工程熱力學第五版熱力學第一定律

1、第三章第三章熱力學第一定律熱力學第一定律The First Law of Thermodynamics3-1 熱力學第一定律的本質熱力學第一定律的本質 1909年，年，C. Caratheodory最后完善熱一律最后完善熱一律本質：本質：能量能量轉換轉換及及守恒守恒定律定律在熱過程中的應用在熱過程中的應用 18世紀初，工業(yè)革命，熱效率只有世紀初，工業(yè)革命，熱效率只有1% 1842年，年，J.R. Mayer闡述熱一律，但沒有闡述熱一律，但沒有 引起重視引起重視 1840-1849年年，Joule用多種實驗的一致性用多種實驗的一致性 證明熱一律，于證明熱一律，于1850年發(fā)表并得到公認年發(fā)表并得

2、到公認Conservation of energyOne of the most fundamental laws of nature“During an interaction , energy can change from one form to another but the total amount of energy remains constant”Energy cannot be created or destroyed 邁耶是歷史上第一邁耶是歷史上第一個提出能量守恒定律并個提出能量守恒定律并計算出熱功當量的人。計算出熱功當量的人。18451845年邁耶發(fā)表了年邁耶發(fā)表了論論有

3、機體的運動與物質代有機體的運動與物質代謝關系謝關系。18481848年將他年將他的熱功理論運用到宇宙。的熱功理論運用到宇宙。18511851年邁耶出版了年邁耶出版了論論熱的機械當量熱的機械當量。焦耳實驗焦耳實驗1、重物下降，輸重物下降，輸 入功，絕熱容入功，絕熱容 器內氣體器內氣體 T 2、絕熱去掉，氣絕熱去掉，氣 體體 T ，放出，放出 熱給水，熱給水，T 恢復恢復 原溫。原溫。焦耳實驗焦耳實驗水溫升高可測得水溫升高可測得熱量熱量， 重物下降可測得重物下降可測得功功熱功當量熱功當量1 cal = 4.1868 kJ工質經(jīng)歷循環(huán)工質經(jīng)歷循環(huán):WQMechanical equivalent of

4、 heat閉口系循環(huán)的熱一律表達式閉口系循環(huán)的熱一律表達式要想得到要想得到功功，必須花費，必須花費熱能熱能或或其它能量其它能量熱一律熱一律又可表述為又可表述為“第一類永動機是第一類永動機是 不可能制成的不可能制成的”WQPerpetual motion machine of the first kindQPerpetual motion machine of the first kind鍋鍋爐爐汽輪機汽輪機發(fā)電機發(fā)電機給水泵給水泵凝凝汽汽器器WnetQout電電加加熱熱器器3-2 3-2 熱一律的推論熱一律的推論熱力學能熱力學能WQ熱力學能熱力學能的導出的導出閉口系循環(huán)閉口系循環(huán)0QW The

5、rmoal energyWQ熱力學能的導出熱力學能的導出對于循環(huán)對于循環(huán)1a2c11 22 1()()0acQWQW對于循環(huán)對于循環(huán)1b2c11 22 1()()0bcQWQW1 21 2()()abQWQW0QW 狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)pV12abc熱力學能及閉口熱力學能及閉口系熱一律表達式系熱一律表達式定義定義 dU = Q - W 熱力學能熱力學能U 狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù) Q = dU + WQ = U + W閉口系閉口系熱一律表達式熱一律表達式！兩種特例兩種特例 絕功系絕功系 Q = dU 絕熱系絕熱系 W = - dU熱力學能熱力學能U 的的物理意義物理意義dU = Q - W W Q dU

6、代表某微元過程中系統(tǒng)通過邊界代表某微元過程中系統(tǒng)通過邊界交換的交換的微熱量微熱量與與微功量微功量兩者之差值，也兩者之差值，也即即系統(tǒng)內部能量系統(tǒng)內部能量的變化。的變化。 U 代表儲存于系統(tǒng)代表儲存于系統(tǒng)內部的能量內部的能量 內儲存能內儲存能（內能內能、熱力學能熱力學能）內能的組成內能的組成分子動能分子動能分子位能分子位能 binding forces化學能化學能 chemical energy核能核能 nuclear energy內能內能microscopic forms of energy 移動移動 translation轉動轉動 rotation振動振動 vibration系統(tǒng)總能系統(tǒng)總能

