熱力學(xué)第一定律

1、F2-1 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)F2-2 熱力學(xué)能和總能熱力學(xué)能和總能F2-3 能量的傳遞和轉(zhuǎn)化能量的傳遞和轉(zhuǎn)化F2-4 焓焓F2-5 熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式F2-6 開口系統(tǒng)能量方程式開口系統(tǒng)能量方程式F2-7 能量方程式的應(yīng)用能量方程式的應(yīng)用第二章第二章 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律課件目錄本章作業(yè)本章作業(yè)第二章第二章習(xí)題習(xí)題7、10、11、12、13、16、18、19pp. 5759第四版第四版 熱力學(xué)第一定律是能量守衡定律在熱力學(xué)的表述。熱力學(xué)第一定律是能量守衡定律在熱力學(xué)的表述。即即 “熱是能的一種，機(jī)械能變熱能、或熱能變機(jī)械熱

2、是能的一種，機(jī)械能變熱能、或熱能變機(jī)械能時(shí)，它們之間的比值是一定的。能時(shí)，它們之間的比值是一定的?！?或者或者 “熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊帷Ｔ跓崮芎蜋C(jī)械能之熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊?。在熱能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換時(shí)，一定量的熱消失時(shí)必產(chǎn)生相應(yīng)量的功；消間相互轉(zhuǎn)換時(shí)，一定量的熱消失時(shí)必產(chǎn)生相應(yīng)量的功；消耗一定量的功時(shí)必出現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)的一定量的熱。耗一定量的功時(shí)必出現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)的一定量的熱?！?在發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的過程中，熱工當(dāng)量的發(fā)現(xiàn)（在發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的過程中，熱工當(dāng)量的發(fā)現(xiàn)（焦焦耳耳等）具有重要的歷史意義，但由于熱量和功的單位現(xiàn)在等）具有重要的歷史意義，但由于熱量和功的單位現(xiàn)在已經(jīng)統(tǒng)一為焦耳

3、（其值變?yōu)橐呀?jīng)統(tǒng)一為焦耳（其值變?yōu)?），所以在計(jì)算中它已經(jīng)沒有），所以在計(jì)算中它已經(jīng)沒有必要出現(xiàn)了。必要出現(xiàn)了。 2-1 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、熱力學(xué)能一、熱力學(xué)能 熱力學(xué)能包括：熱力學(xué)能包括： 內(nèi)動(dòng)能（分子熱運(yùn)動(dòng)引起的）內(nèi)動(dòng)能（分子熱運(yùn)動(dòng)引起的） 內(nèi)位能（分子間的相互作用力引起的）內(nèi)位能（分子間的相互作用力引起的） 化學(xué)能、核能和電磁能等?；瘜W(xué)能、核能和電磁能等。 本課所講的熱力學(xué)能主要包括內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)位能。本課所講的熱力學(xué)能主要包括內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)位能。 熱力學(xué)能用熱力學(xué)能用U (u)表示，單位是焦耳表示，單位是焦耳J (J/kg)。 熱力學(xué)能是個(gè)狀態(tài)參數(shù)，即：熱力學(xué)能是個(gè)狀

4、態(tài)參數(shù)，即： ,;,ufT vufTpufp v或2-2 熱力學(xué)能和總能熱力學(xué)能和總能（2-1）二、總能二、總能 系統(tǒng)內(nèi)部儲(chǔ)存能和外部儲(chǔ)存能的總和，即系統(tǒng)內(nèi)部儲(chǔ)存能和外部儲(chǔ)存能的總和，即 熱力學(xué)能與宏觀運(yùn)動(dòng)能及位能的總和熱力學(xué)能與宏觀運(yùn)動(dòng)能及位能的總和，稱作總稱作總儲(chǔ)存能，簡稱總能?？偰軆?chǔ)存能，簡稱總能?？偰?E (e)、動(dòng)能、動(dòng)能Ek (ek)、位能位能 Ep (ep) 。它們間的關(guān)系為：。它們間的關(guān)系為： mgzmcUEEUEfpk221（2-2）gzcueeuefpk221（2-2a）一、作功和傳熱一、作功和傳熱 能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體的兩能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體的兩種方式

