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(kāi)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(guò)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(dòng)能平移動(dòng)能轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能振動(dòng)動(dòng)能振動(dòng)動(dòng)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(chǔ)存）能二、總（儲(chǔ)存）能kpkpE U E Ee u e e 總能總能熱力學(xué)能，內(nèi)部?jī)?chǔ)存能熱力學(xué)能，內(nèi)部?jī)?chǔ)存能外部?jī)?chǔ)存能外部?jī)?chǔ)存能宏觀動(dòng)能宏觀動(dòng)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(dòng)說(shuō)氣體分子運(yùn)動(dòng)說(shuō) 測(cè)量測(cè)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(dòng)能與內(nèi)動(dòng)能的區(qū)別宏觀動(dòng)能與內(nèi)動(dòng)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(kāi)系統(tǒng)的能量總和離開(kāi)系統(tǒng)的能量總和= = 熱力系總儲(chǔ)存能的增量熱力系總儲(chǔ)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(dòng)能忽略宏觀動(dòng)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(duì)于可逆過(guò)程）對(duì)于可逆過(guò)程ddQUp V2 2）對(duì)于循環(huán)）對(duì)于循環(huán)netnetdQUWQW3 3）對(duì)于定量工質(zhì)吸熱與升溫關(guān)系，還取決于）對(duì)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(kāi)口系開(kāi)口系？QUW120UUU即抽去隔板，求抽去隔板，求0W?0Q 例例2 2：門(mén)窗緊閉房間用電冰箱降溫：門(mén)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(mén)窗緊閉房間用空調(diào)降溫：門(mén)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(kāi)口系能量方程開(kāi)口系能量方程一、推動(dòng)功和流動(dòng)功一、推動(dòng)功和流動(dòng)功 推動(dòng)功推動(dòng)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(dòng)功：系統(tǒng)維持流動(dòng)流動(dòng)功：系統(tǒng)維持流動(dòng) 所花費(fèi)的代價(jià)。所花費(fèi)的代價(jià)。 )(11

6、22pvvpvp流動(dòng)功在流動(dòng)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：?jiǎn)挝唬篔 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(dòng)能量方程三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程穩(wěn)定流動(dòng)特征穩(wěn)定流動(dòng)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?jī)?chǔ)能增量系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)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(xiě)式（）改寫(xiě)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(dòng)功流動(dòng)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(guò)程可逆過(guò)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(guò)膨脹，由熱能通過(guò)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(kāi)系中第一定律兩解析式可相互導(dǎo)出，但只有在開(kāi)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(kāi)口與閉口的能量方程穩(wěn)流開(kāi)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(kāi)口等價(jià)軸功ws流動(dòng)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(dòng)能量方程式的應(yīng)用四、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的應(yīng)用簡(jiǎn)化原則：滿足工程需要，略去次要因素。簡(jiǎn)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(lái)不及換熱。工質(zhì)流速快來(lái)不及換熱。2.2.除去噴管、擴(kuò)壓管這類(lèi)使氣流速度改變比較劇烈的除去噴管、擴(kuò)壓管這類(lèi)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(duì)于簡(jiǎn)單可壓縮系，設(shè)備中若無(wú)活塞、軸類(lèi)這些做對(duì)于簡(jiǎn)單可壓縮系，設(shè)備中若無(wú)活塞、軸類(lèi)這些做 功部件，則閉口系中功部件，則閉口系中W=0W=0，開(kāi)口系中，開(kāi)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(lèi)）壓縮機(jī)械（壓氣機(jī)，水泵類(lèi)）換熱器類(lèi)（鍋爐、加熱器等）換熱器類(lèi)（鍋爐、加熱器等）熱流體冷流體h1h2h1h2絕熱節(jié)流管道閥門(mén)、毛細(xì)管膨脹閥絕熱節(jié)流管道閥門(mén)、毛細(xì)管膨脹閥絕熱節(jié)流過(guò)程，前后h不變，但h不是處處相等h1h2例題4：典型充氣問(wèn)題典型充氣問(wèn)題儲(chǔ)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(chǔ)氣罐中氣體m求：儲(chǔ)氣罐中氣體內(nèi)能u忽略儲(chǔ)氣罐、閥門(mén)均絕熱m0,u0h四種可取系統(tǒng)四種可取系統(tǒng)1）取儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng)開(kāi)口系2）取最終罐中氣體為系統(tǒng)閉口系3）取將進(jìn)入儲(chǔ)氣罐的氣體為系統(tǒng)m0,u0h閉口系4）取儲(chǔ)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(chǔ)氣罐為儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng)系統(tǒng)( (開(kāi)口系開(kāi)口系) )忽略動(dòng)位能變化hcvnet2outout2inind/2/2QEWhcgzmhcgzm絕熱無(wú)作功部件無(wú)離開(kāi)氣體cvin0dEh