7、 total energy外部儲存能外部儲存能macroscopic forms of energy宏觀動能宏觀動能 kinetic Ek= mc2/2宏觀位能宏觀位能 potential Ep= mgz機械能機械能系統(tǒng)總能系統(tǒng)總能E = U + Ek + Epe = u + ek + ep一般與系統(tǒng)同坐標，常用一般與系統(tǒng)同坐標，常用U, dU, u, du內能的說明內能的說明 內能內能是狀態(tài)量是狀態(tài)量 state property U : : 廣延參數(shù)廣延參數(shù) kJ u : : 比參數(shù)比參數(shù) kJ/kg 內能內能總以變化量出現(xiàn)，總以變化量出現(xiàn)，內能內能零點人為定零點人為定熱一律的文字表達式熱

8、一律的文字表達式熱一律熱一律: 能量守恒與轉換定律能量守恒與轉換定律=進入進入系統(tǒng)系統(tǒng)的的能量能量離開離開系統(tǒng)系統(tǒng)的的能量能量系統(tǒng)系統(tǒng)內部儲存內部儲存能量能量的的變化變化-Total energy entering the systemTotal energy leaving the systemChange in the total energy of the system=-一一 熱量熱量二二 功量功量三三 隨物質流傳遞的能量隨物質流傳遞的能量四四 焓及其物理意義焓及其物理意義第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)與外界傳遞的能量系統(tǒng)與外界傳遞的能量系統(tǒng)與外界傳遞的能量系統(tǒng)與外界傳遞的能量 功隨物質傳遞的能量

9、隨物質傳遞的能量 熱量熱量外界熱源外界熱源外界功源外界功源外界質源外界質源系系統(tǒng)統(tǒng)一一 熱量熱量熱量是在熱量是在溫差溫差作用下，系統(tǒng)與外界通過界面?zhèn)鬟f的作用下，系統(tǒng)與外界通過界面?zhèn)鬟f的能量。但熱力學中的熱量可以能量。但熱力學中的熱量可以理想化為可逆?zhèn)鬟f理想化為可逆?zhèn)鬟f。 熱量熱量系統(tǒng)邊界系統(tǒng)邊界熱力學能熱力學能/熱能（俗稱）熱能（俗稱） 過程量過程量狀態(tài)量狀態(tài)量 規(guī)定：系統(tǒng)吸熱吸熱熱量為正正，系統(tǒng)放熱放熱熱量為負負單位：單位：kJ 或 kcal 且l kcal=4.1868kJ二二 功量功量外界功源有多種形式，所以也有多種形式的功。外界功源有多種形式，所以也有多種形式的功。工程熱力學主要研究工

10、程熱力學主要研究 “膨脹功膨脹功” 和和“軸功軸功”。除溫差以外除溫差以外的其它不平衡勢差不平衡勢差所引起的系統(tǒng)與外界傳遞的能量.定義定義:1 膨脹功（容積功）膨脹功（容積功）w ： 壓差作用下，工質容積變化而傳遞的機械功，壓差作用下，工質容積變化而傳遞的機械功，如蒸汽機。如蒸汽機。 熱轉換為功，必然有膨脹功。閉口系統(tǒng)通過熱轉換為功，必然有膨脹功。閉口系統(tǒng)通過系統(tǒng)界面轉遞，開口系統(tǒng)的膨脹功是技術功的一系統(tǒng)界面轉遞，開口系統(tǒng)的膨脹功是技術功的一部分，可通過轉軸形式傳遞。部分，可通過轉軸形式傳遞。 規(guī)定規(guī)定: 系統(tǒng)對外作功對外作功為正正，外界對系統(tǒng)作功對系統(tǒng)作功為負負。系統(tǒng)容積變化是作膨脹功的系統(tǒng)

11、容積變化是作膨脹功的“必要條件必要條件”。 00wv，00wv， 系統(tǒng)容積增大，膨脹功為正，容積減小，膨脹系統(tǒng)容積增大，膨脹功為正，容積減小，膨脹功為負功為負。 2 軸功：系統(tǒng)通過機械軸與外界傳遞的機械功。軸功：系統(tǒng)通過機械軸與外界傳遞的機械功。sW 傳入系統(tǒng)的軸功若耗散成系傳入系統(tǒng)的軸功若耗散成系統(tǒng)的熱力學能，則此過程是不統(tǒng)的熱力學能，則此過程是不可逆過程。（攪拌做功加熱）可逆過程。（攪拌做功加熱）規(guī)定：規(guī)定： 系統(tǒng)輸出軸功為正功系統(tǒng)輸出軸功為正功 系統(tǒng)輸入軸功為負功系統(tǒng)輸入軸功為負功 sW 開口系統(tǒng)可以與外界傳遞軸功（輸入或輸出），開口系統(tǒng)可以與外界傳遞軸功（輸入或輸出）， 軸功可以由熱能

