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1、第二章 热力学第一定律,first law of thermodynamics,任何形式的能量，既不能消灭也不能创造，只能从一种形式转换成另一种形式，在转换过程中能量的总量保持恒定，-能量守恒转换定律。,2-1 热力学第一定律的实质,能量守恒-能源危机？,实 质,内 能,在工程热力学中，主要是热能和机械能之间的相互转化和总量守恒,热力循环中工质吸收的净热量等于工质对外所作的净功,q= W,实 质,内 能,本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用, (q W)=0,q W=du,热力学能（内 能）,q= W,实 质,内 能,2-2 热力学能,一、定义: 物体因热运动而具有的能量,是存储于物体内部
2、的能量,气体内部所具有的各种能量的总和,实 质,内 能,作功,二 、 热力学能是状态参数,U = f ( T , v ), U = f ( p , v ) , U = f ( T , p),三、表示与单位：,U 表示质量为m的气体 单位：J,KJ 。 比热力学能u ：1kg气体 单位：J/kg, KJ/kg 。,实 质,内 能,作功,2-3热力学第一定律基本能量方程式,进入系统能量离开系统能量 系统中存储能量的增加,q = du + w,Q=U+W,焓,一定律,Q=U+W,适用条件：,闭口系；可逆、不可逆； 理想和实际气体；初、终态为平衡态,符号规定：,吸热q为正，放热为负 系统对外作功为正，
3、反之为负 系统内能增大为正,反之为负,Q=H+Wt,能量方程,Q=U+W,Q=U+W,由于工质膨胀做功为正；接受外界压缩功为负，所以断定工质经历了压缩过程，外界对气体作功为34kJ.,例(习题2-4)：气体在某一过程中吸收了50kJ的热量，同时热力学能增加了84kJ，问此过程中气体做功是多少？,功是负值意味什么？,Q=H+Wt,能量方程,Q=U+W,2-4 开口系统能量方程式,一 稳定流动,1.定义：当热力系统在任何截面上工质的一切参数都不随时间变化时-稳定流动,2.稳定流动的条件： 进出口处工质的状态不随时间变化 进出口处工质不随时间变化，满足质量守恒 系统和外界交换的一切能量不随时间变化，
4、满足 能量守恒,Q=H+Wt,能量方程,Q=U+W,3.实际热机的工作过程大多可认为是稳定过程。,4.任一截面上的各种参数都不随时间改变，但各截面上参数可以不同。,Q=H+Wt,能量方程,Q=U+W,二、能量的传递和转化,能量传递的两种方式: 作功和热传递,功在传递的过程中伴随着能量形式的变化 热传递过程中能量形式不发生变化,体积功 推动功 技术功,一、作功,焓,内 能,作功,w1-2=pdv,W = p v,x,1kg工质要进入截面， 必须克服反抗力 p1 A1 ， 外界需要对工质作 推动功pv；,由于流进（出）系统的工质本身的状态并没有改变，因此推动功不是工质本身作的。 推动功只能是由流进
5、（出）系统的工质传递而由工质后面的物质系统作出的， 流进时是称之为外部功源的系统， 例如，风机、水泵等所作 流出时是开口系统内其它工质所作,例：1、气体流入真空容器，不该有推动功吧？,有,焓,内 能,功,4、技术功：,p1v1,p2v2,w,Wt=w+p1v1-p2v2,Wt:技术功 W:膨胀功 p1v1-p2v2 推动功之差,焓,内 能,功,三、焓,比焓:h=H/m = u + p v (J/kg或/kg),二、焓是状态参数,dh=0,焓,一定律,功,由于 p 、 v 、u 都是状态参数，所以焓也是工质的一个状参数。对于一定状态的工质， p 、v 、u 都有确定的值，焓的值也就随之而定。,三
6、、如何计算h？,h = u + p v,一般无法测定工质的焓和热力学能的绝对值。在热工计算中关心的是两个状态间焓的变化（h)，因此，可选取某一状态的焓值为零作为计算基准。,焓,一定律,功,u是工质本身所具有的能量，pv则是随工质流动而转移的能量，因此焓代表工质流入（出）开口系时传递的能量。,四、焓的物理意义,工程中常碰到工质连续不断流过热力设备，随工质流动而转移的能量中，取决于工质热力状态的部分是焓不是热力学能，因此焓的应用比热力学能更广泛。,h = u + p v,焓,一定律,功,五、稳定流动能量方程导出 (steady-flow energy equation),1、由稳定流动特征找出系统
