近似地看作是均匀的。并认为同一截面上各点流速一致。一、开口系能量方程有m1的微元工质流入进口截面1－1，有m2的微元工质流出出口截面2－2系统从外界接受热量Q系统对机器作内部功Wi图中的开口系在dt时间内进行了一个微元过程：Wi表示工质在机器内部对机器所作的功，而轴功Ws为Wi的有用功部分，两者的差为机器各部分的摩擦损失。进入系统的能量QdVpdE111CVidEWdVpdEQdVpdE)()(222111iCVWdVpdEdVpdEdEQ)()(111222CVdEiWdVpdE222进入系统的能量离开系统的能量系统储存能量的增加量－＝离开系统的能量控制容积系统储存能量的增加量iffCVWmgzchmgzchdEQ112112222222此式为开口系能量方程的一般表达式pvuhgzcuemvVmeEf,21,,2iiininfjoutoutfCVWmgzchmgzchdEQ2222进、出系统的工质有若干股，则方程为：开口系能量方程的其他形式：为内部功率　　　为质量流率　　　为热流率＝其中，imiinminfjoutmoutfCVdqdPqgzchqgzchddEPmQ22,2,2ttt以流率表示的开口系能量方程：二、稳定流动能量方程所谓稳定流动，即流动过程中开口系内部及其边界上各点工质的热力参数及运动参数都不随时间而变。mmmCVqqqddE21,0t能量方程则可写成：ifwzgchq221此方程为流过开口系1kg流体的稳定流动的能量方程。ifwgdzdcdhq221其微分形式为：若流过开口系mkg流体的稳定流动的能量方程及其微分形式为：ifWzmgcmHQ221ifWmgdzmdcdHQ221三、稳定流动能量方程式的分析ifwzgchq221此三项为机械能，是技术上可资利用的功，称为技术功，用表示twtwhq)()(pvwpvuqhqwt21212121)()(vdppvdpdvpvpdvwt对于可逆过程：微分形式：vdpwt以技术功的形式表达稳定流能量方程ttttWdHQWHQwdhqwhqVdpdHQVdpHQvdpdhqvdphq