12、轉換，也可由其它機械能轉換軸功可以由熱能轉換，也可由其它機械能轉換如風機、壓氣機等。如風機、壓氣機等。 （水輪機等）（水輪機等） 三三 隨物質流傳遞的能量隨物質流傳遞的能量 開口系統(tǒng)與外界隨物質流傳遞的能量包括：開口系統(tǒng)與外界隨物質流傳遞的能量包括： 1 流動工質本身具有的熱力學能、宏觀動能和流動工質本身具有的熱力學能、宏觀動能和重力位能。重力位能。2 流動功（推動功）流動功（推動功）wf：（流入和流出）（流入和流出） 為推動流體通過控制體界面而傳遞的機械功，為推動流體通過控制體界面而傳遞的機械功，是維持流體正常流動所必須傳遞的能量。是維持流體正常流動所必須傳遞的能量。 u + c2/2 +

13、gz流動功的表達式流動功的表達式pApVdl 功力功力位移位移Wf = （p A） dl = pV w推推= pv 推動推動1kg工質工質進入控制體內進入控制體內所需的流動功，可所需的流動功，可按工質在入口界面處的狀態(tài)參數(shù)按工質在入口界面處的狀態(tài)參數(shù)p1v1來計算；來計算； 將將1kg工質工質推出控制體外推出控制體外所需的流動功，可按所需的流動功，可按工質在出口界面處的狀態(tài)參數(shù)工質在出口界面處的狀態(tài)參數(shù)p2v2來計算；來計算； 1kg工質進、出控制體凈流動功為：工質進、出控制體凈流動功為： wf = p2v2 - p1v1對流動功的說明對流動功的說明1 1、與宏觀流動有關，流動停止，流動功不存

14、在、與宏觀流動有關，流動停止，流動功不存在2 2、w推推pv與所處狀態(tài)有關，是狀態(tài)量與所處狀態(tài)有關，是狀態(tài)量3 3、并非工質本身的能量（動能、位能）變化引起，、并非工質本身的能量（動能、位能）變化引起，而由外界（泵與風機）做出，流動工質所攜帶的能量而由外界（泵與風機）做出，流動工質所攜帶的能量可理解為：可理解為：由于工質的進出，外界與系統(tǒng)之由于工質的進出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機械功，表現(xiàn)為流動工質進間所傳遞的一種機械功，表現(xiàn)為流動工質進出系統(tǒng)時所攜帶和所傳遞的一種能量出系統(tǒng)時所攜帶和所傳遞的一種能量四四 焓及其物理意義焓及其物理意義 流動工質傳遞的總能量，包括物質流本身流動工質傳遞的總能

15、量，包括物質流本身儲存能量和流動功，即：儲存能量和流動功，即：或或 PVmgzUmc221pvgzc2u21以上以上u、pv均取決于工質的熱力狀態(tài)均取決于工質的熱力狀態(tài)則則 H或或h稱為焓值稱為焓值，它也是狀態(tài)參數(shù)。它也是狀態(tài)參數(shù)。令令 H = U + PV 或或 h = u + pvu+RT 思考：對理想氣體：思考：對理想氣體：h = f (T) ？焓的物理意義：焓的物理意義： 1 對于流動工質，焓對于流動工質，焓 = 內能內能 + 流動功，是流動流動功，是流動 工質向流動前方傳遞的總能量中工質向流動前方傳遞的總能量中“取決于熱取決于熱力力 狀態(tài)狀態(tài)”的那部分能量。的那部分能量。2 對不流動

16、工質，焓是一個復合狀態(tài)參數(shù)，沒有對不流動工質，焓是一個復合狀態(tài)參數(shù)，沒有 明確的物理意義。明確的物理意義。3-3 閉口系能量方程閉口系能量方程 W Q一般式一般式 Q = dU + W Q = U + W q = du + w q = u + w單位工質單位工質適用條件：適用條件： 1）任何工質）任何工質 2) 任何過程任何過程Energy balance for closed systemPoint function-Exact differentials- dPath function-Inexact differentials- 閉口系能量方程中的功閉口系能量方程中的功功功 （ w） 是

17、廣義功是廣義功 閉口系與外界交換的功量閉口系與外界交換的功量 q = du + w準靜態(tài)容積變化功準靜態(tài)容積變化功 pdv拉伸功拉伸功 w拉伸拉伸= - dl表面張力功表面張力功 w表面張力表面張力= - dA w = pdv - dl - dA +.閉口系能量方程的通式閉口系能量方程的通式 q = du + w若在地球上研究飛行器若在地球上研究飛行器 q = de + w = du + dek + dep + w 工程熱力學用此式較少工程熱力學用此式較少準靜態(tài)和可逆閉口系能量方程準靜態(tài)和可逆閉口系能量方程簡單可壓縮系簡單可壓縮系準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程 w = pdv簡單可壓縮系簡單可壓縮系可逆

