工程热力学 第二章 热力学第二定律.

Q

dECV
(h2

c
f
2 2
/2
gz2 ) mout
(h1

c
f
2 1
/2
gz1) min
Wi
Q

ECV
(h2
cf
2 2
/2
gz2 )mout
(h1

c
f
2 1
/2
gz1)min
Wi
●质量有若干股时的能量方程式
Q dECV (h cf 2 / 2 gz)out mout (h cf 2 / 2 gz)in min Wi
（2）功率：
Pi wiqm 924.0510103 /3600 = 2567kW
说明：如果忽略动能差，影响不大。
解：取容器为热力系统，属于开口系统。
Q 0，Wi 0 , m1 0 ,m2 min , mout 0 忽略动能和位能变化，
ECV UCV m2u2 m1u1 minu2 能量方程式简化为：minu2 minh1 ，即 u2 h1 303kJ / kg
热力学第一定律说明第一类永动机（perpetualmotion engine of the first kind，即不消耗能量的永动 机）是不可能实现的。
2-2 热力学能和总能
1、热力学能（内能）U (internal energy) 宏观静止的物体内部所具有的能量。
■内动能 物体内部的分子作热运动所具有的能量。内动能只
3、稳定流动能量方程式的分析
■技术功(technical work)
技术上可资利用的功，Wt

1 2
mc
f
2
mgz
Wi
（技术功=机械能的变化量+内部功）
Q H Wt ☆注意：开口系统与外界交换的功为技术功。
Q U W , H U ( pV ) Wt W ( pV ) （技术功=体积变化功-流动功）
是温度的函数。 ■内位能
由于分子间的相互作用力所具有的能量。内位能是 温度和比体积的函数。 ■化学能、原子能、电磁能 ☆注意：热力学能是状态参数，
2、总能E(total energy)
■机械能
物体作机械运动所具有的能量，包括动能和位能。
■总能
内部储存能（热力学能）和外部储存能（机械能）
的总和。
E
U
h2
工质压缩，外界耗功。
cf 2 0, gz 0, q 0
wC wi wt h h2 h1 即外界耗功等于进出口的焓增。
压气机
wt
h1
3、换热器和锅炉
q
工质与外界只有热量交换， h1
h2
没有功量交换。
换热器
cf 2 0, gz 0, wi 0 q h h2 h1
■几个特例 ●可逆过程
2
Q U W U 1 pdV Q dU pdV
●闭口绝热系 Q 0 W U
●孤立系 Q 0,W 0 U 0
●循环
dU 0 Q W Qnet Wnet
解：（1）取气缸中的工质为系统，属于闭口系统。
力降低，与外界没有功量交 换。
cf 2 0, gz 0, wi 0, q 0 h1 h2
即节流前后焓值不变。
解：（1）根据题意，q 0 ，z 0，
每千克蒸汽所作的功：
wi

h1
h2

1 2
(c
f
2 1
cf 22)
3232 2302 1 (502 1202 ) 930 5.95 924.05kJ / kg 2
有用功：Wu W Wr 100000 50000 50000J
活塞速度：cf 2
2Wu
/
m

c
f
2 1

250000 / 20 0 70.71m / s
2-6 开口系统能量方程式
1、开口系能量方程式
质量为 min 的工质进入系统，质量为 mout的工质离 开系统。工质从外界吸入热量 Q，由状态1变为状态
T2 u2 / 0.72 303 / 0.72 420.83K
min
m2

p2V2 RgT2

4106 1 287 420.83
33.12kg
解：（1）取容器为热力系统，属于开口系统。
V1

m1RgT p1

74.33 287300 0.8106
8m3
m2 m1 10 74.33 10 64.33kg

Ek

Ep
U

1 2
mc f
2

mgz
e

u

1 2
c
f
2

gz
2-3 能量的传递和转化
1、作功和传热 ●作功和传热是能量传递的两种形式。 ●作功过程需要物体的宏观位移，而传热过程不需要物 体的宏观位移。
2、推动功和流动功 ■推动功的定义(flow work)
开口系统中通过工质流动而传递的功。 ●推动功只有工质流动时才起作用。 ●工质进入系统，从外界获得推动功；工质离开系统， 向外界传输推动功。
总能：dE2

