高職工程熱力學(xué)課件03熱力學(xué)第一定律VIP

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第三章

熱力學(xué)第一定律

firstlawofthermodynamics2

前言

熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)1.第一定律的實(shí)質(zhì)：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的應(yīng)用。

2.第一定律的表述：

熱是能的一種，機(jī)械能變熱能，或熱能變機(jī)械能的時(shí)候，他們之間的比值是一定的。

3

3.1

熱力學(xué)能（內(nèi)能）和總能1.內(nèi)能(internalenergy)Uch

Unu

Uth

UkE

平移動能

轉(zhuǎn)動動能

振動動能UpE—

2.

總（儲存）能(total

stored

energy

of

system)總能熱力學(xué)能，內(nèi)部儲存能外部儲存能宏觀動能宏觀位能4

3.熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)

測量p，V，T可求出4.

熱力學(xué)能單位

5.

工程中關(guān)心的是5

3.2

系統(tǒng)與外界傳遞的能量1、熱量

heat2、功量work

膨脹功expansionwork

軸功

shaftwork6

4、

熱量--heat定義：僅僅由于溫差而

通過邊界傳遞的能量。符號約定：系統(tǒng)吸熱“+”；

放熱“-”

單位：

計(jì)算式及狀態(tài)參數(shù)圖熱量是過程量（T-s圖上）表示7

功work:當(dāng)系統(tǒng)和外界有壓差時(shí)，系統(tǒng)通過邊界和外界傳遞的能量。功可以用p-v圖上過程線與v軸包圍的面積表示功量是過程量8

熱量與功的異同：

1.通過邊界傳遞的能量；

3.功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標(biāo)志；

熱量傳遞由溫差推動，比熵變化是傳熱的標(biāo)志；

4.功是物系間通過宏觀運(yùn)動發(fā)生相互作用傳遞的

能量；

熱是物系間通過紊亂的微粒運(yùn)動發(fā)生相互作用

而傳遞的能量。功2.過程量；熱是無條件的；熱功是有條件、限度的。9

3、流動功：系統(tǒng)維持流動

所花費(fèi)的代價(jià)。

推動功在p-v圖上：10

4、焓(enthalpy)定義：H=U+pV

h=u+pv

單位：J（kJ）J/kg（kJ/kg）焓是狀態(tài)參數(shù)

物理意義：引進(jìn)或排出工質(zhì)而輸入或排出系統(tǒng)的總能量。11

3.3

閉口系基本能量方程式—

熱力學(xué)第一定律基本表達(dá)式

加入系統(tǒng)的能量總和—熱力系統(tǒng)輸出的能量總和=熱力系總儲存能的增量12

3.3

閉口系基本能量方程式—

熱力學(xué)第一定律基本表達(dá)式忽略宏觀動能Uk和位能Up，可得：第一定律第一解析式—熱功的基本表達(dá)式13

討論：

2）對于可逆過程3）對于定量工質(zhì)吸熱與升溫關(guān)系，還取決于W的

“+”，“–”，大小。

1）14

例

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?如圖，氣缸內(nèi)充以空氣，活塞及負(fù)載195kg，缸壁充分導(dǎo)熱，取走100kg負(fù)載，待平衡后，求：（1）活塞上升的高度（2）氣體在過程中作的功，已知解：取缸內(nèi)氣體為熱力系—閉口系。首先計(jì)算狀態(tài)1及2的參數(shù)：分析：突然取走100kg負(fù)載，氣體失去平衡，振蕩后最終建立新的平衡。雖不計(jì)摩擦，但由于非準(zhǔn)靜態(tài)，故過程不可逆，但仍可應(yīng)用第一定律解析式。過程中質(zhì)量m不變據(jù)由于m2=m1

？不可逆外力注意：活塞及其上重物位能增加向上移動了5cm，因此體系對外力作功且T2=T119

三、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程

(steady-flow

energy

equation)

穩(wěn)定流動：是指熱力系統(tǒng)在任意截面上工質(zhì)的一切參數(shù)都不隨時(shí)間變化注意：區(qū)分各截面間參數(shù)可不同。說明工質(zhì)在流動過程中不隨時(shí)間改變不發(fā)生能量形式轉(zhuǎn)化工質(zhì)只在流動時(shí)才產(chǎn)生工質(zhì)的流動過程只有轉(zhuǎn)化為機(jī)械能21

三、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程

(steady-flow

energy

equation)

穩(wěn)定流動條件：1）進(jìn)出口處工質(zhì)狀態(tài)不隨時(shí)間變化。2）進(jìn)出口處工質(zhì)流量相等，且不隨時(shí)間改變。滿足質(zhì)量守恒.3）系統(tǒng)與外界交換的熱量與功量不隨時(shí)間改變，滿足能量守恒23

流入系統(tǒng)的能量:流出系統(tǒng)的能量:系統(tǒng)內(nèi)部儲能增量:

ΔECV

–=考慮到穩(wěn)流特征：

ΔECV=0qm1=qm2=qm;及h=u+pv

有

說明對穩(wěn)定流動的工質(zhì)加入熱量，可能產(chǎn)生的結(jié)果是改變工質(zhì)內(nèi)能、動能、位能或三相同時(shí)發(fā)生變化。供給工質(zhì)克服阻力而作流動凈功和對外輸出功。使用范圍：

