工程热力学第二章_热力学第一定律

1 换热器
冷热流体的热量交换，仅交换热量而无功量交换， 冷热流体的热量交换，仅交换热量而无功量交换， 忽略宏观动能和位能的变化： 忽略宏观动能和位能的变化： 单独对冷流体或热流体分析可得： 单独对冷流体或热流体分析可得：
q = h2 h1
对系统总体分析（忽略向外界的散热） 对系统总体分析（忽略向外界的散热）
四 稳定流动能量方程的应用
2 做功或耗功设备
与外界存在功量交换。有散热， 为负 为负， 与外界存在功量交换。有散热，q为负，相对于功 量散热量≈0。宏观动能和位能的变化可忽略： 量散热量 。宏观动能和位能的变化可忽略： 分析可得： 分析可得：
w s = h1 h 2
1状态
蒸汽 （来自锅炉） 调速器
工程热力学
Engineering Thermodynamics
第二章
Second Chapter
内容提要
一 热力学第一定律的实质 二 闭口系能量方程 三 开口系稳定流动能量方程 四 稳定流动能量方程式的应用
第二章 热力学第一定律
一 热力学第一定律的实质
1 能量转换与守恒定律
自然界中一切物质都具有能量， 自然界中一切物质都具有能量，能量既不可能被 创造，也不可能被消灭， 创造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变 为另一种形式，在转换中能量的总量恒定不变。 为另一种形式，在转换中能量的总量恒定不变。
1 2 (c2 c12 ) = h1 h2 2
2状态 状态 出气口
出口扩压器
1状态 状态 进气口
扩压管
出口动能减小
1 2 2 h = ( c 1 c 2 ) 2
叶 轮 蜗壳
四 稳定流动能量方程的应用
4 绝热节流
工质流过阀门时，流动截面突然收缩， 工质流过阀门时，流动截面突然收缩，由于存在 流动阻力会造成流体压力降低的现象。 流动阻力会造成流体压力降低的现象。 节流是不可逆过程。 节流是不可逆过程。离阀门不远的两个截面的流 动可用稳定流动的能量方程式。 动可用稳定流动的能量方程式。流动可以看作是 绝热的q＝ ，不对外作功w 绝热的 ＝0，不对外作功 s＝0，忽略动、位能 ，忽略动、 变化， 变化，分析得
1
2
wt =
∫ pdv + p v
1
2
1 1
p2 v2
4 稳定流动能量方程的分析
2）技术功 ）
p p1 1
wt =
∫ pdv + p v
1
2
1 1
p2 v2
p1v1
w t = ∫ vdp
1
2
∫
p2 0
2
1
pdv
2
p2p22v2 v
v1 v2
q = h ∫ vdp
1
2
v
四 稳定流动能量方程的应用
三 开口系统稳定流动能量方程
2 稳定流动能量方程 输
入 能 量 输 出 能 量
c 12 E1 = m1 u 1 + + gz 1 2
Q
p 1 A1 l 1 = m 1 p 1 v 1
2 c2 E2 = m2 u2 + + gz 2 2
Ws
p 2 A2 l 2 = m 2 p 2 v 2
三 开口系统稳定流动能量方程
4 稳定流动能量方程的分析
1）热功转换的一致性 ）
q = u + w
q u = w
热变功通过体积膨胀， 热变功通过体积膨胀， 做膨胀功（体积功） 做膨胀功（体积功）
c2 q = u + + gz + ( pv) + wS 22 c q u = + gz + ( pv ) + wS 2 1 2 w = ( pv ) + c + gz + wS 2
一 热力学第一定律的实质
2 热力学第一定律的表述
实质：能量守恒与转换定律在研究与热能相关的 实质：能量守恒与转换定律在研究与热能相关的 能量传递与转换中的应用 中的应用。 能量传递与转换中的应用。 表述：在热能与其它形式的能量互相转换时， 表述：在热能与其它形式的能量互相转换时，能 量的总量保持守恒。 量的总量保持守恒。
三 开口系统稳定流动能量方程
2 稳定流动能量方程
输入能量－输出的能量＝储存能变化＝ 输入能量－输出的能量＝储存能变化＝0 ？？？ 稳定流动中各点参数不随时间变化→状 稳定流动中各点参数不随时间变化 状 态不变→储存能不变 输入能量＝ 储存能不变→输入能量 态不变 储存能不变 输入能量＝输出能量
c12 c22 Q + m u1 + + gz1 + p1V1 = m u 2 + + gz 2 + p2V2 + WS 2 2
一 热力学第一定律的实质
3 热力学能－u
热力系统中与物质内部分子结构以及分子运动形 热力系统中与物质内部分子结构以及分子运动形 分子结构以及分子运动 式有关的微观能量，统称为热力学能，单位J 式有关的微观能量，统称为热力学能，单位 组成：内动能（分子的移动动能、 组成：内动能（分子的移动动能、转动动能和分 子内部原子的振动动能） 子内部原子的振动动能） 内位能（分子间相互作用力产生的能量） 内位能（分子间相互作用力产生的能量）
c 2 q = h + + gz + wS 2
三 开口系统稳定流动能量方程
3 焓－h
