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第二节 热力学第一定律

第二节 热力学第一定律. The First Law of Thermodynamics. §2-2 热力学第一定律的本质. 本质： 能量 转换 及 守恒 定律 在热过程中的应用.  1909 年， C. Caratheodory 最后完善热一律.  18 世纪初，工业革命，热效率只有 1%.  1842 年， J.R. Mayer 阐述热一律，但没有 引起重视.  1840-1849年 ， Joule 用多种实验的一致性 证明热一律，于 1950 年发表并得到公认. 闭口系循环的热一律表达式. 要想得到 功 ，必须化费 热能 或 其它能量.

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第二节 热力学第一定律

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Presentation Transcript

  1. 第二节热力学第一定律 The First Law of Thermodynamics

  2. §2-2 热力学第一定律的本质 本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用 1909年，C. Caratheodory最后完善热一律 18世纪初，工业革命，热效率只有1% 1842年，J.R. Mayer阐述热一律，但没有 引起重视 1840-1849年，Joule用多种实验的一致性 证明热一律，于1950年发表并得到公认

  3. 闭口系循环的热一律表达式 要想得到功，必须化费热能或其它能量 热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的” Perpetual –motion machine of the first kind

  4. Perpetual –motion machine of the first kind Q 汽轮机 电加热器 锅 炉 Wnet 发电机 凝汽器 Qout 给水泵

  5. 内能 Internal energy 内能的导出 闭口系循环

  6. 内能的导出 对于循环1a2c1 p 1 b a 对于循环1b2c1 c 2 V 状态参数

  7. 内能及闭口系热一律表达式 定义 dU = Q- W 内能U状态函数 Q =dU+W Q = U+W 闭口系热一律表达式 ！！！两种特例绝功系 Q=dU绝热系 W = -dU

  8. 内能U 的物理意义 dU = Q- W  W  Q dU代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。 U 代表储存于系统内部的能量 内储存能（内能、热力学能）

  9. 内能的微观组成 microscopic forms of internal energy 移动 translation  分子动能 分子位能 binding forces 化学能 chemical energy 核能 nuclear energy 转动 rotation 振动 vibration  内能

  10. 系统总能 total energy 外部储存能macroscopic forms of energy 宏观动能 kineticEk= mc2/2 宏观位能 potentialEp= mgz 机械能 系统总能 E=U+Ek+ Ep e=u+ ek+ep 一般与系统同坐标，常用U, dU, u, du

  11. 内能的说明  内能是状态量 state property • U :广延参数 [ kJ ] • u :比参数[kJ/kg]  内能总以变化量出现，内能零点人为定

  12. - 进入系统的能量 离开系统的能量 系统内部储存能量的变化 = Total energy entering the system Total energyleavingthe system Change in the total energy of the system - = 热一律的文字表达式 热一律: 能量守恒与转换定律

  13. 闭口系能量方程 Energy balance for closed system 一般式  W Q= dU+W Q= U+W q=du+wq=u+w 单位工质 适用条件：1）任何工质2) 任何过程

  14. 闭口系能量方程中的功 q= du+w 功（w）是广义功Generalized Work  闭口系与外界交换的功量 准静态容积变化功 pdv 拉伸功 w拉伸= -dl 表面张力功 w表面张力= - dA w=pdv-dl- dA+…...

  15. 闭口系能量方程的通式 q= du+w

  16. 准静态和可逆闭口系能量方程 简单可压缩系准静态过程 w = pdv q=du+pdv 热一律解析式之一 q=  u+ pdv 简单可压缩系可逆过程  q = Tds Tds = du + pdv 热力学恒等式 Tds =  u +  pdv

  17. 门窗紧闭房间用电冰箱降温 绝热闭口系 以房间为系统 闭口系能量方程 Refrigerator Icebox 电冰箱 T

  18. 门窗紧闭房间用空调降温 闭口系 以房间为系统 闭口系能量方程 Air-conditioner 空调 Q T

  19. 开口系能量方程 Energy balance for open system min 能量守恒原则 进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统储存能量的变化 uin Wnet gzin mout uout Q gzout

