1、一、实质：能量守恒与转换定律在热力学中的应用二、第一定律的表述 输入系统的能量系统输出的能量= 系统储存能量的变化能量： 传递中的能量-功和热量-过程量 储存的能量-内部和外部状态参数决定-状态量 （内能）能量转换和守恒定律： 自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能量不能被创造，也不能被消灭，只能相互转化和转换，且在转化和转换的过程中能量的总值保持不变。热力学第一定律： 任一过程中系统内能的增加等于该过程所吸收的热量和外界对它所做功之和。储存能量： 内部储存能-内部状态参数决定 外部储存能-外部状态参数决定一、内部储存能一、内部储存能热力学能热力学能分子运动的平均动能和分子间势能称
2、为“热力学能”符号：U u (单位质量热力学能）单位：kJ kJ/kgu=U/mu=f(t,v)三、系统的总储存能（总能） E=U+ e=u+ 封闭系统，传递的能量有两种：功和热量一、功一、功1. 1. 热力学定义：热力学定义：21FdxwFdxw 燃气燃气进口进口排入大气排入大气 当封闭系统通过边界，和外界之间发生相互作当封闭系统通过边界，和外界之间发生相互作用时，如外界的唯一效果是升起重物，则系统用时，如外界的唯一效果是升起重物，则系统对外界作了功，如外界的唯一效果是降低重物，对外界作了功，如外界的唯一效果是降低重物，则外界对系统作了功。则外界对系统作了功。2. 2. 体积功：体积功：工质
3、体积改变时所做的功系统对外作功 0w外界对系统作功 0w功是过程量功是过程量单位：J、kJAdxPwout为比体积变化。dvAdx foutfoutFPAAPFAPPA或dxFPAdxwfvpFfppoutdxAp1234dv图 1 封闭系统的膨胀功APoutdxFwdxFPdvwfvfpdvwFf则，即可逆过程若021Pdvw)(vfP 23411)(2121AdvvfPdvw面积可逆过程膨胀功可以用p-v图上过程曲线与v轴所围面积表示。可逆过程对外做的膨胀功最大。vpFfppoutdxAp1234dv图 1 封闭系统的膨胀功Bc0 ,0wdv时0 ,0wdv时0 ,0wdv时功是过程量21
4、2121)(mwPdvmmvPdPdVW对于mkg工质二、热量二、热量热量热量是除功以外，通过边界系统与外界之间传递是除功以外，通过边界系统与外界之间传递的能量。的能量。热量也是过程量符号规定：系统从外界吸热为正；Q0 系统向外界放热为负。Q0单位：J、kJQW热源 功源WUQUWQ 或wuq单位质量工质wduq微元过程吸热 0q放热 0q内能增加 0u内能减少 0u系统对外作功 0w外界对系统作功 0w1.适用于任意工质、任意过程，各项为代数量。2.q、 w分别为各个吸热、作功过程的代数和。3.U=U2-U1可逆过程：pdvw pdvduq21pdvuq21pdVUQ任意工质、可逆过程vpA
5、12B例3-1 有一定质量的工质从状态1沿1A2到达终态2，又沿2B1回到初态1，并且kJWkJUUkJQBA5 10 50121221试判断沿过程1A2工质是膨胀还是压缩，并且求工质沿1A2B1回到初态时的净吸热量和净功。解:kJUUQWAA401050)(122121 0dUWQkJWWWBA355401221kJWQ35vpA12BkJWkJUUkJQBA5 10 50121221是膨胀过程质量守恒方程力学定律 三个定律能量守恒方程一元稳定流动一元流动：与流动方向垂直的同一截面上各点工质的状态参数和流速都是相同的，工质的状态参数和流速仅沿流动方向做一元变化。稳定流动：开口系统内任一点的状
6、态参数和流速均不随时间而变化。1kg工质：进入系统带入能量：1112111,21vPgzwueg推动功流出系统带出能量：2222222,21vPgzwueg推动功吸热： q作功： ws（轴功）（轴功）)21(111211qvPgzwug0)21(222222sgwvPgzwusggwzzgwwvpuvpuq)()(21)()(1222111222121.技术功技术功zgwpvwzzgwwvpvpuqwgggs221222221121)()()(21)()(1)()(21122212zzgwwwwggst若动能、位能变化很小，可以忽略，则stww sgwzgwpvpdvw22121)(（轴功）（
