第4講熱力學(xué)第一定律

1、熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 1-1 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì) 1-2 熱力學(xué)能（內(nèi)能）和總能1-3 熱力學(xué)第一定律的基本表達(dá)式1-4 閉口系基本能量方程式1-5 開口系能量方程式1111 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì) 一、第一定律的實(shí)質(zhì)一、第一定律的實(shí)質(zhì) 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的應(yīng)用在熱現(xiàn)象中的應(yīng)用。 自然界中的一切物質(zhì)都 具有能量，能量不可能被創(chuàng)造也不可能被消滅，但可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)，在轉(zhuǎn)化過程中能量的總量保持不變。12 12 熱力學(xué)能（內(nèi)能）和總能熱力學(xué)能（內(nèi)能）和總能一、熱力學(xué)能一、熱力學(xué)能UU UchchU UnunuU UththU Uk

2、 k平移動能平移動能轉(zhuǎn)動動能轉(zhuǎn)動動能振動動能振動動能 Tf1U Up p（分子間相互作用力）（分子間相互作用力）vTf,2),(vTUU 二、總（儲存）能二、總（儲存）能kpkpE U E Ee u e e 總能總能熱力學(xué)能，內(nèi)部儲存能熱力學(xué)能，內(nèi)部儲存能外部儲存能外部儲存能宏觀動能宏觀動能宏觀位能宏觀位能（維持一定分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)能）（維持一定分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)能）原子核內(nèi)部的原子能）原子核內(nèi)部的原子能）氣體分子運(yùn)動說氣體分子運(yùn)動說 測量測量 p p、V V、T T 可求出可求出d0dddddVVTVUUUpUTVcTTpVTVTU四、熱力學(xué)能單位四、熱力學(xué)能單位 JkJ五、工程中關(guān)心五、工程中關(guān)

3、心U宏觀動能與內(nèi)動能的區(qū)別宏觀動能與內(nèi)動能的區(qū)別三、熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)三、熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)13 13 熱力學(xué)第一定律基本表達(dá)式熱力學(xué)第一定律基本表達(dá)式 加入系統(tǒng)的能量總和加入系統(tǒng)的能量總和離開系統(tǒng)的能量總和離開系統(tǒng)的能量總和= = 熱力系總儲存能的增量熱力系總儲存能的增量E EE E+d+dE Ei imeQWjjm ed流入：流入：i iQme流出：流出：jjWm e總能的增量總能的增量：dEtotdjjiiQEe me mW 或21totjjiiQEe me mW totddjmjimiEe qeqP EE+dEi imeQWjjm ed14 14 閉口系基本能量方程式閉口系基本能量方程

4、式21totjjiiQEe me mW 閉口系閉口系00ijmm忽略宏觀動能忽略宏觀動能U Uk k和位能和位能U Up pEU ddQUWQUWquwquw 第一定律第一解析式第一定律第一解析式熱熱 功的基本表達(dá)式功的基本表達(dá)式討論：討論：1 1）對于可逆過程）對于可逆過程ddQUp V2 2）對于循環(huán)）對于循環(huán)netnetdQUWQW3 3）對于定量工質(zhì)吸熱與升溫關(guān)系，還取決于）對于定量工質(zhì)吸熱與升溫關(guān)系，還取決于W W 的的 “ “+”+”、“”、數(shù)值大小。、數(shù)值大小。ddQUWQUWquwquw 例例1 1 自由膨脹自由膨脹如圖，如圖，U解：取氣體為熱力系解：取氣體為熱力系 閉口系閉口

5、系？開口系開口系？QUW120UUU即抽去隔板，求抽去隔板，求0W?0Q 例例2 2：門窗緊閉房間用電冰箱降溫：門窗緊閉房間用電冰箱降溫以房間為系統(tǒng) 絕熱閉口系閉口系能量方程QU W0Q0UW0W T電冰箱例例3 3：門窗緊閉房間用空調(diào)降溫：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QU W0QUQ W0W T空調(diào) QQW15 15 開口系能量方程開口系能量方程一、推動功和流動功一、推動功和流動功 推動功推動功：系統(tǒng)引進(jìn)或排除工質(zhì)：系統(tǒng)引進(jìn)或排除工質(zhì)傳遞傳遞的功量。的功量。pA Hpvpvp1v11o流動功：系統(tǒng)維持流動流動功：系統(tǒng)維持流動 所花費(fèi)的代價(jià)。所花費(fèi)的代價(jià)。 )(11

6、22pvvpvp流動功在流動功在p-vp-v圖上：圖上：二、焓二、焓定義：定義：H=U+pVH=U+pV h=u+pvh=u+pv單位：單位：J J（kJkJ） J J/kg/kg（kJ/kgkJ/kg）焓是狀態(tài)參數(shù)。焓是狀態(tài)參數(shù)。物理意義：物理意義：引進(jìn)或排出工質(zhì)而輸入或排出系統(tǒng)的能量。引進(jìn)或排出工質(zhì)而輸入或排出系統(tǒng)的能量。dddppVHcTVTpT三、穩(wěn)定流動能量方程三、穩(wěn)定流動能量方程穩(wěn)定流動特征穩(wěn)定流動特征：注意：區(qū)分各截面間參數(shù)可不同。注意：區(qū)分各截面間參數(shù)可不同。1）各截面上參數(shù)不隨時(shí)間變化。各截面上參數(shù)不隨時(shí)間變化。2）E ECV CV = 0= 0， S SCV CV = 0=