18、過程可逆過程 q = Tds q = du + pdv q = u + pdv熱一律解析式之一熱一律解析式之一Tds = du + pdv Tds = u + pdv熱力學恒等式熱力學恒等式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以房間為系統(tǒng)系統(tǒng) 絕熱閉口系絕熱閉口系閉口系能量方程閉口系能量方程QU W0Q0UW0W T電電冰冰箱箱RefrigeratorIcebox門窗緊閉房間用空調降溫門窗緊閉房間用空調降溫以房間為以房間為系統(tǒng)系統(tǒng) 閉口系閉口系閉口系能量方程閉口系能量方程QU W0QUQ W0W T空空調調 QQWAir-condition 3-4 開口系能量方程開口系能量

19、方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc能量守恒原則能量守恒原則進入進入系統(tǒng)的系統(tǒng)的能量能量 - -離開離開系統(tǒng)的系統(tǒng)的能量能量 = =系統(tǒng)系統(tǒng)儲存能量儲存能量的的變化變化Energy balance for open system推進功的引入推進功的引入 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv這個結果與實驗這個結果與實驗不符不符少了少了推進功推進功推進功的表達式推進

20、功的表達式推進功推進功（流動功、推動功）（流動功、推動功）pApVdl W推推 = p A dl = pV w推推= pv注意：注意： 不是不是 pdv v 沒有變化沒有變化Flow work對推進功的說明對推進功的說明1 1、與宏觀與宏觀流動流動有關，流動停止，推進功不存在有關，流動停止，推進功不存在2 2、作用過程中，工質僅發(fā)生作用過程中，工質僅發(fā)生位置位置變化，無狀態(tài)變化變化，無狀態(tài)變化3 3、w推推pv與所處狀態(tài)有關，是與所處狀態(tài)有關，是狀態(tài)量狀態(tài)量4 4、并非工質本身的能量（動能、位能）變化引起，并非工質本身的能量（動能、位能）變化引起， 而由外界做出，流動工質所而由外界做出，流動工

21、質所攜帶的能量攜帶的能量可理解為：可理解為：由于工質的進出，外界與系統(tǒng)之由于工質的進出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種間所傳遞的一種機械功機械功，表現(xiàn)為流動工質進，表現(xiàn)為流動工質進出系統(tǒng)使所出系統(tǒng)使所攜帶攜帶和所和所傳遞傳遞的一種的一種能量能量開口系能量方程的推導開口系能量方程的推導 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout212inc212outc Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv minpvout開口系能量方程微分式開口系能量方程微分式 Q + min(u + pv+c2/2 +

22、gz)in - Wnet - mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv工程上常用工程上常用流率流率0limQQ0limmm0limWW2cvout2innetind/ 2/ 2outQEupvcgzmupvcgzmW開口系能量方程微分式開口系能量方程微分式當有多條進出口：當有多條進出口：netcv2outout2inind/ 2/ 2QEWupvcgzmupvcgzm流動時，總一起存在流動時，總一起存在焓焓Enthalpy的引入的引入定義：定義：焓焓 h = u + pvnetcv2outout2inind/ 2/ 2QEWupvcgzmupvcgzmhh開口系能量方程

23、開口系能量方程焓焓Enthalpy的的 說明說明 定義：定義：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 1、焓焓是狀態(tài)量是狀態(tài)量 state property2、H為廣延參數(shù)為廣延參數(shù) H=U+pV= m(u+pv)= mh h為比參數(shù)為比參數(shù)3、對流動工質，對流動工質，焓焓代表能量代表能量(內能內能+推進功推進功) 對靜止工質，對靜止工質，焓焓不代表不代表能量能量4 4、物理意義：開口系中隨工質物理意義：開口系中隨工質流動而攜帶流動而攜帶的、取決的、取決 于熱力狀態(tài)的于熱力狀態(tài)的能量能量。3-5 穩(wěn)定流動能量方程穩(wěn)定流動能量方程 Wnet Q min moutuinuou

24、tgzingzout212inc212outc穩(wěn)定流動條件穩(wěn)定流動條件1、outinmmm2、QConst3、netsWConstW軸功軸功Shaft work每截面狀態(tài)不變每截面狀態(tài)不變4、,/0C VdEEnergy balance for steady-flow systems穩(wěn)定流動能量方程的推導穩(wěn)定流動能量方程的推導outinmmmQConstnetsWConstW,/0C VdEnetcv2outout2inind/ 2/ 2QEWhcgzmhcgzm穩(wěn)定流動條件穩(wěn)定流動條件0mmsW穩(wěn)定流動能量方程的推導穩(wěn)定流動能量方程的推導22soutin22ccQmhgzhgzWQm qss

