工程熱力學(xué)多媒體課建章張

工程熱力學(xué)多媒體課建章張第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六2-2熱力學(xué)能和總能一、熱力學(xué)能物質(zhì)內(nèi)部擁有的能量稱為熱力學(xué)能，其組成是：內(nèi)動(dòng)能（分子平移，旋轉(zhuǎn)，振動(dòng)）內(nèi)位能（分子間作用力）化學(xué)能（維持一定的分子結(jié)構(gòu)）原子能（原子核內(nèi)部）如果無化學(xué)反應(yīng)，無核反應(yīng)，熱力學(xué)能U＝內(nèi)動(dòng)能＋內(nèi)位能1kg物質(zhì)的熱力學(xué)能稱比熱力學(xué)能u，單位是J/kg。熱力學(xué)能是熱力狀態(tài)的單值函數(shù)，它與路徑無關(guān)，是狀態(tài)參數(shù)。

u=f（T，v）；u=f（T，p）；u=f（p，v）（2-1）第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六一、熱力學(xué)能的性質(zhì)分子動(dòng)能分子位能（相互作用）核能化學(xué)能熱力學(xué)能

U:

廣延參數(shù)，單位[J]

u:

比參數(shù)，單位[J/kg]

熱力學(xué)能總以相對(duì)量出現(xiàn)，熱力學(xué)能零點(diǎn)由人為而定。說明：移動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能振動(dòng)動(dòng)能第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六二、總能工質(zhì)的外部?jī)?chǔ)存能工質(zhì)的總能：熱力學(xué)能+宏觀動(dòng)能及位能

E=

U

+

Ek

+Ep

（2-2）

E=

U

+

mcf2/2+mgz

（2-3）1kg工質(zhì)的總能，即比總能為e=u+

cf2/2+gz

（2-4）宏觀動(dòng)能Ek=mcf2/2宏觀位能Ep=mgz機(jī)械能宏觀動(dòng)能與內(nèi)動(dòng)能的區(qū)別圖2-1系統(tǒng)的宏觀動(dòng)能與內(nèi)動(dòng)能總能外部?jī)?chǔ)存能宏觀動(dòng)能宏觀位能熱力學(xué)能，內(nèi)部?jī)?chǔ)存能第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六2-3能量的傳遞和轉(zhuǎn)化一、作功和傳熱能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體可有兩種方式：作功；傳熱。1.作功來傳遞能量總是和物體的宏觀位移有關(guān)，如下圖1-13所示：物體的宏觀位移伴隨著能量形態(tài)的變化作功特點(diǎn)“作功”是系統(tǒng)與外界間的一種相互作用，是越過邊界的能量交換。功是指作功過程中傳遞能量的總稱，一旦過程結(jié)束就再無所謂“功”了。p△W12mndVFdxV第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六

2.用傳熱來傳遞能量不需要物體的宏觀位移。傳熱是系統(tǒng)與外界之間依靠溫差進(jìn)行的一種能量傳遞現(xiàn)象，所傳遞的能量稱為熱量。在自然界，總是高溫物體把能量傳遞給低溫物體，傳遞能量用熱量來度量。熱量符號(hào)規(guī)定：系統(tǒng)從外界吸熱為正；向外界放熱為負(fù)。3.熱能和熱量不是同一個(gè)概念溫差雖然是傳熱過程的推動(dòng)勢(shì)差，但系統(tǒng)溫度的變化與傳熱并無必然的聯(lián)系。不能由此判斷出系統(tǒng)是否曾經(jīng)吸熱或放熱。熱能是微觀粒子無序雜亂運(yùn)動(dòng)的能量。傳熱第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六二、推動(dòng)功和流動(dòng)功

工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功叫推動(dòng)功。見下圖2-2（a），當(dāng)工質(zhì)流入汽缸推動(dòng)活塞移動(dòng)距離△l，所作的功為pA*△l=pV，比體積v=V/m，

pA*△l=pV=mpv。1kg工質(zhì)的推動(dòng)功

=pv。如圖2-2中矩形面積所示。

圖2-2推動(dòng)功第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六1、推動(dòng)功(flowwork;flowenergy)推動(dòng)功：工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功叫推動(dòng)功。pvp1v11o二、推動(dòng)功和流動(dòng)功第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六對(duì)推動(dòng)功的說明1、與宏觀流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)停止，推動(dòng)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、1kg工質(zhì)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，而由外界做出的，是流動(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)所攜帶和所傳遞的一種能量。第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六流動(dòng)功：系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動(dòng)所需的功。流動(dòng)功定義：開口系統(tǒng)的推出功與推進(jìn)功之差。是系統(tǒng)維持流動(dòng)所花費(fèi)的代價(jià)。