5、。做功總和物體的宏觀位移有關(guān)。種方式。做功總和物體的宏觀位移有關(guān)。傳熱就不需要有物體的宏觀移動(dòng)。傳熱就不需要有物體的宏觀移動(dòng)。二、推動(dòng)功和流動(dòng)功二、推動(dòng)功和流動(dòng)功 因工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功，因工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功，叫推動(dòng)功（叫推動(dòng)功（pv）。推動(dòng)功只有在工質(zhì)流動(dòng)）。推動(dòng)功只有在工質(zhì)流動(dòng)時(shí)才起作用。時(shí)才起作用。 2-3 能量的傳遞和轉(zhuǎn)化能量的傳遞和轉(zhuǎn)化流動(dòng)功流動(dòng)功 ：系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動(dòng)系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動(dòng)所需要的功，可定義為進(jìn)出口的推所需要的功，可定義為進(jìn)出口的推動(dòng)功之差。如圖：動(dòng)功之差。如圖：技術(shù)功技術(shù)功 ：開口系統(tǒng)技術(shù)上可資開口系統(tǒng)技術(shù)上可資利用的機(jī)械能之和，是膨脹功與流動(dòng)利

6、用的機(jī)械能之和，是膨脹功與流動(dòng)功之差。功之差。 1122vpvpwfiftwzgcvpvpww2112221fWtW圖圖2-1 推動(dòng)功推動(dòng)功（2-3）（2-4）p1,v1112 2p2,v2對(duì)于可逆過程有：對(duì)于可逆過程有：2121211122)(vdppvdpdvvpvpwwt圖圖22 可逆過程的技術(shù)功可逆過程的技術(shù)功（2-4a）根據(jù)上式可在根據(jù)上式可在p- -v圖上表示可圖上表示可逆過程的技術(shù)功，如右圖中的曲邊逆過程的技術(shù)功，如右圖中的曲邊梯形面積梯形面積 f-1-2-g-f 所示。所示。pv21fg2-4 焓焓 焓焓: : 比焓定義為：比焓定義為： 焓是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，它可以表示成另外兩個(gè)獨(dú)

7、立焓是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，它可以表示成另外兩個(gè)獨(dú)立 狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)，即狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)，即 hupvPVUHTpfh,vpfh,vTfh,（2-5）（2-6）（2-7）2-5 熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式1.1.進(jìn)入系統(tǒng)的能量進(jìn)入系統(tǒng)的能量 - - 離開系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量 = = 系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量 的增加：的增加： 或或 2.2.第一定律的第一解析式的微元形式是第一定律的第一解析式的微元形式是: : 對(duì)于對(duì)于1 1kgkg工質(zhì)工質(zhì), ,則有則有: : ，3.3.式中熱量式中熱量 ，熱力學(xué)能變量，熱力學(xué)能變量 和功和功 都是代數(shù)值，都是代數(shù)值， 可正可負(fù)

8、。可正可負(fù)。QUW QdUWquw qduwQUWUWQ（2-8） 如圖如圖2 2所示，一定量氣體在氣缸內(nèi)體積由所示，一定量氣體在氣缸內(nèi)體積由0.9 m3可逆（可逆（？）地膨脹到地膨脹到 1.4m3，過程中氣體壓力保持定值，過程中氣體壓力保持定值，且且 。若在此過程中氣體熱力學(xué)能增加若在此過程中氣體熱力學(xué)能增加12,000 J，試求：試求： （1）此過程中氣體吸入或放出的熱量。）此過程中氣體吸入或放出的熱量。 （2）若活塞質(zhì)量為）若活塞質(zhì)量為20 kg，且初始時(shí)活塞靜止，求且初始時(shí)活塞靜止，求 終態(tài)時(shí)活塞的速度。已知環(huán)境壓力終態(tài)時(shí)活塞的速度。已知環(huán)境壓力p00.1 MPa。MPap2 . 0p

9、p例例 2 -1圖圖2-2 例例2-1附圖附圖解解: （1）取氣缸內(nèi)的氣體為一熱力系統(tǒng)。這是閉口系統(tǒng)，）取氣缸內(nèi)的氣體為一熱力系統(tǒng)。這是閉口系統(tǒng)，其能量方程式為：其能量方程式為： Q = U + W由題意知：由題意知： U = U2 U1 = 12,000 J由于過程可逆，且壓力為常數(shù)，故由于過程可逆，且壓力為常數(shù)，故因此因此即過程中氣體自外界吸熱即過程中氣體自外界吸熱112 000 J。 （2）氣體對(duì)外界作的功有兩部分功用，一是用于排斥氣體對(duì)外界作的功有兩部分功用，一是用于排斥活塞背面的大氣（活塞背面的大氣（Wr），另一部分（），另一部分（Wu）轉(zhuǎn)變成活塞的動(dòng)）轉(zhuǎn)變成活塞的動(dòng)能增量。其中前者

