热工基础第二章

1第二章热力学第一定律热力学第一定律就是一切热力过程所必须遵循的能量转换与守衡定律。本章重点阐述热力学第一定律的实质与数学描述，为热力过程计算奠定理论基础。22-1热力系统的储存能热力系统储存能热力学能宏观动能、宏观位能1.热力学能不涉及化学变化和核反应时的物质分子热运动动能和分子之间的位能之和（热能）。前者称为内动能，是气体温度的函数；后者称为内位能，由气体的比体积和温度决定。热力学能符号：U，单位：J或kJ。3气体工质的比热力学能可表示为(,)ufTv任何状态下系统热力学能的数值不可能为零。由于在工程热力学中只计算工质在状态变化中的热力学能的变化量，因此热力学能的零点可以人为地规定，例如，通常取0K时气体的热力学能为零。比热力学能：单位质量工质的热力学能。符号：u；单位：J/kg或kJ/kg。比热力学能是状态参数。43.宏观位能：Ep，单位为J或kJpEmgz4.储存能：E，单位为J或kJkpEUEE比储存能：e，单位为J/kg或kJ/kg2kpf12eueeucgz2.宏观动能：Ek，单位为J或kJ2kf12Emc52-2热力学第一定律的实质热力学第一定律实质就是热力过程中的能量守恒和转换定律，可表述为：在热能与其它形式能的互相转换过程中，能的总量始终不变。不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不可能制造成功的。进入系统的能量－离开系统的能量=系统储存能量的变化62-3闭口系统的热力学第一定律表达式QWΔU21QWUUUQUW对于微元过程，dQUW7对于可逆过程，dpQUdV21dQUpV对于单位质量工质,dquwquw对于单位质量工质的可逆过程,ddqupv21dqupv82-4开口系统的稳定流动能量方程式1.稳定流动与流动功（1）稳定流动流动状况不随时间而改变的流动。即任一流通截面上工质的状态都不随时间而改变。稳定流动的实现条件：1）系统和外界交换的能量（功量和热量）与质量不随时间而变；2）进、出口截面的状态参数不随时间而变。9（2）流动功推动工质流动所作的功，也称为推进功。fdddWpAxpVpvm对于单位质量工质，fwpv流动功是由泵或风机加给被输送工质并随工质流动向前传递的一种能量，非工质本身具有的能量。（更为严密地定义：pv称为推动功，p2v2-p1v1才称为流动功，流动功是系统为维持工质流动所需的功。）102.开口系统的稳定流动能量方程在时间内,进口质量m1、流速cf1、标高z1出口质量m2、流速cf2、标高z2稳定流动：12mmm11在时间内进入系统的能量21f111112Qmucgzmpv21f111112Qmucgzpv在时间内离开系统的能量2s2f222212Wmucgzmpv2s2f222212Wmucgzpv12根据热力学第一定律可得2111f1112Qmupvcgz2222f22102swmupvcgz令upvh，h称为比焓。比焓的物理意义：比焓是状态参数；对于流动工质，比焓表示每千克工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分。13上式可整理成2fs12QmhmcmgzW22f2212Qmhcgz21f11s12mhcgzWHmh令，上式改成2fs12QHmcmgzW14以上两式称为开口系统的稳定流动能量方程。对于单位质量工质，对于微元过程，稳定流动能量方程写成2fs1ddd2QHmcmgzW2fs1ddd2qhcgzw2fs12qhcgzw15注意：（1）无论对于流动工质还是不流动工质，比焓都是状态参数；（2）对于流动工质，流动功等于pv，比焓表示单位质量工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分；（3）对于不流动工质，不存在流动功，比焓也不表示能量，仅是状态参数。（4）工程上一般只需要计算工质经历某一过程后焓的变化量，而不是其绝对值，所以焓值的零点可人为地规定（0K）。163.技术功定义：在工程热力学中，将工程技术上可以直接利用的动能差、位能差及轴功三项之和称为技术功（技术上可以利用的功），用Wt表示2tfs12WmcmgzW对于单位质量工质，2tfs12wcgzw轴功只是技术功的一部分。17开口系统的稳定流动能量方程式可改写为tQHWtqhw对于微元过程，tdQHWtdqhw对于开口系统的稳定流动过程，系统内各点的状态都不随时间而变化，所以可以将质量为m的工质作为闭口系统来研究。18可以假定质量为m的工质从进口截面处的状态1变化到出口截面处的状态2，从外界吸收了热量Q,作了膨胀功W。根据闭口系统的热力学第一定律表达式quwtqhw对比开口系统的稳定流动能量方程式t2211()wwpvpv可得也即技术功等于膨胀功减去流动功；在闭口系统中，括号内为零，技术功等于膨胀功。19对可逆过程，222111d()wpvpvpvt2211dd()pvpv21dvp式中，v恒为正值，负号表示技术功的正负与dp相反。压力降低，技术功为正，对外作功；压力增加，技术功为负，外界对工质做功。20将上式代入开口系统的稳定流动能量方程式tqhw可得21dqhvp（适用于一般过程）（适用于可逆过程）对于微元可逆过程，ddqhvp技术功的图形表示2t1dwvp212-5稳定流动能量方程式的应用工程上，除了喷管、扩压管外，常见热工设备的进出口动、位能的变化一般都可以忽略不计。sqhwtsww1.热交换器s0w21qhh2.动力机械0qs12whh223.绝热节流(q=0,ws=0)120hh注意：绝热节流过程不是定焓过程。本质上存在摩擦和涡流，不可逆过程，工质处于非平衡状态，节流为不稳定流动。23第二章小结重点掌握以下内容：（1）热力学第一定律的实质；（2）热力学第一定律表达式及其适用范围；（3）运用第一定律求解工程上的能量转换问题。