1、第一部分第一部分 热力学基本定律热力学基本定律第一章第一章 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律 本章提要本章提要:本章阐明热力学第一定律的实质一一能量守恒，给出了热本章阐明热力学第一定律的实质一一能量守恒，给出了热力学第一定律的力学第一定律的基本表达式基本表达式及其对开口系统的表达式，导及其对开口系统的表达式，导出了工程上具有重要意义的出了工程上具有重要意义的稳定流动能量方程式稳定流动能量方程式，简单，简单介绍了非稳定流动的能量方程，举例说明了热力学第一定介绍了非稳定流动的能量方程，举例说明了热力学第一定律在不同工程问题上的律在不同工程问题上的具体应用具体应用。第1页，共27页。第一部分
2、第一部分 热力学基本定律热力学基本定律第一章第一章 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律 本章要求本章要求:1 1 深刻认识热力学第一定律的实质深刻认识热力学第一定律的实质能量守恒。能量守恒。2 2了解热和功是系统与外界交换能量的两种方式，知道其了解热和功是系统与外界交换能量的两种方式，知道其定义、特性及计算方法。定义、特性及计算方法。3 3掌握热力学第一定律能量方程的基本表达式及稳定流动能掌握热力学第一定律能量方程的基本表达式及稳定流动能量方程，并对非稳定流动能量方程有初步的认识。量方程，并对非稳定流动能量方程有初步的认识。4 4了解热力学第一定律对工程实践的指导作用，能灵活运用了解热力
3、学第一定律对工程实践的指导作用，能灵活运用能量方程对实际工程中的能量转换过程进行分析、计算和研能量方程对实际工程中的能量转换过程进行分析、计算和研究。究。第2页，共27页。21热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质 一一 能量转换与守恒定律能量转换与守恒定律 自然界一切物质都具有能量。能量不可能创造自然界一切物质都具有能量。能量不可能创造也不可能消灭，而只能在一定条件下从一种形也不可能消灭，而只能在一定条件下从一种形式转变为另一种形式，在转换中能量总量恒定式转变为另一种形式，在转换中能量总量恒定不变不变第3页，共27页。21热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质 二二 几种说法几种说法在任
4、何发生能量传递和转换的热力过程中，传递在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传递和转换前后能量的总量维持恒定和转换前后能量的总量维持恒定热功可以互相转换，但转换前后总量不变热功可以互相转换，但转换前后总量不变第一类永动机是不可能制造成功的第一类永动机是不可能制造成功的第4页，共27页。22 功功 一一 功的定义和性质功的定义和性质1 在力学中的定义在力学中的定义物体所受的力及其沿力的方向所产生的物体所受的力及其沿力的方向所产生的位移的乘积位移的乘积 功量是过程量功量是过程量，与状态量不同，说某状，与状态量不同，说某状态下具有多少功量是毫无意义的。态下具有多少功量是毫无意义的。功用功用W 表示表
5、示第5页，共27页。22 功功 一一 功的定义和性质功的定义和性质2 在热力学里的定义在热力学里的定义功是物系间相互作用而传递的能量。当功是物系间相互作用而传递的能量。当系统完成功时，其对外界的作用可用在系统完成功时，其对外界的作用可用在外界举起重物的外界举起重物的单一效果单一效果来代替来代替3 功的单位和符号功的单位和符号4 比功比功 wW/m 第6页，共27页。22 功功 三三 气体的容积变化功气体的容积变化功第7页，共27页。22 功功 三三 气体的容积变化功气体的容积变化功活塞移动活塞移动dxdx时所作的功量为时所作的功量为 W=pAdxpdV 准平衡过程体积变化功准平衡过程体积变化功
6、W WV VpdVpdV第8页，共27页。22 功功 三三 气体的容积变化功气体的容积变化功几点说明：几点说明：1 1 适用于任意准平衡过程，与热力系的几何形状无关适用于任意准平衡过程，与热力系的几何形状无关 2 2 系统在准平衡过程中完成的功量亦可称为系统在准平衡过程中完成的功量亦可称为准静功准静功。准静功可以。准静功可以仅通过系统内部的参数来描述仅通过系统内部的参数来描述 3 3 必须知道过程方程式必须知道过程方程式P Pf f(V V)，才能算出该过程的功量，才能算出该过程的功量4 4 P PV V 图上可以用面积表示功量，故图上可以用面积表示功量，故p p-V V图又称为示功图图又称为
