热工与流体力学基础-第2章

2020/7/16第二章热力学第一定律2020/7/16学习导引热力学第一定律是能量守恒定律在热力学上的应用，确定了热能和机械能之间相互转换时的数量关系，从能量“量”的方面揭示了能量转换的基本规律。本章以热力学第一定律为理论基础，建立封闭热力系和稳定流动开口热力系的能量方程，即热力学第一定律的数学表达式，为热力过程计算奠定理论基础。2020/7/16学习要求•掌握能量、热力系统储存能、热力学能、热量和功量的概念，理解热量和功量是过程量而非状态参数。•掌握体积变化功、轴功、流动功和技术功的概念、计算及它们之间的关系。•理解焓的定义式及其物理意义。•熟练使用p-v图和T-s图，能在图上标出状态、过程和循环。•理解热力学第一定律的实质能量守恒定律。•掌握封闭热力系的能量方程，能熟练运用能量方程对封闭热力系进行能量交换的分析和计算。•掌握开口热力系的稳定流动能量方程，能熟练运用稳定流动能量方程对简单的工程问题进行能量交换的分析和计算。•了解常用热工设备主要交换的能量及稳定流动能量方程的简化形式。2020/7/16本章重点理解热力过程中能量转换的规律，针对封闭热力系、稳定流动开口热力系会运用热力学第一定律分析计算能量转换问题。2020/7/16本章难点对体积变化功、轴功、流动功和技术功的概念、计算及它们之的关系理解起来会有一定的难度。熟练运用热力第一定律的表达式能量方程对实际工程问题进行能量交换的分析和计算需要一定的技巧，有一定的难度，应结合例题与习题加强练习。2020/7/16第一节热力系统储存能热力系统储存能内部储存能外部储存能储存于热力系统的能量称作热力系统储存能。宏观动能重力位能热力学能2020/7/16一、热力学能——指组成物质的微观粒子本身所具有的能量,即所谓的热能。•热力学能取决于工质的温度和比体积。热力系储存能•热力学能：U,单位为J或kJ。热力学能内动能:内位能:分子热运动的动能分子之间由于相互作用力而具有的位能•单位质量工质的热力学能称为比热力学能。符号：u；单位：J/kg或kJ/kg。2020/7/16热力学能比热力学能可表示为(,)ufTv•在确定的热力状态下，热力系内工质具有确定的热力学能。在实际分析和计算中，通常只需计算热力过程中工质热力学能的变化量。因此可任意选取计算热力学能的基本状态，如取0℃或0K时气体的热力学能为零。•热力学能是工质的状态参数。2020/7/162.重力位能：Ep，单位为J或kJpEmgz二、外部储存能2kf12Emc热力系储存能1.宏观动能：Ek，单位为J或kJ2020/7/16三、热力系统的总储存能kpEUEE比储存能：e，单位为J/kg或kJ/kg2kpf12eueeucgz热力系储存能2020/7/162fk21mcE热力系储存能热力系储存能E内动能-温度uf（T，v）内能U、u(热力学能)内位能-比体积重力位能EpEpmgz外储存能宏观动能Ek∴EU+Ek+Ep或eu+ek+ep2020/7/16第二节热力系与外界传递的能量热量功量工质通过边界时所携带的能量在热力过程中,热力系与外界交换的能量:2020/7/16一、热量1.热量——热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量称为热量。热量是在热传递中物体能量改变的量度。热量不是状态参数，而是与过程紧密相关的一个过程量。对于热力系的某个状态，我们可以说它具有多少能量，而不能说具有多少热量，只能说热力系与外界交换了多少热量。2020/7/16•热量符号:Q,单位为J或kJ。•单位质量工质与外界交换的热量用q表示,单位为J/kg或kJ/kg。•微元过程中热力系与外界交换的微小热量用Q或q表示。