流动过程中的能量转换时 焓的定义：分析工质流动过程中的能量转换时， 焓的定义：分析工质流动过程中的能量转换时， 热力学能u与压力和比体积的乘积 与压力和比体积的乘积pv两项经常同 热力学能 与压力和比体积的乘积 两项经常同 时出现，于是定义一个复合的状态参数焓，h＝u 时出现，于是定义一个复合的状态参数焓， ＝ ＋pv 焓的物理意义： 焓的物理意义：流动工质携带的决定于热力状态 的能量 焓的重要性：分析蒸汽动力循环时， 焓的重要性：分析蒸汽动力循环时，其吸热量或 做功量往往等于焓的变化量
三 开口系统稳定流动能量方程
1 稳定流动
定义：稳定流动是指系统（内部及边界） 定义：稳定流动是指系统（内部及边界）各点工 质的所有状态参数及运动参数都不随时间而变化 质的所有状态参数及运动参数都 状态参数及运动参数 的流动。 的流动。 条件： 任一截面参数不随时间变化； 条件：①任一截面参数不随时间变化； 任一截面的质量流量均相同； ②任一截面的质量流量均相同； 与外界交换的功和热量不随时间变化； ③与外界交换的功和热量不随时间变化； 一元稳定流动： 一元稳定流动：工质的状态参数和流动参数只沿 着流动方向才发生变化
二 闭口系统能量方程
3 方程式的应用
2）定性分析 ） 绝热的房屋， 例：绝热的房屋，内有一 转动的电风扇， 转动的电风扇，问室内温度 的变化 解题要点： 解题要点： 绝热Q＝ ，耗功W<0 ①绝热 ＝0，耗功 ②U=－W >0→T提高 － 提高 W
Q
三 开口系统稳定流动能量方程
1 稳定流动
各种热力设备在正常运行时， 各种热力设备在正常运行时，工质的流动 基本上都是稳定的。 基本上都是稳定的。
u = f (T, v)
一 热力学第一定律的实质
4 储存能
外部储存能 宏观位能 内动能 内部储存能 热力学能 内位能 宏观动能
1 2 E = U + mc + mgz 2
1 2 e = u + c + gz 2
二 闭口系统能量方程
1 方程式的推导
U Q W
Q = U + W
注意
式中各项均为代数值 适用于闭口系统各 式中各项均为代数值，适用于闭口系统各 代数 种能量交换过程 过程。 种能量交换过程。 对于任意过程 可逆过程或不可逆过程)、 任意过程(可逆过程或不可逆过程 对于任意过程 可逆过程或不可逆过程 、任 意工质都适用 意工质都适用
进入系统的总能量 — 离开系统的总能量 系统储存能量的变化量
一 热力学第一定律的实质
2 热力学第一定律的表述
作用：热力学第一定律是热力学的基本定律， 作用：热力学第一定律是热力学的基本定律，是 热力过程能量传递与转换分析计算的基本依据。 热力过程能量传递与转换分析计算的基本依据。 它普遍适用于任何工质、任何过程。 它普遍适用于任何工质、任何过程。 意义：确定了能量传递与转换的数量关系 能量传递与转换的数量关系， 意义：确定了能量传递与转换的数量关系，肯定 了热能与其它能量之间所存在的共同性质， 了热能与其它能量之间所存在的共同性质，即热 也是一种能量，也是一种物质运动的形式。 也是一种能量，也是一种物质运动的形式。
H = 0
m 2 h 2出 h 2 入 = m1 (h1入 h1出 )
(
)
2状态 状态
过热器 炉墙
1kg蒸汽的吸热量 蒸汽的吸热量
来自水泵 1状态 状态
蒸发管
q = h2 h1
状态1 状态 热流体进口
冷流体进口
冷流体出口
热流体出口
状态2 状态
1kg蒸汽的放热量 蒸汽的放热量
q = h2 h1
膨胀功＝ 膨胀功 ＝ 推动功差 额 ＋ 宏观动能和宏 观位能增量＋ 轴功。 观位能增量 ＋ 轴功 。
4 稳定流动能量方程的分析
2）技术功 ） 1 2 wt = c + gz + wS 2 wt = w ( pv )
技术功＝ 技术功＝体积功克服 进出口的流动阻力后所 得的净功
可逆条件
q u =
∫ pdv
h1 = h 2
现 场 流 量 测 量 装 置
1
2
3
二 闭口系统能量方程
2 方程式的常用形式
q = u + w
单位质量工质
δ q = du + δ w
q = u +
可逆过程
∫ pdv
1
2
δ q = du + pdv
二 闭来自百度文库系统能量方程
3 方程式的应用
1）定量计算 ） 例题 2-1 解题要点： 解题要点： ① u－热力学能 是状态 －热力学能U是状态 参数，仅取决于初、 参数，仅取决于初、终状 态，而与路径无关 ②功、热量的正负
静叶
动叶
汽缸 轴
1kg蒸汽做功量 蒸汽做功量
w s = h1 h 2
2状态 乏汽
状态2 出水 状态
状态1 进水 状态 状态2 出风 状态
水泵
状态1 进风 状态
1kg工质耗功量 工质耗功量
w s = h1 h 2
风机
四 稳定流动能量方程的应用
3 喷管和扩压管
喷管是通过流体的膨胀而获得高速流体的一种设 备，扩压管是利用流体的动能降低来获得高压流 体的一种设备。 体的一种设备。 进出口的动能变化大，轴功w 进出口的动能变化大，轴功 s=0。又由于气流高 。 速通过，因而与外界交换的热量q=0，同时工质 速通过，因而与外界交换的热量 ， 相对高度基本不变，位能差为零。 相对高度基本不变，位能差为零。