  20. 开口系能量方程的推导 min uin gzin Wnet 这个结果与实验不符 mout uout gzout 少了推进功 Q Q+min(u+c2/2+gz)in -mout(u+c2/2+ gz)out-Wnet=dEcv

  21. 推进功的表达式 A 推进功（流动功、推动功） Flow work p p V W推 =pAdl=pV w推=pv dl 注意： 不是pdv v 没有变化

  22. 对推进功的说明 1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化 3、w推＝pv与所处状态有关，是状态量 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量 可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量

  23. 开口系能量方程的推导 uin pvin min gzin Wnet mout uout Q pvout gzout Q+min(u+c2/2+gz)in -mout(u+c2/2+ gz)out-Wnet=dEcv

  24. 开口系能量方程微分式 Q+min(u+pv+c2/2+gz)in -Wnet -mout(u+pv+c2/2+ gz)out=dEcv 工程上常用流率

  25. 开口系能量方程微分式 当有多条进出口： 流动时，总一起存在

  26. 焓Enthalpy的引入 定义：焓h= u+pv h h 开口系能量方程

  27. 焓Enthalpy的 说明 定义：h=u+pv [ kJ/kg ] H=U+pV [ kJ ] 1、焓是状态量 state property 2、H为广延参数H=U+pV=m(u+pv)= mh h为比参数 3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功)对静止工质，焓不代表能量 4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决 于热力状态的能量。

  28. 稳定流动能量方程 Energy balance for steady-flow systems min 稳定流动条件 uin 1、 Wnet gzin 2、 mout 3、 uout 轴功Shaft work Q 4、 每截面状态不变 gzout

  29. 稳定流动能量方程的推导 稳定流动条件 0

  30. 稳定流动能量方程的推导 1kg工质

  31. 稳定流动能量方程 Energy balance for steady-flow systems 适用条件： 任何流动工质 任何稳定流动过程

  32. 技术功 Technical work 动能 位能 轴功 机械能 工程技术上可以直接利用

  33. 单位质量工质的开口与闭口 闭口系(1kg) ws 容积变化功 等价 q 技术功 稳流开口系

  34. 稳流开口与闭口的能量方程 闭口 等价 稳流开口 容积变化功w 技术功wt 几种功的关系？ 轴功ws 推进功(pv)

  35. 几种功的关系 △ c2/2 g△z wt ws ws w 做功的根源 △(pv)

  36. 对功的小结 1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功w 2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws 3、一般情况下忽略动、位能的变化 wswt

  37. 准静态下的技术功 准静态 热一律解析式之一 准静态 热一律解析式之二

  38. 技术功在示功图上的表示

  39. 机械能守恒 对于流体流过管道， 机械能守恒 压力能动能位能 柏努利方程 Bernoulli’s equation

  40. 稳定流动能量方程应用举例

  41. 例1：透平(Turbine)机械 火力发电 核电 蒸汽轮机 Steam turbine 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 燃气机

  42. 透平(Turbine)机械 1)体积不大 2）流量大 3）保温层 q0 ws = -△h =h1 -h2>0 输出的轴功是靠焓降转变的

  43. 例2：压缩机械 Compressor 火力发电 核电 水泵 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 压气机 制冷 空调 压缩机

  44. 压缩机械 1)体积不大 2）流量大 3）保温层 q0 ws = -△h =h1 -h2<0 输入的轴功转变为焓升

  45. 例3：换热设备Heat Exchangers 火力发电： 锅炉、凝汽器 核电： 热交换器、凝汽器 制冷 空调 蒸发器、冷凝器

  46. 换热设备 h2 h1 没有作功部件 热流体 h2’ 冷流体 h1’ 热流体放热量： 焓变 冷流体吸热量：

  47. 例4：绝热节流Throttling Valves 管道阀门 制冷 空调 膨胀阀、毛细管

  48. 绝热节流 h1 h2 没有作功部件 绝热 绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等

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