熱力學(xué)第二章第一定律.ppt

1、第二章熱力學(xué)第一定律,The First Law of Thermodynamics,2-1 熱力學(xué)第一定律的本質(zhì),1909年，C. Caratheodory最后完善熱一律,本質(zhì)：能量轉(zhuǎn)換及守恒定律在熱過程中的應(yīng)用,18世紀(jì)初，工業(yè)革命，熱效率只有1,1842年，J.R. Mayer闡述熱一律，但沒有 引起重視,1840-1849年，Joule用多種實(shí)驗(yàn)的一致性 證明熱一律，于1850年發(fā)表并得到公認(rèn),Conservation of energy,One of the most fundamental laws of nature,During an interaction , energy

2、can change from one form to another but the total amount of energy remains constant,Energy cannot be created or destroyed,焦耳實(shí)驗(yàn),1、重物下降，輸 入功，絕熱容 器內(nèi)氣體 T,2、絕熱去掉，氣 體 T ，放出 熱給水，T 恢復(fù) 原溫,焦耳實(shí)驗(yàn),水溫升高可測(cè)得熱量， 重物下降可測(cè)得功,熱功當(dāng)量 1 cal = 4.1868 kJ,工質(zhì)經(jīng)歷循環(huán),Mechanical equivalent of heat,閉口系循環(huán)的熱一律表達(dá)式,要想得到功，必須花費(fèi)熱能或其它能量,熱一律又可

3、表述為“第一類永動(dòng)機(jī)是 不可能制成的,Perpetual motion machine of the first kind,Q,Perpetual motion machine of the first kind,鍋 爐,汽輪機(jī),發(fā)電機(jī),給水泵,凝汽器,Wnet,Qout,電加熱器,2-2 熱一律的推論內(nèi)能,內(nèi)能的導(dǎo)出,閉口系循環(huán),Internal energy,內(nèi)能的導(dǎo)出,對(duì)于循環(huán)1a2c1,對(duì)于循環(huán)1b2c1,狀態(tài)參數(shù),p,V,1,2,a,b,c,內(nèi)能及閉口系熱一律表達(dá)式,定義 dU = Q - W 內(nèi)能U 狀態(tài)函數(shù),Q = dU + W Q = U + W,閉口系熱一律表達(dá)式,兩種特例

4、絕功系 Q = dU 絕熱系 W = - dU,內(nèi)能U 的物理意義,dU = Q - W,W,Q,dU 代表某微元過程中系統(tǒng)通過邊界交換的微熱量與微功量?jī)烧咧钪?，也即系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化,U 代表儲(chǔ)存于系統(tǒng)內(nèi)部的能量 內(nèi)儲(chǔ)存能（內(nèi)能、熱力學(xué)能,內(nèi)能的組成,分子動(dòng)能 分子位能 binding forces 化學(xué)能 chemical energy 核能 nuclear energy,內(nèi)能,microscopic forms of energy,移動(dòng) translation,轉(zhuǎn)動(dòng) rotation,振動(dòng) vibration,系統(tǒng)總能 total energy,外部?jī)?chǔ)存能macroscopic for

5、ms of energy,宏觀動(dòng)能 kinetic Ek= mc2/2 宏觀位能 potential Ep= mgz,機(jī)械能,系統(tǒng)總能,E = U + Ek + Ep,e = u + ek + ep,一般與系統(tǒng)同坐標(biāo)，常用U, dU, u, du,內(nèi)能的說明,內(nèi)能是狀態(tài)量 state property,U : 廣延參數(shù) kJ u : 比參數(shù) kJ/kg,內(nèi)能總以變化量出現(xiàn)，內(nèi)能零點(diǎn)人為定,熱一律的文字表達(dá)式,熱一律: 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律,能量的傳遞和轉(zhuǎn)化,一、能量傳遞的兩種方式,作功,作功的說明,作功”是系統(tǒng)與外界間的一種相互作用，是越過系統(tǒng)邊界的能量交換。 功是指作功過程中在傳遞著的能量的總

