2-热力学第一定律(工程热力学)解析

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相应量

第一类永动机:不消耗能量而连续作功的设备。
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?
cf
工质在开口系统中流动而传递的功,叫推动功。
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。

pAl pV mpv
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。
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)。
W f p2V2 p1V1 ( pV ) w f p2v2 p1v1 ( pv)
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 )
外部动能
热力系
内部能量
z
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。

汽轮机简单模型
2-4 焓 一、焓的定义:
H U pV h u pv
1
2
2
v
p
1

2
w pdv
1
2
v
*强调:1. p v 图上曲线下面的面积代表容积功 2. dv 0 有 w 0 w 称为膨胀功
dv 0 有 w 0 w 称为压缩功
v 图 上 的 表 示
可 逆 过 程 中 容 积 功 在

dv 0 有 w 0
三、推动功和流动功
热力学能 符 号: U
比热力学能
u
J/kg
kJ/kg

位:
焦耳(J)
千焦(kJ)
热力学能是状态参数,是热力状态的单值函数:
U dU U 2 U1
1 2
u u u2 u1
dU 0
du 0
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:

能ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
U Uk U p
J
宏观动能 宏观位能
mc Ek 2
2
J
J
Ep mgz
储 存 能
mc 2 E U mgz 2
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。
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。 热
宏观动能:
1 2 Ek mc f 2
重力位能:
E p mgz
系统的储存能
三、系统的总储存能(简称总能)
热力学能 宏观动能
U
Ek


宏观位能 系统的储存能
EP
E
E U Ek EP

1 2 E U mc f mgz 2
1kg工质的总能为比总能:
1 2 e u c f gz 2
v
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。
二、容积功
气缸
可逆过程的容积功在p—v图中的表示
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
w pdv
问题:能量是否还有其它的传递方式?
观察下面的过程,看热能是如何 转换为功的
气缸 活塞 飞轮 热 源
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?
可逆过程模拟
气缸
活塞
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
活塞
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
问题:左图中阴影 部分的面积代表什 么?
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