(u2
cf
2 2
/
2
gz2 ) mout
推动功：p2dV2 p2v2Fra bibliotekmout ，作功：Wi
●系统储存能的增加量：dECV d (U Ek Ep )CV
●能量守恒方程式
dE1 p1dV1 Q (dE2 p2dV2 Wi ) dECV
■闭口系能量方程式
工质从外界吸入热量 Q ，从状态1变为状态2，并对
外界作功W 。
W
●进入系统的能量：Q
●离开系统的能量：W
Q
●系统储存能的增加量：U（忽略动能和位能的变化）
●能量守恒方程式（热力学第一定律的解析式）
Q U W ●微分形式
Q dU W
●适用条件：闭口系统、任何过程、任何工质。 ●含义：工质吸收的热量，一部分用于增加热力学能， 另一部分转变为机械能，对外作功。
第二章 热力学第一定律
2-1 热力学第一定律的实质 2-2 热力学能和总能 2-3 能量的传递和转化 2-4 焓 2-5 热力学第一定律的基本能量方程式 2-6 开口系统能量方程式 2-7 能量方程式的应用
2-1 热力学第一定律的实质
■能量守恒与转换定律 自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被
j
i
●单位时间内的能量方程式
dECV
d
j
(h
cf 2 2

gz)out qm,out

i
(h
cf 2 2

gz)in qm,in

Pi
其中： Q
d
—热流量；Pi

Wi d
—内部功率；
qm,in
min d
，qm,out
mout d
—进、出口质量流量。
2，并对机器作功 Wi（内部功）。
Q
min , c f 1
1
p1, dV1
1
z
1
开口系统
Wi
2 mout , c f 2
2
p2 , dV2
z 2
●进入系统的能量
总能：dE1

(u1

cf
2 1
/
2

gz1)
min
推动功：p1dV1 p1v1 min ，吸热量： Q
●离开系统的能量
●适用条件 开口系统、任何过程(稳定和非稳定流动、可逆和
不可逆过程)、任何工质。
2、稳定流动能量方程式(equation of energy for steady flow)
稳定流动：工质的热力参数和运动参数不随时间变化。
ECV
0, min

mout

m Q H

1 2
mc
f
2
mgz Wi
V2

m2 RgT p2

64.33 287300 0.75106
7.39m3
进入系统的能量：热量Q、大气对工质作功 W p0 (V1 V2 ) 离开系统的能量：hmout h(m1 m2 ) 系统储存能的增量：U m2u2 m1u1 (m2 m1)u
能量方程式： Q p0 (V1 V2 ) h(m1 m2 ) (m2 m1)u Q (m2 m1)u h(m1 m2 ) p0 (V1 V2 ) (m1 m2 )(h u) p0 (V1 V2 ) 10 (1005 718) 300 0.1106 (8 7.39) 8105 J
创造，也不可能被消灭，但可以从一种形态转变为另 一种形态，且在转换过程中能量的总量保持不变。 ■热力学第一定律的实质(first law of thermodynamics)
热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力过 程中的应用，描述了热能与机械能在转换过程中数量 上的守恒关系。
■热力学第一定律的表述 ●热能和机械能相互转换时，之间的比值是一定的。 ●功和热可以相互转换，一定量的功可以转换成相应量 的热，反之亦然。
2-4 焓
■焓的定义(enthalpy)
H U pV h u pv
☆注意：焓是状态参数。 ■焓的含义
对于开口系统，热力学能是储存于工质内部的能 量，推动功是工质流动时传递的能量，因此焓就是工质 进入系统带入的总能量。