任何過程任何工質(zhì)25

穩(wěn)定能量方程式分析與討論：1）改寫（B）為（C）熱能轉(zhuǎn)變

成功部分輸出軸功流動功機(jī)械能增量（C）（A）26

2）技術(shù)功(technical

work)—

由（C）技術(shù)上可資利用的功

wt27

3)第一定律第二解析式a)通過膨脹，由熱能

b)第一定律兩解析式可相互導(dǎo)出，但只有在開系中

能量方程才用焓。把wt的概念代入（B）式，可得第一定律第二解析式

4）兩個(gè)解析式的關(guān)系功，w=q–Δu總之：28

四、穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用1.蒸汽輪機(jī)、氣輪機(jī)

(steam

turbine、gas

turbine)

流進(jìn)系統(tǒng)：

流出系統(tǒng)：內(nèi)部儲能增量：

0工質(zhì)在動力機(jī)中所作的軸功等于工質(zhì)的焓降2、壓氣機(jī)compressorsandpumps

工質(zhì)在壓氣機(jī)中絕熱壓縮所消耗的軸功等于壓縮工質(zhì)焓的增加30

3、換熱器（鍋爐、加熱器等）(heat

exchanger:

boiler、heater)在鍋爐等換熱設(shè)備中，工質(zhì)吸收的熱量等于工質(zhì)焓的增加4、噴管NozzlesandDiffusers

在噴管中氣流動能增量等于工質(zhì)焓降33

5、混合流6、絕熱節(jié)流ThrottlingDevices(adiabaticprocess)

絕熱節(jié)流前、后焓相等，及能量數(shù)量相等，但需要指出，由于在節(jié)流孔口附近流體的流速變化很大，焓值并不處處相等，不能把整個(gè)過程看作是定焓過程。35

7、管內(nèi)流動流入：流出：內(nèi)增：

036

歸納熱力學(xué)解題思路1、仔細(xì)審題，掌握已知條件，根據(jù)題意畫出物理模型，2、取好熱力系統(tǒng)3、區(qū)分工質(zhì)，根據(jù)工質(zhì)性質(zhì)的不同確定描述工質(zhì)參的方法4、畫熱力學(xué)圖，結(jié)合題意在熱力學(xué)圖上畫出相應(yīng)的狀態(tài)點(diǎn)、過程線，明確過程的特征，確定參數(shù)關(guān)系。5、質(zhì)量守恒6、能量守恒

運(yùn)用熱一律分析問題時(shí)，經(jīng)常用到一些假設(shè)和規(guī)律1、向真空膨脹的膨脹功為零。2、流速較快的過程可按絕熱處理。3、除噴管和擴(kuò)壓管外，動能位能的變化常忽略。4、過程進(jìn)行緩慢時(shí)，可認(rèn)為系統(tǒng)和外界隨時(shí)處于熱平衡。0.1MPa，20℃的空氣在壓氣機(jī)中絕熱壓縮升壓升溫后導(dǎo)入換熱器排走部分熱量后再進(jìn)入噴管膨脹到0.1MPa20℃。噴管出口截面積A=0.0324m2氣體流速cf2=300m/s已知壓氣機(jī)耗功率710kW，問換熱器中空氣散失的熱量。解：對CV列能量方程流入：流出：內(nèi)增：0或穩(wěn)定流動能量方程黑箱技術(shù)據(jù)題義，

有一臺穩(wěn)定工況下運(yùn)行的水冷式壓縮機(jī)，運(yùn)行參數(shù)如附圖所示。設(shè)空氣的比熱容cp=1.003kJ/(kg·K),水的比熱容cw=4.187kJ/(kg·K)。若不計(jì)壓氣機(jī)向環(huán)境的散熱損失以及動能差及位能差，試確定驅(qū)動該壓氣機(jī)所需的功率。[已知空氣的焓差h2-h1=cp(T2-T1)]取控制體為壓氣機(jī)（但不包括水冷部分）考察能量平衡解：流入：

流出：內(nèi)增：0？若取整個(gè)壓氣機(jī)（包括水冷部分）為系統(tǒng)，忽略動能差及位能差則：流入：流出：內(nèi)增0？查水蒸氣表得本題說明：

1）同一問題，取不同熱力系，能量方程形式不同。

2）熱量是通過邊界傳遞的能量，若發(fā)生傳熱兩物體同在一體系內(nèi)，則能量方程中不出現(xiàn)此項(xiàng)換熱量。

3）黑箱技術(shù)不必考慮內(nèi)部細(xì)節(jié)，只考慮邊界上交換及狀況。

4）不一定死記能量方程，可從第一定律的基本表達(dá)出發(fā)。充氣問題解：取A為CV.——容器剛性絕熱忽略動能差及位能差，則

若容器A為剛性絕熱初態(tài)為真空，打開閥門充氣，使壓力p2=4MPa時(shí)截止。若空氣u=0.72T求容器A內(nèi)達(dá)平衡后溫度T2及充入氣體量m。非穩(wěn)定開口系由或流入：hinδmin

流出：0

內(nèi)增：uδm討論：是否不計(jì)及cfin？否，即使cfin達(dá)當(dāng)?shù)匾羲伲═=303K時(shí)，c=349m/s），也僅能使空氣升溫85℃，1）非穩(wěn)態(tài)流動問題可用一般能量方程式也可用基本原則。在一些條件下，后者常更方便。2）能量方程中若流體流出、入系統(tǒng)，物質(zhì)能量用h，

若不流動用u。3）t2=150.84℃>>30℃？說明是推動功轉(zhuǎn)換成熱力學(xué)能—即使向真空系統(tǒng)輸送，也需要推動功！充氣問題（延伸）解：方法一取氣罐為系統(tǒng)?？紤]一股流體流入，無流出已知儲氣罐中原有的空氣質(zhì)量m1，熱力學(xué)能u1，壓力p