7、示功图5 5 功量是过程量而不是状态量功量是过程量而不是状态量6 6 气体膨胀，气体膨胀，dVdV0 0，功量为正，系统对外做功，功量为正，系统对外做功 第9页，共27页。23 热热 1 1 定义：热力系与外界之间依靠温差传递的能量称为定义：热力系与外界之间依靠温差传递的能量称为热热。2 2 热的传递不能像功的传递那样，可以折合为外界重物高度热的传递不能像功的传递那样，可以折合为外界重物高度变化的变化的单一效果单一效果3 3 是过程量是过程量而不是状态量，因此说而不是状态量，因此说“物体具有多少热量物体具有多少热量”及及“物物体具有多少功量体具有多少功量”都是错误的都是错误的4 4 热力系热力
8、系吸热吸热时热量取时热量取正正号，放热时取负号号，放热时取负号第10页，共27页。24 循环的第一定律表达式循环的第一定律表达式 焦耳实验焦耳实验表明：表明：热力系经历一循环过程回到初态时，系统在热力系经历一循环过程回到初态时，系统在整个循环中从外界吸入整个循环中从外界吸入(或放出或放出)的热量等于的热量等于其对外完成的其对外完成的(或得到的或得到的)功量。功量。第11页，共27页。25 状态参数热力学能状态参数热力学能(Q-W)=0(Q-W)=01-1-A A-2-2和和1-1-C C-2-2是由是由1 1到到2 2任意选择的不同途径任意选择的不同途径积分的结果与积分途径无关积分的结果与积分
9、途径无关被积函数必定是某一个态函数的全微分被积函数必定是某一个态函数的全微分用用U U 表示这个态函数表示这个态函数dUdU Q-WQ-W以一定方式储存于热力系内部的能量叫做以一定方式储存于热力系内部的能量叫做系统系统的热力学能的热力学能(亦称内能亦称内能)热力学能热力学能是一个状态参数是一个状态参数，可用其它独立状，可用其它独立状态参数表示出来态参数表示出来第12页，共27页。26 热力系与外界的物质交换热力系与外界的物质交换 一一 质量守恒方程式质量守恒方程式稳态稳定流动过程：稳态稳定流动过程：流道内各点流体的热力状态及流动情况不随时流道内各点流体的热力状态及流动情况不随时间变化间变化 m
10、 minin=m=moutout 第13页，共27页。26 热力系与外界的物质交换热力系与外界的物质交换 二二 流动功流动功1 1 推挤功推挤功push work(PV)push work(PV)克服某种作用力，使气体发生宏观位置移动所克服某种作用力，使气体发生宏观位置移动所消耗的功消耗的功 2 2 流动功流动功flow workflow work使流体从截面使流体从截面1 1流入到截面流入到截面2 2流出的流动过流出的流动过程中，系统付诸于质量迁移所作的功程中，系统付诸于质量迁移所作的功W Wf f=p=p2 2V V2 2-p-p1 1V V1 1=(pV)(pV)第14页，共27页。27
11、 热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式 一一 基本表达式基本表达式 Q QUUW W1 1 适用于闭系内进行的一切过程适用于闭系内进行的一切过程(包括各种非平衡过程及准平衡过包括各种非平衡过程及准平衡过程程)2 只涉及只涉及到热力学能、热、功的相互转换，是热力学的到热力学能、热、功的相互转换，是热力学的主要研主要研究对象究对象，所以称基本表达式，所以称基本表达式 第15页，共27页。27 热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式 二二 开系能量方程式开系能量方程式最一般的形式：最一般的形式：dEdEcvcv=Q+Q+m minin(u+pv+1/2c(u+pv+1/2c2 2+gz
12、)+gz)inin -m moutout(u+pv+1/2c(u+pv+1/2c2 2+gz)+gz)outout-w wnetnet dEdEcvcv=Q+Q+m minin(h h+1/2c+1/2c2 2+gz)+gz)inin -m moutout(h h+1/2c+1/2c2 2+gz)+gz)outout-w wnetnet 适用于任何工质适用于任何工质 任何过程任何过程 任何流动任何流动第16页，共27页。27 热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式 二二 开系能量方程式开系能量方程式焓的说明焓的说明：1 1 定义：定义：h=u+pvh=u+pv 2 2 物理意义：流动工质