6、稱，過程一旦結(jié)束就再無(wú)所謂功。 機(jī)械能與機(jī)械功、電能與電功等同嗎？ 系統(tǒng)是否作功應(yīng)以過程在外界所引起的效果來判斷，而不應(yīng)從系統(tǒng)的內(nèi)部去尋找依據(jù)，對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)部來說無(wú)所謂“功”。 功是有序能量傳遞,過程功：按照系統(tǒng)在熱力過程中的狀態(tài)變化而應(yīng)該作出的功。 系統(tǒng)的過程功中通?？梢詤^(qū)分為有用功和無(wú)用功的兩個(gè)部分。 對(duì)大氣所作的任何功是無(wú)用的，克服摩擦所作的功都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚蚨彩菬o(wú)用的。 像設(shè)備從轉(zhuǎn)軸上傳出的軸功，提升重物所作的機(jī)械功，以及工質(zhì)本身的宏觀動(dòng)能和重力位能的增加（可以利用相關(guān)機(jī)械設(shè)備進(jìn)一步使之轉(zhuǎn)變?yōu)檩S功等機(jī)械功）都屬于系統(tǒng)所作的有用功。 有用功：技術(shù)上有用的，可以輸給功源的功。 功源：一種可

7、以向熱力系作功或從熱力系統(tǒng)接受功的外界物體或裝置,傳熱,系統(tǒng)與外界之間的另一種相互作用，是系統(tǒng)與外界之間依靠溫差進(jìn)行的一種能量傳遞現(xiàn)象，所傳遞的能量稱為熱量,熱能和熱量不是同一個(gè)概念 溫差雖然是傳熱過程的推動(dòng)勢(shì)差，但是系統(tǒng)溫度的變化與傳熱并無(wú)必然的聯(lián)系。 熱能是微觀粒子無(wú)序紊亂運(yùn)動(dòng)的能量 熱量符號(hào)規(guī)定：系統(tǒng)從外界吸熱為正；向外界放熱為負(fù),2-3 閉口系能量方程,W,Q,一般式,Q = dU + W Q = U + W,q = du + w q = u + w,單位工質(zhì),適用條件： 1）任何工質(zhì) 2) 任何過程,Energy balance for closed system,Point fun

8、ction-Exact differentials- d Path function-Inexact differentials-,閉口系能量方程中的功,功 （ w） 是廣義功 閉口系與外界交換的功量,q = du + w,準(zhǔn)靜態(tài)容積變化功 pdv 拉伸功 w拉伸= - dl 表面張力功 w表面張力= - dA,w = pdv - dl - dA,閉口系能量方程的通式,q = du + w,若在地球上研究飛行器 q = de + w = du + dek + dep + w,工程熱力學(xué)用此式較少,準(zhǔn)靜態(tài)和可逆閉口系能量方程,簡(jiǎn)單可壓縮系準(zhǔn)靜態(tài)過程,w = pdv,簡(jiǎn)單可壓縮系可逆過程,q =

9、Tds,q = du + pdv,q = u + pdv,熱一律解析式之一,Tds = du + pdv,Tds = u + pdv,熱力學(xué)恒等式,門窗緊閉房間用電冰箱升溫,以房間為系統(tǒng),絕熱閉口系,閉口系能量方程,T,電冰箱,Refrigerator Icebox,門窗緊閉房間用空調(diào)降溫,以房間為系統(tǒng),閉口系,閉口系能量方程,T,空調(diào),Q,Air-condition,2-4 開口系能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,能量守恒原則 進(jìn)入系統(tǒng)的能量 - 離開系統(tǒng)的能量 = 系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的變化,Energy balance for open syste

10、m,推進(jìn)功的引入,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,這個(gè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不符,少了推進(jìn)功,推進(jìn)功的表達(dá)式,推進(jìn)功（流動(dòng)功、推動(dòng)功,p,A,p,V,dl,W推 = p A dl = pV w推= pv,注意： 不是 pdv v 沒有變化,Flow work,對(duì)推進(jìn)功的說明,1、與宏觀流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)停止，推進(jìn)功不存在,2、作用過程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，無(wú)狀態(tài)變化,3、w推pv與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量,4、并非工質(zhì)本身的能量（動(dòng)能、位能）變