•热量正负规定:热力系吸热，热量取正值q0热力系放热，热量取负值q02020/7/16由于热量是热力系与外界间因存在温差而传递的能量，因此状态参数温度T便是热量传递的推动力，只要热力系与外界间存在微小的温度差，就有热量的传递相应地也必然存在某一状态参数，它的变化量可以作为热力系与外界间有无热量传递以及热量传递方向的标志2020/7/162.熵有温差便有热量的传递,可用熵的变化量作为热力系与外界间有无热量传递以及热量传递方向的标志。•熵:S,单位为J/K或kJ/K。•单位质量工质所具有的熵称为比熵,用s表示,单位为J/（kgK)或kJ/（kgK）。2020/7/16•用熵计算热量sTqd21对微元可逆过程:qTds或QTdS根据熵的变化判断一个可逆过程中系统与外界之间热量交换的方向：热力系吸热；d0s0q，，热力系放热。d0s0q，，热力系与外界无热量传递。d0s0q，，对可逆热力过程1-2:STQd21热量或2020/7/163.温熵图(T-s图)在可逆过程中单位质量工质与外界交换的热量可以用T-s图（温熵图）上过程曲线下的面积12s2s11来表示。温熵图也称示热图。图2-1T-s图从图中分析可知，热力系的初、终状态相同，但经历的过程不同，其传热量也不相同。再次说明热量是过程量，它与过程特性有关。2020/7/16二、功量——在力差作用下,热力系与外界发生的能量交换就是功量。•功量亦为过程量。•有各种形式的功,如电功、磁功、膨胀功、轴功等。工程热力学主要研究两种功量形式:体积变化功轴功2020/7/161、体积变化功——由于热力系体积发生变化（增大或缩小）而通过边界向外界传递的机械功称为体积变化功（膨胀功或压缩功）。•体积变化功:W,单位为J或kJ。•1kg工质传递的体积变化功用符号w表示，单位为J/kg或kJ/kg。•正负规定:功量dv0,w0,热力系对外作膨胀功dv0,w0,热力系对外作压缩功2020/7/16•体积变化功的计算如图2-2所示,1kg的气体;可逆膨胀过程;p，A，dx对于微元可逆过程:对于可逆过程1～2：体积变化功pdvpAdxw2121pdvww∴对于mkg工质：21pdVmwW图2-2体积变化功2020/7/16•示功图（p-v图）功量∴p-v图也称示功图。w的大小可以p-v图上的过程曲线下面的面积来表示。∴功量也是一个过程量。21wpdv体积变化功2020/7/162、轴功——热力系通过机械轴与外界交换的功量。轴功:Ws,单位为J或kJ。•1kg工质传递的轴功用符号ws表示，单位为J/kg或kJ/kg。•正负规定:功量ws0,热力系向外输出轴功ws0,外界向热力系输入轴功2020/7/16•轴功的特点刚性绝热封闭热力系不可以任意地交换轴功，即:•外界功源向其输入轴功将转换成热量而增加热力系的热力学能。•刚性绝热封闭热力系不可能向外界输出轴功轴功2020/7/16轴功的特点开口热力系与外界可以任意地交换轴功，即:•热力系可向外输出轴功,如燃气轮机、蒸汽轮机等•热力系可接受输入的轴功,如泵、风机、压缩机2020/7/16•功率——单位时间所作的功。•功率单位:W或kW，1W1J/s。•用功率可比较热机的做功能力。2020/7/16三、随工质流动传递的能量开口热力系在运行时，存在工质的流入、流出，它们在经过边界时携带有一部分能量同时流过边界，这类能量包括两部分:•流动工质本身的储存能E•流动功(推动功)WfmgzmcUE2f212020/7/16•流动功——开口系因工质流动而传递的功量称为流动功,又称推动功。即推动工质流动而做的功。流动功是为推动工质通过控制体界面而传递的机械功，它是维持工质正常流动所必须传递的能量。流动功:Wf,单位为J或kJ1kg工质所作流动功用wf表示，单位为J/kg或kJ/kg。2020/7/16如图所示，已知dm，p，v，A对dm工质:WfpAdxpdVpvdm对1kg工质:∴1kg工质流入和流出控制体的净流动功为wfp2v2p1v1∴流动功是一种特殊的功，其数值取决于控制体进、出口界面上工质的热力状态。