7、各物理量：,1）各截面上参数不随时间变化。,2）ECV=0， qmCV=0,Q=H+Wt,Q=U+W,2、由热一定律：进入系统能量离开系统能量 系统中存储能量的增加,稳定流动，系统中存储能量的增加=0,Q=H+Wt,Q=U+W,定义：,Wt与p、v的关系及在p-v图上的表示？,Q=H+Wt,Q=U+W,Q=H+Wt,Q=U+W,六、稳定流动能量方程式的应用,1.蒸汽轮机、气轮机 (steam turbine、gas turbine),流进系统：,流出系统：,内部储能增量： 0,Q=H+Wt,Q=U+W,2、压气机，水泵类 (compressor、pump),流入,流出,Q=H+Wt,Q=U+W
8、,五、节流,h1=h2,1,1,2,2,h1,h2,Q=H+Wt,Q=U+W,h1=h2,4、管内流动,3、换热器（锅炉、加热器等）,1、蒸汽轮机、气轮机,5、节流,2、压气机，水泵类,q =h+ Wt 可逆，不可逆,q = h-12v dp 可逆,dq = d h - v d p 可逆 , 微元,Q=H+Wt 总质量,开口系,Q=H+Wt,Q=U+W,解：取气体为热力系 闭口系？开口系？,强调：功是通过边界传递的能量。,例 绝热刚性容器内自由膨胀,如图，,抽去隔板，求,?,Q=H+Wt,Q=U+W,例题,一闭口系沿acb途径由状态a变化到状态b吸入热量84kJ对外作功32kJ,如图所示: 若
9、沿途径adb变化时,对外作功10kJ,问进入系统的热量时多少? 当系统沿着曲线ba途径从b返回到初始状态a时,外界对系统作功20kJ,则系统与外界交换热量的大小和方向 若Ua=0 Ud=42kJ,过程ad和db中交换的热量又是多少?,Q=H+Wt,Q=U+W,解：,对过程a-b-c,有Uacb =Qacb -Wacb =84-32=52KJ,对过程a-d-c,有Qadb = Uadb+ Wadb =5210=62KJ,Uacb = Uadb,已知：沿acb途径由状态a变化到状态b吸入热量84kJ对外作功32kJ,求：Qadb =?,1）,由闭口系Q=U+W,Qba =？ Qba = Uba+
10、Wba Uacb = Uba,解：,Qba = Uba+ Wba=5220=72KJ,2、当系统沿着曲线ba途径从b返回到初始状态a时,外界对系统作功20kJ,则系统与外界交换热量的大小和方向？,Uacb =52KJ,Uad=Ud Ua =42KJ,Wad = Wadb=10KJ,Qad = Uad+ Wad =4210=52KJ,Udb = Uadb Uad =52-42=10KJ,Qdb= Udb =10KJ,3、若Ua=0 Ud=42kJ,过程ad和db中交换的热量又是多少?,补充题:,定量工质,经历了一个由四个过程组成的循环,试填充下列表中所缺数据.,1390,395,-1000,5,
11、-5,解：Q=U+W,例三.某一蒸汽轮机进口蒸汽参数为P1=9MPa, t1=500, h1=3386.8KJ/kg,C1=50m/s.出口蒸汽汽参数为P2=4MPa,h2=2226.9KJ/kg,C2=140m/s.进出口高度差为12m,每Kg蒸汽经汽轮机的散热损失为15KJ,试求,1.单位质量蒸汽流经气轮机对外输出之功; 2.不计进出口动能的变化,对输出功的影响; 3.不计进出口位能的差,对输出功的影响; 4.不计散热损失对输出功的影响; 5.若蒸汽流量为220t/h,汽轮机功率有多大?,Q=H+Wt,Q=U+W,解：1)选气轮机为开口系,Ws=15(2226.9-3386.8) 0.5(
12、1402 502 ) 103 9.8(12) 103 =1.136103KJ/Kg,Q=H+Wt,Q=U+W,2.不计进出口动能的变化,对输出功的影响;,3.不计进出口位能的差,对输出功的影响;,5.若蒸汽流量为220t/h,汽轮机功率有多大?,4.不计散热损失对输出功的影响;,Q=H+Wt,Q=U+W,归纳热力学解题思路,1）取好热力系 2）列方程 3）计算初、终态 4）求解：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,*不可逆过程的功可尝试从外部参数着手,知识点：基本能量方程、焓、各种功的表达、闭口系、开口系和稳定流动能量方程及其常用的简化形式、能量方程的内在联系与共性，热变功的实质。 重点：热一定律的实质，焓、各种功的表达、闭口、开口系统热一定律解析式的表述形式及适用条件，在不同工程场合中的计算 难点：焓、各种功的表达、深刻理解第一定律的普遍适用性，牢固掌握各种热力学第一定律表达式的适用条件，并能将理论与工程实际相联系。 习题： 2-3 2-4 2-9 2-12,第二章 热力学第一定律,