11、化引起， 而由外界做出，流動(dòng)工質(zhì)所攜帶的能量,可理解為：由于工質(zhì)的進(jìn)出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機(jī)械功，表現(xiàn)為流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)出系統(tǒng)時(shí)所攜帶和所傳遞的一種能量,開口系能量方程的推導(dǎo),Wnet,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,min,pvout,開口系能量方程微分式,Q + min(u + pv+c2/2 + gz)in - Wnet - mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv,工程上常用流率,開口系能量方程微分式,

12、當(dāng)有多條進(jìn)出口,流動(dòng)時(shí)，總一起存在,焓Enthalpy的引入,定義：焓 h = u + pv,h,h,開口系能量方程,焓Enthalpy的 說明,定義：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ,1、焓是狀態(tài)量 state property,2、H為廣延參數(shù) H=U+pV= m(u+pv)= mh h為比參數(shù),3、對(duì)流動(dòng)工質(zhì)，焓代表能量(內(nèi)能+推進(jìn)功) 對(duì)靜止工質(zhì)，焓不代表能量,4、物理意義：開口系中隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶的、取決 于熱力狀態(tài)的能量,2-5 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,穩(wěn)定流動(dòng)條件,1,2,3,軸功Sha

13、ft work,每截面狀態(tài)不變,4,Energy balance for steady-flow systems,穩(wěn)定流動(dòng)的定義,當(dāng)流動(dòng)系統(tǒng)中（包括進(jìn)、出口截面上）各點(diǎn)的熱力學(xué)狀態(tài)及流動(dòng)情況（流速、流向）不隨時(shí)間變化時(shí)，稱系統(tǒng)處于穩(wěn)定流動(dòng),1、系統(tǒng)各截面狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化,2、系統(tǒng)與外界的能量交換不隨時(shí)間變化,3、系統(tǒng)自身能量貯存與質(zhì)量貯存不隨時(shí)間變化,穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo),穩(wěn)定流動(dòng)條件,0,穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo),1kg工質(zhì),穩(wěn)定流動(dòng)能量方程,適用條件,任何流動(dòng)工質(zhì),任何穩(wěn)定流動(dòng)過程,Energy balance for steady-flow systems,技術(shù)功 technolog

14、y work,動(dòng)能,工程技術(shù)上可以直接利用,軸功,機(jī)械能,位能,單位質(zhì)量工質(zhì)的開口與閉口,ws,q,穩(wěn)流開口系,閉口系(1kg,容積變化功,等價(jià),技術(shù)功,穩(wěn)流開口與閉口的能量方程,容積變化功w,技術(shù)功wt,閉口,穩(wěn)流開口,等價(jià),軸功ws,推進(jìn)功(pv,幾種功的關(guān)系,幾種功的關(guān)系,w,wt,pv,c2/2,ws,gz,做功的根源,ws,對(duì)功的小結(jié),2、開口系，系統(tǒng)與外界交換的功為軸功ws,3、一般情況下忽略動(dòng)、位能的變化,1、閉口系，系統(tǒng)與外界交換的功為容積變化功w,wswt,簡(jiǎn)單可壓縮系可逆過程的技術(shù)功,可逆過程,簡(jiǎn)單可壓縮系 可逆過程,熱一律解析式之一,熱一律解析式之二,技術(shù)功在示功圖上的表

15、示,機(jī)械能守恒,對(duì)于流體流過管道,壓力能 動(dòng)能 位能,機(jī)械能守恒,伯努利方程,Bernoullis equation,2-6 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例,熱力學(xué)問題經(jīng)?？珊雎詣?dòng)、位能變化,例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kg,z1 = 0 m z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg,1bar下, 0 oC水的 h1 = 84 kJ/kg 100 oC水蒸氣的 h2 = 2676 kJ/kg,例1：透平(Turbine)機(jī)械,火力發(fā)電 核電,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 輪船發(fā)動(dòng)機(jī) 移動(dòng)電站,燃?xì)廨啓C(jī),蒸汽輪機(jī),