7、轴功）（膨胀功）（膨胀功）（技术功）（技术功）Wt（轴功）（轴功）Ws（膨胀功）（膨胀功）W（流动功或推进功）（流动功或推进功）PVtwpvpdvw)(2121212121212121)()(vdpdpvpdvpdvpvdpdvpvpdvwt可逆过程2.焓焓状态参数twvpuvpuq)()(111222pvuh比焓J/kgpVUH总焓JmhH tsggwhhqwwwhhq122212)(2112tsgwdhqwdwdhq221微元过程vdpdhq可逆过程)(2112vdphhq积分形式开口系统的典型设备开口系统的典型设备: :1.换热器：如锅炉、冷凝器等2.喷管和扩压管3.产生功的装置：如蒸汽
8、轮机、燃气轮机4.消耗功的装置：如泵、压缩机5.节流装置：如膨胀阀0sw0)(212212ggww12hhq适用于任意工质、任意过程0)(21222112sggwwwvdp可逆过程可逆过程0v0dp为可逆流动条件12流入流出Q)()(2112221212tsggwhhwwwhhq工质流经换热器时所吸收的热量全部用来增加工质的焓值；反之，亦反。工质流经换热器时所吸收的热量全部用来增加工质的焓值；反之，亦反。特点：与外界没有轴功交换、工质流速变化不大特点：与外界没有轴功交换、工质流速变化不大Wg2Wg111112222流入流出喷管扩压管Wg1流入0q0sw2122)(2112hhwwgg12ggw
9、w21hh 喷管12ggww12hh 扩压管2122)(2112vdpwwgg可逆流动可逆流动12ggww210 , 0vdpdp喷管)()(2112221212tsggwhhwwwhhq工质在喷管中所增加的动能全部由工质焓值的减少来补偿；在扩压管中相反。工质在喷管中所增加的动能全部由工质焓值的减少来补偿；在扩压管中相反。特点：来不及与外界进行热交换特点：来不及与外界进行热交换 无轴功交换无轴功交换流入流出12ws)()(2112221212tsggwhhwwwhhq21hhwsq=0 wt=wS0)(212212ggww21hhws气轮机输出的轴功是由流动工质的焓值转换而来的气轮机输出的轴功
10、是由流动工质的焓值转换而来的特点：来不及与外界进行热交换特点：来不及与外界进行热交换 流速变化不大流速变化不大特点：是汽轮机的逆过程特点：是汽轮机的逆过程21hh 0)(212212ggww0sw0q)()(2112221212tsggwhhwwwhhq特点：来不及与外界进行热交换，特点：来不及与外界进行热交换， 无轴功交换，工质动能变无轴功交换，工质动能变 化与焓的数值相比可忽略。化与焓的数值相比可忽略。12hhq2122)(2112hhwwgg21hhws21hh 换热器喷管和扩压管汽轮机和压缩机节流装置smhhwg/1 .93810)23402780(2)(23212略去入口流速kgkJ
11、h/27801kgkJh/23402smwg/201例3-2 已知：smwhhwgg/3 .9382010)23402780(2)(22322112解：kgkJhh/43821kgkJhhq/13043856822hkgqQqm/5 .32113041800膨胀阀蒸发器122解：kgkJh/4381kgkJh/5682例3-5 已知：)()(21122212zzgwwwwggst（技术功）（技术功）Wt、（轴功）（轴功）Ws（膨胀功）（膨胀功）W、（流动功或推进功）（流动功或推进功）PVtwpvpdvw)(21twhhq12吸热 0q放热 0q内能增加 0u内能减少 0u系统对外作功 0w外界
12、对系统作功 0w符号关系：符号关系：wuq（开）（开）（闭）（闭）讨论：讨论：能量守恒与转换定律在热力学中的应用能量守恒与转换定律在热力学中的应用 换热器、换热器、节流装置等节流装置等12hhq2122)(2112hhwwgg21hhws21hh 举例1： 一闭口系统从状态1沿1-2-3途径到状态3，传递给外界的热量为47.5kJ， 而系统对外作功为30kJ，如图。 （1）若沿1-4-3途径变化时，系统对外作功15kJ，求过程中系统与外界传递的 热量。 （2）若系统从状态3沿图示曲线途径到达状态1，外界对系统作功6kJ，求该过 程中系统与外界传递的热量。 （3）若U2=175kJ，U3=87.5kJ，求过程2-3传递的热量及状态1的热力学能。举例2：空气在某压气机中被压缩。压缩前空气的参数是P1=0.1MPa,V1=0.845 m3/kg；压缩后的参数是P2=0.8MPa,V2=0.175m3/kg。假定在压缩过程中 1kg空气的热力学能增加146kJ，同时向外放出热量50kJ，压气机每分钟 产生压缩空气10kg。求： （1）压缩过程中对每公斤气体所作的功； （2）每生产1kg的压缩气体所需的功； （3）带动此压气机至少要多大功率的电动机？