25、Wm w1kg工質工質22soutin22ccqhgzhgzw2s12qhcgzw 穩(wěn)定流動能量方程穩(wěn)定流動能量方程2s12qhcgzw 適用條件：適用條件：任何流動工質任何流動工質任何穩(wěn)定流動過程任何穩(wěn)定流動過程Energy balance for steady-flow systems技術技術功功 technology work動能動能工程技術上可以直接利用工程技術上可以直接利用軸功軸功機械能機械能2f12sQHmcm gzW 2f12sqhcgzw 位能位能tWtwtQmhWtqhw 單位質量工質的開口與閉口單位質量工質的開口與閉口wsq穩(wěn)流開口系穩(wěn)流開口系tqhw quw 閉口系閉口系

26、(1kg)容積變化功容積變化功等價等價技術功技術功穩(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 容積變化功容積變化功w技術功技術功wtquw 閉口閉口穩(wěn)流開口穩(wěn)流開口等價等價軸功軸功ws推進功推進功 (pv)幾種功的關系？幾種功的關系？幾種功的關系幾種功的關系2t12swcgzwt()tqhwupvw quw ()twpvwwwt(pv) c2/2wsgz做功的根源做功的根源ws對對功功的小結的小結2、開口系，開口系，系統(tǒng)系統(tǒng)與與外界交換的功為外界交換的功為軸功軸功ws3、一般情況下忽略動、位能的變化一般情況下忽略動、位能的變化1、閉口系，系統(tǒng)閉口系，系統(tǒng)與與外界交換的功為外界交換

27、的功為容積變化功容積變化功wws wt準靜態(tài)下的技術功準靜態(tài)下的技術功()tpdvd pvw()twpvw()twd pvw準靜態(tài)準靜態(tài)()()twpdv d pvpdvpdv vdpvdptwvdp準靜態(tài)準靜態(tài)qdupdvqdh vdp熱一律解析式之一熱一律解析式之一熱一律解析式之二熱一律解析式之二twvdp技術功在示功圖上的表示技術功在示功圖上的表示1 12 2ddv pp vpvp vt1 12 2wwpvp vt()wwpv12 1ba12341 140 1a 230 2b機械能守恒機械能守恒s2t2/wgdzdcvdpw對于流體流過管道，對于流體流過管道，0sw2102vdpdcgd

28、z 壓力能壓力能 動能動能 位能位能機械能守恒機械能守恒2102dpdcdzgg柏努利方程柏努利方程Bernoullis equation 3-6 穩(wěn)定流動能量方程應用舉例穩(wěn)定流動能量方程應用舉例s22/wzgchq熱力學問題經(jīng)?？珊雎詣?、位能變化熱力學問題經(jīng)?？珊雎詣?、位能變化例例1：透平：透平(Turbine)機械機械火力發(fā)電火力發(fā)電核電核電飛機發(fā)動機飛機發(fā)動機輪船發(fā)動機輪船發(fā)動機移動電站移動電站 燃氣輪機燃氣輪機蒸汽輪機蒸汽輪機Steam turbineGas turbine透平透平(Turbine)機械機械sqhw 1) 體積不大體積不大2）流量大流量大3）保溫層保溫層q 0ws =

29、-h = h1 - h20輸出的軸功是靠焓降轉變的輸出的軸功是靠焓降轉變的例例2：壓縮機械：壓縮機械 Compressor火力發(fā)電火力發(fā)電核電核電飛機發(fā)動機飛機發(fā)動機輪船發(fā)動機輪船發(fā)動機移動電站移動電站 壓氣機壓氣機水泵水泵制冷制冷空調空調壓縮機壓縮機壓縮機械壓縮機械sqhw 1) 體積不大體積不大2）流量大流量大3）保溫層保溫層q 0ws = -h = h1 - h2T0m,u,p,T00000kTp TTT pT pkTp3） T與與T0有關有關000( )kp TTkp TppTT0T000p VmRTm0m-m0帶入能量帶入能量T的表達式分析的表達式分析m0,u0,p0,T0h,p,TT0m,u,p,T00000kTp TTT pT pkTp4） T與與p0/ p有關有關0000()kTTTpTkTTpp0/ p Tp0/ p反映充氣數(shù)量反映充氣數(shù)量 取系統(tǒng)問題之二取系統(tǒng)問題之二已知：已知：p1=35bar, t1 =16h