16、Steam turbine,Gas turbine,透平(Turbine)機(jī)械,1) 體積不大,2）流量大,3）保溫層,q 0,ws = -h = h1 - h20,輸出的軸功是靠焓降轉(zhuǎn)變的,例2：壓縮機(jī)械 Compressor,火力發(fā)電 核電,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 輪船發(fā)動(dòng)機(jī) 移動(dòng)電站,壓氣機(jī),水泵,制冷 空調(diào),壓縮機(jī),壓縮機(jī)械,1) 體積不大,2）流量大,3）保溫層,q 0,ws = -h = h1 - h20,輸入的軸功轉(zhuǎn)變?yōu)殪噬?例3：換熱設(shè)備Heat Exchangers,火力發(fā)電,鍋爐、凝汽器,核電,熱交換器、凝汽器,制冷 空調(diào),蒸發(fā)器、冷凝器,換熱設(shè)備,熱流體放熱量,沒有作功部件,熱流體,

17、冷流體,h1,h2,h1,h2,冷流體吸熱量,焓變,例4：噴管和擴(kuò)壓管,火力發(fā)電,蒸汽輪機(jī)靜葉,核電,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 輪船發(fā)動(dòng)機(jī) 移動(dòng)電站,壓氣機(jī)靜葉,Nozzles and Diffusers,噴管和擴(kuò)壓管,噴管目的,壓力降低，速度提高,擴(kuò)壓管目的,動(dòng)能與焓變相互轉(zhuǎn)換,速度降低，壓力升高,動(dòng)能參與轉(zhuǎn)換，不能忽略,例5：絕熱節(jié)流Throttling Valves,管道閥門,制冷 空調(diào),膨脹閥、毛細(xì)管,絕熱節(jié)流,絕熱節(jié)流過程，前后h不變，但h不是處處相等,h1,h2,沒有作功部件,絕熱,例：已知新蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)時(shí)的焓h1=3230kJ/kg，流速c1=50m/s，乏汽流出汽輪機(jī)時(shí)的焓h2=2300k

18、J/kg，流速c2=120m/s。蒸汽流量為600t/h，試求： (1)汽輪機(jī)的功率； (2)忽略蒸汽進(jìn)、出口動(dòng)能變化引起的計(jì)算誤差,解：（1,因，所以每小時(shí)在汽輪機(jī)中所做的功為,蒸汽機(jī)的功率為,2）忽略蒸汽進(jìn)、出口時(shí)的動(dòng)能差時(shí)，蒸汽進(jìn)、出口的動(dòng)能有,由此引起的誤差為,第二章 小結(jié) Summary,1、本質(zhì)：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律,第二章 小結(jié),通用式,2、熱一律表達(dá)式,第二章 小結(jié),穩(wěn)流,dEcv / = 0,通用式,第二章 小結(jié),閉口系,通用式,第二章 小結(jié),通用式,循環(huán),dEcv = 0,out = in,第二章 小結(jié),孤立系,通用式,第二章 小結(jié),3、熱力學(xué)第一定律表達(dá)式和適用條件,任何工

19、質(zhì)，任何過程,任何工質(zhì)，可逆過程,任何工質(zhì)，任何穩(wěn)流過程,第二章 小結(jié),4、可逆過程下兩個(gè)熱力學(xué)微分關(guān)系式,適合于閉口系統(tǒng)和穩(wěn)流開口系統(tǒng),后續(xù)很多式子基于此兩式,第二章 小結(jié),5、u與 h,U, H 廣延參數(shù) u, h 比參數(shù),U 系統(tǒng)本身具有的內(nèi)部能量,H 不是系統(tǒng)本身具有的能量， 開口系中隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶的，取 決于狀態(tài)參數(shù)的能量,第二章 小結(jié),6、四種功的關(guān)系,準(zhǔn)靜態(tài)下,閉口系過程,開口系過程,第二章 討論 Discussion,思考題,工質(zhì)膨脹是否一定對(duì)外作功,做功對(duì)象和做功部件,定容過程是否一定不作功,開口系，技術(shù)功,定溫過程是否一定不傳熱,相變過程（冰融化，水汽化,水輪機(jī),第二章 討論,氣體被