推動(dòng)功在p-v圖上的表示：

流動(dòng)功(flowwork;flowenergy)第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六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?jī)烧咧钪?，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)能、熱力學(xué)能）WQ焓的定義：H=U+pV[J]（2-5）1kg工質(zhì)的焓稱為比焓：

h=u+pv[J/kg]（2-6）1、焓是狀態(tài)參數(shù)，與達(dá)到這一狀態(tài)的路徑無關(guān)。熱力學(xué)能U的物理意義：

dU

=

Q

-

W2-4焓（Enthalpy)第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六2-4焓（Enthalpy)

2、焓H為廣延參數(shù)

H=U+pV=

m(u+pv)=mhu+pv的合并出現(xiàn)不是偶然的。u是1kg工質(zhì)的熱力學(xué)能，

pv是1kg工質(zhì)的推動(dòng)功。3、對(duì)流動(dòng)工質(zhì)，焓代表能量(內(nèi)能+推動(dòng)功)。

對(duì)靜止工質(zhì)，焓不代表能量。4、焓的物理意義：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。

第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六

熱力學(xué)第一定律的能量方程式就是系統(tǒng)變化過程的能量平衡方程式。根據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律，熱力學(xué)第一定律的文字表達(dá)式:進(jìn)入系統(tǒng)的能量總和－離開系統(tǒng)的能量總和=系統(tǒng)總儲(chǔ)存能的增量（2-9）EE+dE流入：流出：內(nèi)部貯能的增量：dE2-5熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式它適用于任何過程和任何工質(zhì)的熱力系統(tǒng)。第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六§2-5熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中貯存能量的增加量（2-9）它適用于任何過程和任何工質(zhì)的熱力系統(tǒng)。1.閉口系的能量方程：

Q-W=U=U2–U1Q=U+W（2-10）

(輸入)（貯增）（輸出）對(duì)于一個(gè)微元過程，第一定律的解析式的微分形式：Q=dU+W（2-11）對(duì)于1kg工質(zhì)，有

q=u+w（2-12）q=du+w（2-13）規(guī)定：系統(tǒng)吸熱Q為正，系統(tǒng)對(duì)外作功為正，反之則為負(fù)。系統(tǒng)的熱力學(xué)能增大時(shí)，U為正，反之則為負(fù)。WQ第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六

可逆過程的能量方程對(duì)可逆過程，有W=p*dV，所以Q=

dU+

pdV，

Q=U+

21pdV

（2-14）q

=

du

+

pdv，

q=u+

21pdv（2-15）簡(jiǎn)單可壓縮系的可逆過程僅存在容積功。閉口系循環(huán)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式

（2-16）要想得到功，必須花費(fèi)熱能或其它能量。第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六熱力學(xué)能及閉口系熱力學(xué)第一定律表達(dá)式

dU=

Q

-

W

熱力學(xué)能U

—

狀態(tài)函數(shù)Q

=

dU

+

WQ

=

U

+

W閉口系熱力學(xué)第一定律表達(dá)式兩種特例：Q

=

dU

絕熱系統(tǒng)絕功系統(tǒng)W

=-

dU第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六例題自由膨脹如圖，解：取氣體為熱力系

—閉口系？開口系？強(qiáng)調(diào)：功是通過邊界傳遞的能量。抽去隔板，求?第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六歸納熱力學(xué)解題思路1）取好熱力系;2）計(jì)算初、終態(tài);3）兩種解題思路從已知條件逐步推向目標(biāo)從目標(biāo)反過來缺什么補(bǔ)什么4）不可逆過程的功可嘗試從外部參數(shù)著手。第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六

實(shí)際熱力設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換過程復(fù)雜，為簡(jiǎn)化問題,做4個(gè)假定：假定控制容積形狀、大小、空間位置均不隨時(shí)間改變?！蚨y(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的總能時(shí)，不考慮系統(tǒng)整體的外觀能量，但要計(jì)算流體的流動(dòng)動(dòng)能，重力位能以及熱力學(xué)能。假定系統(tǒng)除與外界有物質(zhì)流交換，在沒有質(zhì)量流穿越的邊界上，還可以有傳熱和作功的相互作用。假定進(jìn)口、出口截面上存在局部平衡條件。假定流動(dòng)為一元流動(dòng)——僅在沿流動(dòng)的方向上才有參數(shù)的變化?！?-6開口系統(tǒng)能量方程式第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六一、開口系的能量方程

依據(jù)：能量守恒原則進(jìn)入系統(tǒng)能量-離開系統(tǒng)能量=系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的增加

（2-9）minmoutWiQuinuoutgzingzout第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六一、開口系能量方程第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六2-182-192-202-182-20)第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六二、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程