10、為：能增量。其中前者為： JJJQJVVppdVW11200010000012000100000)(2112J 50,000 )V (Vp Vp W1200rsmmWcmWcccmWEJWpdVWWuuuruu71.7022)(250000212212221所以因?yàn)闉椋旱诙糠謐例題索引例題索引2-6 開口系統(tǒng)能量方程式開口系統(tǒng)能量方程式一、開口系統(tǒng)能量方程開口系統(tǒng)能量方程考察微元過程的能量平衡考察微元過程的能量平衡進(jìn)入系統(tǒng)的能量進(jìn)入系統(tǒng)的能量 dE1p1dV1Q離開系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量 dE2p2dV2Wi控制體積的儲(chǔ)存能增量控制體積的儲(chǔ)存能增量 dECV圖圖2-3 開口系統(tǒng)能量平衡開口

11、系統(tǒng)能量平衡p1 , cf1z1dV1z2Wip2 , cf22211Q控制體積控制體積CV界面界面基準(zhǔn)線基準(zhǔn)線dV2e1e2 式中式中 dEcv、 、qm 、Pi 分別為控制容積內(nèi)總分別為控制容積內(nèi)總能的增量、熱流率、質(zhì)流率和內(nèi)部功率。能的增量、熱流率、質(zhì)流率和內(nèi)部功率。（2-9）（2-10）iiininfjoutoutfCVWmgzchmgzchdEQ)2()2(22iiinminfjoutmoutfCVPqgzchqgzchddE,2,2)2()2(二、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程二、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程 若流動(dòng)過程中開口系統(tǒng)內(nèi)部及其邊界上各點(diǎn)工質(zhì)若流動(dòng)過程中開口系統(tǒng)內(nèi)部及其邊界上各點(diǎn)工質(zhì)參數(shù)（熱力及運(yùn)

12、動(dòng)）都參數(shù)（熱力及運(yùn)動(dòng)）都不隨時(shí)間而變不隨時(shí)間而變，這種流動(dòng)過程，這種流動(dòng)過程稱為稱為穩(wěn)定流動(dòng)過程穩(wěn)定流動(dòng)過程。 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程可寫作：穩(wěn)定流動(dòng)能量方程可寫作： 此式即為熱力學(xué)第一定律的此式即為熱力學(xué)第一定律的第二解析式第二解析式。其中技術(shù)功：其中技術(shù)功： tqhw 1122vpvpwwt12212221zzgccwffi（2-11） 熱力學(xué)第一定律的解析式在形式上雖有不同，熱力學(xué)第一定律的解析式在形式上雖有不同，但由熱功轉(zhuǎn)換的實(shí)質(zhì)是一致的，都是能量守恒定律但由熱功轉(zhuǎn)換的實(shí)質(zhì)是一致的，都是能量守恒定律在熱力學(xué)和熱力工程上的體現(xiàn)。在熱力學(xué)和熱力工程上的體現(xiàn)。 從熱功互換角度來看，第一解析式反映

13、出熱從熱功互換角度來看，第一解析式反映出熱力過程中熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，是各種熱動(dòng)力設(shè)備力過程中熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，是各種熱動(dòng)力設(shè)備實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出的理論核心，是最基本的能量方程。實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出的理論核心，是最基本的能量方程。三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的分析三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的分析2-7 能量方程式的應(yīng)用能量方程式的應(yīng)用一、動(dòng)力機(jī)一、動(dòng)力機(jī)圖圖2-4 動(dòng)力機(jī)能量平衡動(dòng)力機(jī)能量平衡tiwhhw21 熱力學(xué)第一定律的能量方程式在工程上應(yīng)用熱力學(xué)第一定律的能量方程式在工程上應(yīng)用很廣，而工程中的熱力設(shè)備工作時(shí)多為開口系統(tǒng)，很廣，而工程中的熱力設(shè)備工作時(shí)多為開口系統(tǒng)，因此這里主要介紹第二解析式的應(yīng)用。因此這里主