7、 0， m mCV CV = 0= 0? 流入系統(tǒng)的能量流入系統(tǒng)的能量: :2f1111 112Qmcqqup vgz流出系統(tǒng)的能量流出系統(tǒng)的能量: :22222f2212smPqup vcgz系統(tǒng)內(nèi)部儲能增量系統(tǒng)內(nèi)部儲能增量: : E ECVCV= =考慮到穩(wěn)流特征：考慮到穩(wěn)流特征： E ECVCV=0 =0 q qm m1 1= =q qm m2 2= =q qm m; ; 及及h=u+pvh=u+pv 22f2f12121S( )22QmmccqHHqq g zzPA2221f2f121s1( )2qhhccg zzwB討論：1 1）改寫式（）改寫式（B B）為式（）為式（C C）222

8、 21 1f 2f12112squwp vp vccg zz 熱能轉(zhuǎn)變熱能轉(zhuǎn)變成功部分成功部分輸出軸功輸出軸功流動功流動功機(jī)械能增量機(jī)械能增量22f 2f12121S2221f 2f121s( )221( )2QmmccqHHqq g zzPAqhhccg zzwB（C）2f12tswwcg z t2 21 1( )quwp vpvD dddtwp vpvv p 2）技術(shù)功技術(shù)功) )技術(shù)上可資利用的功技術(shù)上可資利用的功 w wt t22221 1f 2f12112squwp vp vccg zz由式（由式（C C）1122vpvpwwtdtwwpv可逆過程可逆過程3)3)第一定律第二解析式第

9、一定律第二解析式ttdqhwqhw 21dddqhv pqhv p dddddddqhv pupvv pup vuw膨 1) 1)通過膨脹，由熱能通過膨脹，由熱能 2) 2)第一定律兩解析式可相互導(dǎo)出，但只有在開系中第一定律兩解析式可相互導(dǎo)出，但只有在開系中 能量方程才用焓。能量方程才用焓。2221f 2f1211( )2sqhhccg zzwB4 4）兩個(gè)解析式的關(guān)系）兩個(gè)解析式的關(guān)系功，功，w = q w = q u u總之：總之：2tsf12wwcg z可逆可逆穩(wěn)流開口與閉口的能量方程穩(wěn)流開口與閉口的能量方程tqhw 容積變化功w技術(shù)功wtquw 閉口穩(wěn)流開口等價(jià)軸功ws流動功(pv)幾

10、種功的關(guān)系？幾種功的關(guān)系幾種功的關(guān)系2t12swcgzw t()tqhwupvw quw ()twpvwwwt(pv)c2/2wsgz做功的根源ws四、穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用四、穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用簡化原則：滿足工程需要，略去次要因素。簡化原則：滿足工程需要，略去次要因素。1.1.葉輪機(jī)械、噴管、節(jié)流閥等，作絕熱處理。葉輪機(jī)械、噴管、節(jié)流閥等，作絕熱處理。q=0q=0 a. a.表面經(jīng)絕熱化處理、有效傳熱面積小表面經(jīng)絕熱化處理、有效傳熱面積小; ; b. b.工質(zhì)流速快來不及換熱。工質(zhì)流速快來不及換熱。2.2.除去噴管、擴(kuò)壓管這類使氣流速度改變比較劇烈的除去噴管、擴(kuò)壓管這類使氣流速度改變

11、比較劇烈的 設(shè)備外，一般設(shè)備中氣流進(jìn)出口設(shè)備外，一般設(shè)備中氣流進(jìn)出口3.3.對于簡單可壓縮系，設(shè)備中若無活塞、軸類這些做對于簡單可壓縮系，設(shè)備中若無活塞、軸類這些做 功部件，則閉口系中功部件，則閉口系中W=0W=0，開口系中，開口系中Ws=0, Ws=0, 如鍋爐換如鍋爐換 熱器等。熱器等。 透平機(jī)械（蒸汽輪機(jī)、透平機(jī)械（蒸汽輪機(jī)、氣輪機(jī)等）氣輪機(jī)等）壓縮機(jī)械（壓氣機(jī)，水泵類）壓縮機(jī)械（壓氣機(jī)，水泵類）換熱器類（鍋爐、加熱器等）換熱器類（鍋爐、加熱器等）熱流體冷流體h1h2h1h2絕熱節(jié)流管道閥門、毛細(xì)管膨脹閥絕熱節(jié)流管道閥門、毛細(xì)管膨脹閥絕熱節(jié)流過程，前后h不變，但h不是處處相等h1h2例題4：典型充氣問題典型充氣問題儲氣罐原有氣體m0,u0輸氣管狀態(tài)不變，h經(jīng)時(shí)間充氣，關(guān)閥儲氣罐中氣體m求：儲氣罐中氣體內(nèi)能u忽略儲氣罐、閥門均絕熱m0,u0h四種可取系統(tǒng)四種可取系統(tǒng)1）取儲氣罐為系統(tǒng)開口系2）取最終罐中氣體為系統(tǒng)閉口系3）取將進(jìn)入儲氣罐的氣體為系統(tǒng)m0,u0h閉口系4）取儲氣罐原有氣體為系統(tǒng)閉口系 利用熱一律的文字表達(dá)式利用熱一律的文字表達(dá)式1)1)取取儲氣罐為儲氣罐為系統(tǒng)系統(tǒng)( (開口系開口系) )忽略動位能變化hcvnet2outout2inind/2/2QEWhcgzmhcgzm絕熱無作功部件無離開氣體cvin0dEh