在流動(dòng)過程中，開口系統(tǒng)（包括進(jìn)、出口截面上）各點(diǎn)工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及流動(dòng)情況（流速、流向）不隨時(shí)間變化時(shí)，稱為穩(wěn)定流動(dòng)過程。

1、系統(tǒng)各截面狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化2、系統(tǒng)與外界的能量交換不隨時(shí)間變化3、系統(tǒng)自身能量貯存與質(zhì)量貯存不隨時(shí)間變化穩(wěn)定流動(dòng)的必要條件為minWiQmoutuinuoutgzingzout∑qm，in=∑qm，out在只有單股流體進(jìn)出時(shí)：q

m1=q

m2=q

m第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六穩(wěn)定流動(dòng)能量方程將以上條件代入式（2-20），并用qm

除式（2-20），有i（2-21）式中，q和wi分別是1kg工質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)后，系統(tǒng)從外界吸入的熱量和在機(jī)器內(nèi)部作的功。當(dāng)min=mout=m，穩(wěn)定流動(dòng)能量方程可寫為

Q=△H+m△cf2+mg△z+Wi

（2-23）式(2-21)-(2-24)是據(jù)能量守恒定理在穩(wěn)定條件導(dǎo)出,其適用條件：任何穩(wěn)定流動(dòng)過程的任何流動(dòng)工質(zhì)。fqm1=qm2=qm第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)1kg工質(zhì)穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的能量方程iiiii第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的分析if將△h=△u+△（pv）代入上式，有：（2-21）工質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能工質(zhì)在過程中的容積變化功fi上式說明，工質(zhì)在狀態(tài)變化過程中從熱能轉(zhuǎn)變而來的機(jī)械能

=容積變化的膨脹功（2-25）第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六穩(wěn)定流動(dòng)能量方程分析技術(shù)功wtif（2-21）技術(shù)功ifwt=（2-26）由式（2-25）并考慮q－△u=w，則wt=w-△（pu）=w-（p2u2–p1u1）（2-27）第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六技術(shù)功在示功圖上的表示對(duì)可逆過程：wt=2211（2-28）51265123415140562306圖2-5技術(shù)功的表示在微元過程中Wi=-vdp（2-29）65dp第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六穩(wěn)流開口與閉口的能量方程容積變化功w技術(shù)功wt引入技術(shù)功wt(2-16)式為:

穩(wěn)流開口系等價(jià)工質(zhì)對(duì)機(jī)器作的功wi推動(dòng)功(pv)幾種功的關(guān)系？閉口系（2-21）1kg工質(zhì)的：(2–12)wwt△(pv)c2/2wig△z做功根源第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六能量轉(zhuǎn)換關(guān)系分析穩(wěn)流開口系閉口系兩種過程中消失了的熱能數(shù)量上都等于（q－u）任何情況下，熱力過程造成的熱變功效果只是（q－u），即過程功工質(zhì)的過程功是熱變功的根源i第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六幾種功的關(guān)系wwt△(pv)c2/2wig△z做功的根源wii技術(shù)功工質(zhì)對(duì)機(jī)器作的功第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六過程功和有用功的概念過程功：按照系統(tǒng)在熱力過程中的狀態(tài)變化而應(yīng)該作出的功。系統(tǒng)的過程功中通?？煞譃橛杏霉蜔o用功的兩個(gè)部分。對(duì)大氣所作的任何功是無用的，克服摩擦所作的功都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚蚨彩菬o用的。設(shè)備從轉(zhuǎn)軸上傳出的軸功，提升重物所作的機(jī)械功，以及工質(zhì)本身的宏觀動(dòng)能和重力位能的增加（可以利用相關(guān)機(jī)械設(shè)備進(jìn)一步使之轉(zhuǎn)變?yōu)檩S功等機(jī)械功）都屬于系統(tǒng)所作的有用功。有用功：技術(shù)上有用的，可以輸給功源的功。功源：一種可以向熱力系作功或從熱力系統(tǒng)接受功的外界物體或裝置。第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六【例2-2】已知新蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)時(shí)的焓h1=3232kJ/kg，流速cf1=50m/s，乏汽流出汽輪機(jī)時(shí)的焓h2=2302kJ/kg，流速cf2=120m/s。忽略熱損失和位能差。若蒸汽流量qm為10t/h，試求：(1)汽輪機(jī)的功率；

(2)忽略散熱損失（q=0）和蒸汽進(jìn)、出口動(dòng)能變化引起的計(jì)算誤差。

解：（1）因蒸汽在汽輪機(jī)中的流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng)，可根據(jù)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程式進(jìn)行求解。第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六【例2-2】而蒸汽在汽輪機(jī)中絕熱膨脹，并且，其進(jìn)出口的高度差可近似看作等于零，因此可得：if解