14、要介紹第二解析式的應(yīng)用。h112h2wi圖圖2-5 壓氣機(jī)能量平衡壓氣機(jī)能量平衡二、壓氣機(jī)二、壓氣機(jī)icww qhh12twh221h1wc三、換熱器三、換熱器12hhq21212221hhccff四、管道四、管道h2h1q圖圖2-6 換熱器能量平衡換熱器能量平衡圖圖2-7 噴管能量轉(zhuǎn)換噴管能量轉(zhuǎn)換Cf1,h1Cf2,h2五、節(jié)流五、節(jié)流圖圖2-8 節(jié)流現(xiàn)象節(jié)流現(xiàn)象21hh h1h21122 已知新蒸汽流入汽輪機(jī)時(shí)的焓已知新蒸汽流入汽輪機(jī)時(shí)的焓h1=3232 kJ/kg，流速，流速 cf1=50 m/s；乏汽流出汽輪機(jī)時(shí)的乏汽流出汽輪機(jī)時(shí)的焓焓h2=2302kJ/kg，流速流速cf2=120

15、m/s。散熱損失和散熱損失和位能差可略去不計(jì)。試求：位能差可略去不計(jì)。試求： （1）每千克蒸汽流經(jīng)汽輪機(jī)時(shí)對(duì)外界所作的）每千克蒸汽流經(jīng)汽輪機(jī)時(shí)對(duì)外界所作的功。功。 （2）若蒸汽流量是）若蒸汽流量是10t/h，求汽輪機(jī)的功率。求汽輪機(jī)的功率。例例 2-2解解: 由式（由式（2-16） 根據(jù)題意，根據(jù)題意，q = 0 , z2z1=0，于是得每千克蒸汽所作的功為于是得每千克蒸汽所作的功為 其中汽輪機(jī)進(jìn)出口的動(dòng)能變化只有其中汽輪機(jī)進(jìn)出口的動(dòng)能變化只有-5.95 kJ/kg?？梢姡?。可見：即使工質(zhì)流速在百米每秒的數(shù)量級(jí)，動(dòng)能的影響仍不大。即使工質(zhì)流速在百米每秒的數(shù)量級(jí)，動(dòng)能的影響仍不大。工質(zhì)每小時(shí)作功

16、工質(zhì)每小時(shí)作功 Wi = qmwi = 9.24 106 kJ/h故汽輪機(jī)功率為故汽輪機(jī)功率為iffwzzgcchhq)()(21)(12212212kgkJcchhwffi/05.924)(21)(222121kWWPi25673600例題索引例題索引 某輸氣管內(nèi)氣體的參數(shù)為某輸氣管內(nèi)氣體的參數(shù)為p1=4 MPa、t1=30 、h1=303 kJ/kg。設(shè)該氣體是理想氣體，它的熱力學(xué)能與溫度之間的設(shè)該氣體是理想氣體，它的熱力學(xué)能與溫度之間的關(guān)系為關(guān)系為u=0.72TkkJ/kg，氣體常數(shù)氣體常數(shù)Rg287 J/(kg K)?，F(xiàn)將現(xiàn)將1m3的真空容器與輸氣管連接，打開閥門對(duì)容器充氣，直至的真空

17、容器與輸氣管連接，打開閥門對(duì)容器充氣，直至容器內(nèi)壓力達(dá)容器內(nèi)壓力達(dá)4 MPa為止。充氣時(shí)輸氣管中氣體參數(shù)保持不為止。充氣時(shí)輸氣管中氣體參數(shù)保持不變，問充入容器的氣體量為多少千克（設(shè)氣體滿足狀態(tài)方程變，問充入容器的氣體量為多少千克（設(shè)氣體滿足狀態(tài)方程pV=mRgT）？）？例例 2-3解解: 若取容器為熱力系統(tǒng)，則該系統(tǒng)為一開口系統(tǒng)，可利若取容器為熱力系統(tǒng)，則該系統(tǒng)為一開口系統(tǒng)，可利用方程式（用方程式（2-13）計(jì)算。由題意，充氣過程的條件是）計(jì)算。由題意，充氣過程的條件是Q = 0， wi = 0， m2 = 0 將上述條件代入式（將上述條件代入式（2-13），忽略充氣的動(dòng)能及位能，），忽略充氣的動(dòng)能及位能，并用腳標(biāo)并用腳標(biāo) in 代替代替1表示進(jìn)入容器的參數(shù)，于是得表示進(jìn)入容器的參數(shù)，于是得dECV = hinmin 在充氣過程中系統(tǒng)本身的宏觀動(dòng)能可忽略不計(jì)，因此在充氣過程中系統(tǒng)本身的宏觀動(dòng)能可忽略不計(jì)，因此系統(tǒng)的總能即為系統(tǒng)的熱力學(xué)能。這樣，上式可寫成系統(tǒng)的總能即為系統(tǒng)的熱力學(xué)能。這樣，上式可寫成 d(mu)CV = hin