pvmWwdff流动功2020/7/16•流动功是由泵和风机等加给被输送工质并随着工质的流动而向前传递的一种能量，不是工质本身具有的能量。2020/7/16∴流动工质传递的总能量:流动工质本身的储存能E流动功(推动功)Wf即:或pVmgzmcU2f21pvgzcu2f212020/7/16四、焓及其物理意义•令HUpV——焓(单位:J或kJ)或hupv——比焓(单位:J/kg或kJ/kg)•焓也是状态参数,与工质是否流动无关。对开口热力系、流动工质，焓表示工质在流动过程中携带的由其热力状态决定的那部分能量；对封闭热力系，焓表示由热力学能、压力和比体积组成的一个复合状态参数。•引入状态参数焓后,流动工质传递的总能量为:或mgzmcH2f21gzch2f212020/7/16第三节热学第一定律一、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定律。可表述为:•热能和机械能在传递和转换时,能量的总量必定守恒。•第一类永动机是不存在的。对一切热力系统和热力过程,有:进入系统的能量－离开系统的能量=系统储存能量的变化2020/7/16二、封闭热力系的能量方程Q=△U+W或quw对微元过程：QdUW或qduw上述各式适用于封闭热力系的任何工质进行的一切热力过程。它表示加给热力系的热量一部分用来对外膨胀做功，另一部分用来增加工质的热力学能，储存于工质内部。对于可逆过程:qdupdv或quvpd212020/7/16例2-1对于12kg的气体在封闭热力系中吸热膨胀，吸收的热量为140kJ，对外作了95kJ的膨胀功。问该过程中气体的热力学能是增加还是减少？每千克气体热力学能变化多少？解：根据公式（2-18）得UQW1409545（kJ）由于U45kJ＞0，故气体的热力学能增加。每千克气体热力学能的增加量为（kJ/kg）75.31245mUu2020/7/16例2-2对定量的气体提供热量100kJ，使其由状态1沿A途径变化至状态2（图2-6），同时对外做功60kJ。若外界对该气体做功40kJ，迫使它从状态2沿B途径返回至状态1，问返回过程中工质吸热还是放热？其量为多少？又若返回时不沿B途径而沿C途径，此时压缩气体的功为50kJ，问C过程中是否吸收热量？2020/7/16解：（1）气体由1A2沿2B1返回时与外界交换的热量Q2B1的计算。对于每一个热力过程，满足能量方程QUW，对于一个循环，因为热力学能是状态参数，满足或。则Q1A2Q2B1W1A2W2B1Q2B1W1A2W2B1Q1A2604010080（kJ）（2）由过程1A2和2C1组成循环时，气体与外界交换的热量Q2C1的计算。与上述同理Q1A2Q2C1W1A2W2C1Q2C1W1A2W2C1Q1A2605010090（kJ）计算所得热量均为负值，表示气体在两种不同的返回过程中均放出热量，且压缩气体的功越大，放热量越多。0dUWQδδ2020/7/16三、开口热力系的稳定流动能量方程1.稳定流动——在开口热力系中，工质的流动状况不随时间而改变，即流道中任意截面上工质的状态参数不随时间改变.特征:•单位时间内热力系与外界传递的热量和功量不随时间改变。•各流通截面工质的质量流量相等、且不随时间而改变。加热器/冷凝器/蒸发器/压缩机/锅炉/汽轮机2020/7/162.开口热力系的稳定流动能量方程稳定流动：12mmm质量m1流速cf1比热力学能u1标高z1质量m2流速cf2比热力学能u2标高z2进口出口2020/7/16开口系稳定流动能量方程1kg工质进入热力系带进的能量121f1121gzcue，流动功p1v1，1kg工质流出热力系带出的能量222f2221gzcue，流动功p2v2又假定1kg工质流经热力系时从外界吸入的热量为q，通过热力系对外界输出的轴功为ws2020/7/16根据热力学第一定