工程熱力學(xué)基礎(chǔ)第二章

第二章

熱力學(xué)第一定律TheFirstLawofThermodynamics§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)ConservationofenergyOneofthemostfundamentallawsofnature“Duringaninteraction,energycanchangefromoneformtoanotherbutthetotalamountofenergyremainsconstant”EnergycannotbecreatedordestroyedJ.R.邁爾

JuliusRobertMayer1814-1878德國醫(yī)學(xué)博士首次提出能量轉(zhuǎn)換與守恒定律J.P.

焦耳

James.Prescott.Joule1818-1889英國1850測定熱功當(dāng)量1852焦－湯效應(yīng)能量單位焦耳定律（熱與電）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)水溫升高可測得熱量，

重物下降可測得功熱功當(dāng)量1cal=4.1868kJ工質(zhì)經(jīng)歷循環(huán):MechanicalequivalentofheatQ=W閉口系循環(huán)的熱一律表達(dá)式要想得到功，必須化費(fèi)熱能或其它能量熱一律又可表述為“第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的”Perpetual–motionmachineofthefirstkindQ=WQPerpetual–motionmachineofthefirstkind鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器WnetQout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)InternalenergyQ=W(Q-W)=0內(nèi)能的導(dǎo)出對于循環(huán)1a2c1對于循環(huán)1b2c1狀態(tài)參數(shù)pV12abc(Q-W)=0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

+

WQ=

U

+

W閉口系熱一律表達(dá)式內(nèi)能U的物理意義dU=

Q

-

WWQ

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兩者之差值，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)能的微觀組成分子動(dòng)能分子位能bindingforces化學(xué)能chemicalenergy核能nuclearenergy內(nèi)能microscopicformsofinternalenergy移動(dòng)translation轉(zhuǎn)動(dòng)rotation振動(dòng)vibration內(nèi)能的說明內(nèi)能是狀態(tài)量statepropertyU:

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§2-3閉口系能量方程WQ一般式Q

=dU

+

W

Q

=U

+

Wq

=

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EnergybalanceforclosedsystemPointfunction---Exactdifferentials---dPathfunction---Inexactdifferentials---準(zhǔn)靜態(tài)和可逆閉口系能量方程簡單可壓縮系準(zhǔn)靜態(tài)過程w=pdv簡單可壓縮系可逆過程q=Tdsq

=

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降溫以房間為系統(tǒng)

絕熱閉口系閉口系能量方程T電冰箱RefrigeratorIcebox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)QAir-conditioner§2-4開口系的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程WsQm1m2u1u2gz1gz2穩(wěn)定流動(dòng)條件SteadyStateSteadyFlow(SSSF)1、2、3、軸功Shaftwork4、能量進(jìn)＝能量出開口系的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)WsQmmu1u2gz1gz2能量守恒：進(jìn)入系統(tǒng)的能量

=

離開系統(tǒng)的能量Q

+

m(u1

+

c12/2

+

gz1)=m(u2

+

c22/2

+gz2)+

Ws

這個(gè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不符少了流動(dòng)功推進(jìn)功的表達(dá)式推進(jìn)功（流動(dòng)功、推動(dòng)功）pApVdl

W推=

p

A

dl

=

pV

w推=

pv注意：不是

pdv

v沒有變化Flowwork對推進(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）變化引起，而由外界（泵與風(fēng)機(jī)）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)使所攜帶和所傳遞的一種能量開口系的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)WsQp1v1mu1u2gz1gz2Q

+

m(u1

+

c12/2

+

gz1)=

m(u2

+

c22/2

+gz2)

-

Ws

mp2v2開口系的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)流動(dòng)時(shí)，總一起存在定義：焓h1h2開口系的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)h1h2開口系的穩(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)過程焓Enthalpy的說明

定義：h

=

u

+

pv[kJ/kg]

H

=

U

+

pV

[kJ]1、焓是狀態(tài)量stateproperty2、H為廣延參數(shù)

H=U+pV=

m(u+pv)=mh

h為比參數(shù)3、對流動(dòng)工質(zhì)，焓代表能量(內(nèi)能+推進(jìn)功)

對靜止工質(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。技術(shù)功Technicalwork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wsq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wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws對功的小結(jié)2、開口系，系統(tǒng)與外界交換的功為軸功ws3、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wwswt熱力學(xué)為什么常忽略動(dòng)、位能變化例：c1=1

m/sc2=30

m/s

(c22-c12)/

2=0.449

kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0

oC水的h1=84kJ/kg100oC水蒸氣的h2=2676kJ/kg準(zhǔn)靜態(tài)下的技術(shù)功準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)熱一律解析式之一熱一律解析式之二技術(shù)功在示功圖上的表示作業(yè)2-152-162-18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)鈾C(jī)蒸汽輪機(jī)Steamturbine§

2-5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例火力發(fā)電裝置Steam

Power鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器航空發(fā)動(dòng)機(jī)（燃?xì)庋h(huán)）aeroengin燃?xì)庋b置壓氣機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室空氣廢氣gaspower

透平(Turbine)機(jī)械1)

體積不大2）流量大3）保溫層q

0ws

=-△h

=

h1-

h2>0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)火力發(fā)電裝置Steampower鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器航空發(fā)動(dòng)機(jī)（燃?xì)庋h(huán)）燃?xì)庋b置壓氣機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室空氣廢氣制冷空調(diào)裝置Refrigerationandair-condition壓縮機(jī)械1)

體積不大2）流量大3）保溫層q

0ws

=-△h

=

h1-

h2<0輸入的軸功轉(zhuǎn)變?yōu)殪噬?：換熱設(shè)備HeatExchangers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、冷凝器火力發(fā)電裝置鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器制冷空調(diào)裝置換熱設(shè)備熱流體放熱量：沒有作功部件熱流體冷流體h1h2h1’h2’冷流體吸熱量：焓變例4：絕熱節(jié)流ThrottlingValves管道閥門制冷空調(diào)膨脹閥、毛細(xì)管管道閥門制冷空調(diào)裝置絕熱節(jié)流絕熱節(jié)流過程，前后h不變，但h不是處處相等h1h2沒有作功部件絕熱第二章討論課Discussion1、本質(zhì)：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律=進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)內(nèi)部儲(chǔ)存能量的變化-一、概念第二章討論課(一、概念)

2、熱力學(xué)第一定律表達(dá)式和適用條件任何工質(zhì)，任何過程任何工質(zhì)，準(zhǔn)靜態(tài)過程任何工質(zhì)，任何穩(wěn)流過程或忽略動(dòng)、位能變化第二章討論課(一、概念)

3、準(zhǔn)靜態(tài)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討論課(一、概念)

4、u與h

U,H

廣延參數(shù)u,

h

比參數(shù)

U

系統(tǒng)本身具