13、的物理意义：流动工质的热力学能和推挤功之和热力学能和推挤功之和，可以认，可以认为是流动工质所携带的能量为是流动工质所携带的能量 3 3 性质：是状态参数，是状态量性质：是状态参数，是状态量 4 4 目的：为了计算方便目的：为了计算方便第17页，共27页。27 热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式 三三 稳定流动能量方程式稳定流动能量方程式稳定流动过程稳定流动过程系统与外界的功量和热量交换情况不随时间改变，系统内各处流体的系统与外界的功量和热量交换情况不随时间改变，系统内各处流体的热力状态和流动情况也不随时间变化热力状态和流动情况也不随时间变化 能量方程式能量方程式Q=Q=H+1/2mH
14、+1/2mc cf f2 2+mg+mgz+Wz+Wnetnet 适用于任何工质，任何过程，稳定流动的开系适用于任何工质，任何过程，稳定流动的开系第18页，共27页。27 热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式 四四 用技术功用技术功WtWt表示的稳定流动能量方程式表示的稳定流动能量方程式 Wt Wt 1/2m1/2mc cf f2 2+mg+mgz+Wz+Wnetnet Q=Q=H+WtH+Wt 因为因为 Q Q U U W W Q=Q=H+Wt H+Wt U U Wf Wf WtWt 所以所以 Wt Wt W W WfWf第19页，共27页。27 热力学第一定律的表达式热力学第一定律
15、的表达式 五五 稳定流动开系各种功之间的关系稳定流动开系各种功之间的关系 1 1 Wt Wt 1/2m1/2mc cf f2 2+mg+mgz+Wz+Wnetnet 2 W 2 W Wt Wt WfWf 3 3 对简单可压缩系统：对简单可压缩系统：4 4 对准平衡过程：对准平衡过程：Wt Wt W W Wf Wf pdvpdvd d（pvpv）=vdpvdp第20页，共27页。28 能量方程式的应用能量方程式的应用 1 1 热力发动机热力发动机Q=Q=H+1/2mH+1/2mc cf f2 2+mg+mgz+Wz+Wnetnet W Wnet net=H H H H1 1 H H2 2 输出净
16、功等于焓的降落输出净功等于焓的降落 第21页，共27页。28 能量方程式的应用能量方程式的应用 2 2 喷管喷管 喷管是使气流加速的设备。它通常是一个变截面喷管是使气流加速的设备。它通常是一个变截面的流道的流道Q=Q=H+1/2mH+1/2mc cf f2 2+mg+mgz+Wz+Wnetnet 1/2m1/2mc cf f2 2=H H H H1 1 H H2 2 动能增加等于焓的降落动能增加等于焓的降落 第22页，共27页。28 能量方程式的应用能量方程式的应用 3 3 气轮机叶轮气轮机叶轮气流流经气轮机叶轮上的动叶栅，推动转轮气流流经气轮机叶轮上的动叶栅，推动转轮回转对外作功回转对外作功
17、Q=Q=H+1/2mH+1/2mc cf f2 2+mg+mgz+Wz+Wnetnet W Wne ne 1/2m1/2m（c cf1f12 2 c cf2f22 2 ）第23页，共27页。28 能量方程式的应用能量方程式的应用 4 4 热交换器热交换器电厂中锅炉、加热器等换热设备均属于热交换器电厂中锅炉、加热器等换热设备均属于热交换器Q=Q=H+1/2mH+1/2mc cf f2 2+mg+mgz+Wz+Wnetnet Q=Q=H H H H2 2 H H1 1 得到的热量等于焓的增加得到的热量等于焓的增加第24页，共27页。28 能量方程式的应用能量方程式的应用 5 5 压气机压气机压气机
18、是消耗外功而使气体升压的设备压气机是消耗外功而使气体升压的设备Q=Q=H+1/2mH+1/2mc cf f2 2+mg+mgz+Wz+Wnetnet W Wnetnet=H=H2 2 H H1 1 Q Q 第25页，共27页。28 能量方程式的应用能量方程式的应用 6 6 节流过程节流过程节流过程是气体流经管道中的阀门或缩孔时发生节流过程是气体流经管道中的阀门或缩孔时发生的一种特殊流动过程的一种特殊流动过程 由于存在涡流和摩擦，这是一个典型的非平由于存在涡流和摩擦，这是一个典型的非平衡过程衡过程 Q=Q=H+1/2mH+1/2mc cf f2 2+mg+mgz+Wz+Wnetnet H H1 1=H=H2 2 在绝热节流过程中，节流前后工质的焓值不变在绝热节流过程中，节流前后工质的焓值不变第26页，共27页。作作 业业 212227211214（COP性能系数定义见性能系数定义见P320）第27页，共27页。
