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1、第二章 热力学第一定律,The First Law of Thermodynamics,南京航空航天大学 能源与动力学院 2013,教学要求,正确认识各种不同形式能量的能力 掌握体积变化功、推动功、轴功和技 术功的概念及计算式 根据实际问题建立具体能量方程的能 力和利用能量方程进行分析计算能力,2-1 热力学第一定律,来源：,19世纪30-40年代，迈耶，焦耳等发现并确定了能量转换与守恒定律。恩格斯将这列为19世纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。 能量转换与守恒定律定律指出：一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能
2、量的总量恒定不变。,能量转换与守恒定律,认识个别、特殊能量 机械能、电能、磁能等有序能的守恒 热现象不是一个独立的现象， 其它形式的能量都最终转化为热能,热力学第一定律的本质, 1909年，C. Caratheodory最后完善热一律,本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用, 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,焦耳实验,1、重物下降，输 入功，绝热容 器内气体 T ,2、绝热去掉，气 体 T ，放出 热给水，T 恢复 原温。,热功当
3、量 1 cal = 4.1868 kJ,在工程热力学的范围内，主要考虑热能与机械能之间的相互转换与守恒，因此热力学第一定律可表述为：热可以变为功，功也可以变为热，在相互转变时能的总量是不变的。,热力学第一定律的表达,热指的是什么？是热量吗？,热能又是什么？,能量是物质运动的度量，运动有各种不同的形态，相应的就有各种不同的能量。 系统储存的能量称为储存能，它有内部储存能与外部储存能之分。系统的内部储存能即为热力学能,系统的能量,定义 系统内部各种形式能量的总和称为系统的热力学能，简称为内能 U。单位质量的热力学能称为比内能 u。 单位： J/kg、kJ/kg,2-2 热力学能（内能）,Inter
4、nal energy,内能的组成,热力学能是储存在系统内部的能量，是下列各种能量的总和： 分子热运动形成的内动能。它是温度的函数。 分子间相互作用形成的内位能。它是比体积和温度的函数。 维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子能及电磁场作用下的电磁能等。,内能的组成,分子动能 分子位能 binding forces 化学能 chemical energy 核能 nuclear energy,内能,microscopic forms of energy,移动 translation,转动 rotation,振动 vibration,内能是状态参数，是热力状态的单值函数：,热力学内能性质,内能总
5、以变化量出现，内能零点人为定,需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的宏观动能和重力位能：,重力位能：,宏观动能：,外部储存能,定义,macroscopic forms of energy,系统总能 total energy,外部储存能macroscopic forms of energy,宏观动能 kinetic Ek= mc2/2 宏观位能 potential Ep= 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,思 考,宏观动能和内动能的区别？,热力学第一定律
6、基本表达式,加入系统的能量总和热力系统输出的能量总和 = 热力系总储存能的增量,2-3 热力学第一定律导出,加入系统的能量总和热力系统输出的能量总和= 热力系总储存能的增量,如果是闭口系，如何简化？,闭口系统的热一律基本表达式,闭口系，,忽略宏观动能Uk和位能Up，,第一定律第一解析式,功的基本表达式,热,闭口系统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,试利用热力学第一定律推出内能这个概念，并且证明其为状态参数？,思 考,内能的导出,对于循环1a2c1,对于循环1b2c1,状态参数,内能及闭口系热一定律,定义 dU = Q - W 内能U 状态函数,！两种特例 绝功系 Q =
7、dU 绝热系 W = - dU,内能U 的物理意义,dU = Q - W,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（又称为内能、热力学能）,热一定律总结,热一定律: 体现了能量在数量上的守恒,2-4 闭口系能量方程, W, Q,一般式,Q = dU + W Q = U + W,q = du + w q = u + w,单位工质,适用条件： 1）任何工质 2) 任何过程 3）忽略了系统动能和势能变化,Energy balance for closed system,闭口系能量方程中的功,功 （ w） 是广义
8、功 闭口系与外界交换的功量,q = du + w,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 +.,闭口系能量方程的通式,q = du + w,若在地球上研究飞行器 q = de + w = du + dek + dep + w,工程热力学用此式较少,闭口系经历准静态和可逆过程,简单可压缩系准静态过程,w = pdv,简单可压缩系可逆过程, q = Tds,q = du + pdv,q = u + pdv,热一律解析式之一,Tds = du + pdv, Tds = u + pdv,热一律解析式之一,思 考,利用
9、闭口系统的热一定律，分析下列两种方法的可行性： 1）打开冰箱的门，使整个房间内空气的温度降低； 2）打开空调，使整个房间内空气的温度降低； 假设房间为闭口系统，空气的温度随内能变大而单调增加。,门窗紧闭房间用电冰箱降温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程,T,电冰箱,Refrigerator Icebox,门窗紧闭房间用空调降温,以房间为系统,闭口系,闭口系能量方程,T,空调,Q,Air-condition,习 题,如何设定系统？ 同外界之间发生何种作用？,归纳热力学解题思路,1）取好热力系; 2）计算初、终态; 3）两种解题思路,从已知条件逐步推向目标,从目标反过来缺什么补什么,4）不
10、可逆过程的功可尝试从外部参数着手。, 2-5 开口系能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,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,Energy balance for open system,推动功的引入,推动功:工质在开口系统中流动而传递的功。,在作推动功时，工质的状态没有改变（如图中的C点），因此推动功不会来自系统的储存能热力学能，而是系统以外的物质，这样的物质称为外部功源。 工质在传递推动功时只是单纯地传递能量，像传输带一样，能量的形态不发生变化。,Flow work,推动功的表达式,推动功（推进功）,p,A,
11、p,V,l,W推 = p A l = pV w推= pv,注意： 不是 pdv v 没有变化,流动功（推动功之差）,工质在流动时，总是从后面获得推动功，而对前面作出推动功，进出系统的推动功之差称为流动功（也是系统为维持工质流动所需的功）。,流动功的表达式,对推进功/流动功的说明,1、与宏观流动状态有关,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，而由外界做出，流动工质所携带的能量,开口系能量方程的推导,Wnet,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2
12、 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,min,pvout,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,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,焓Enthalpy的引入,定义：焓 h = u + pv,h,h,开口系能量方程,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
13、=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，仅表示一种状态参数,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。,2-6 稳定流动能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,稳定流动条件,1、,2、,3、,轴功Shaft work,每截面状态不变,4、,Energy balance for steady-flow systems,稳定流动能量方程的推导,稳定流动条件,0,稳定流动能量方程的推导,1kg工质,稳定流动能量方程,适用条件：,任何流动工质,任何稳定流动过
14、程,Energy balance for steady-flow systems,技术功 technology work,动能,工程技术上可以直接利用,轴功,机械能,位能,单位质量工质的开口与闭口,ws,q,稳流开口系,闭口系(1kg),容积变化功,等价,技术功,稳流开口与闭口的能量方程,容积变化功w,技术功wt,闭口,稳流开口,等价,轴功ws,推进功(pv),几种功的关系？,几种功的关系,w,wt,(pv), c2/2,ws,gz,做功的根源,ws,准静态下的技术功,准静态,准静态,热一律解析式之一,热一律解析式之二,技术功在示功图上的表示,对功的小结,2、开口系，系统与外界交换的功为轴功w
15、s,3、一般情况下忽略动、位能的变化,1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功w,wswt, 2-6 稳定流动能量方程应用,热力学问题经常可忽略动、位能变化,例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kg,z1 = 0 m z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg,1bar下, 0 oC水的 h1 = 84 kJ/kg 100 oC水蒸气的 h2 = 2676 kJ/kg,例1：透平(Turbine)机械,火力发电 核电,飞机发动机 轮船发动机 移动电站,燃气轮机,蒸汽轮机,Steam turbine
16、,Gas turbine,透平(Turbine)机械,1) 体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,ws = -h = h1 - h20,输出的轴功是靠焓降转变的,例2：压缩机械 Compressor,火力发电 核电,飞机发动机 轮船发动机 移动电站,压气机,水泵,制冷 空调,压缩机,压缩机械,1) 体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,ws = -h = h1 - h20,输入的轴功转变为焓升,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,换热设备,热流体放热量：,没有作功部件,热流体,冷流体,h1,h2,
17、h1,h2,冷流体吸热量：,焓变,例4：绝热节流Throttling Valves,管道阀门,制冷 空调,膨胀阀、毛细管,绝热节流,绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等,h1,h2,没有作功部件,绝热,绝热节流是等焓过程？,例5：喷管和扩压管,火力发电,蒸汽轮机静叶,核电,飞机发动机 轮船发动机 移动电站,压气机静叶,Nozzles and Diffusers,喷管和扩压管,喷管目的：,压力降低，速度提高,扩压管目的：,动能与焓变相互转换,速度降低，压力升高,动能参与转换，不能忽略,第二章 小结 Summary,1、本质：能量守恒与转换定律,第二章 小结,通用式,2、热一律表达式：,第二
18、章 小结,稳态稳流：,dEcv / = 0,通用式,第二章 小结,闭口系：,通用式,第二章 小结,通用式,循环,dEcv = 0,out = in,第二章 小结,孤立系：,通用式,第二章 小结,3、热力学第一定律表达式和适用条件,任何工质，任何过程,任何工质，准静态过程,任何工质，任何稳流过程,第二章 小结,4、准静态下两个热力学微分关系式,适合于闭口系统和稳流开口系统,后续很多式子基于此两式,第二章 小结,5、u与 h,U, H 广延参数 u, h 比参数,U 系统本身具有的内部能量,H 不是系统本身具有的能量， 开口系中随工质流动而携带的，取 决于热力状态参数的能量,第二章 小结,6、四种功的关系,准静态下,闭口系过程,开口系过程,