1、2 23 3 能量的传递和转化能量的传递和转化2 22 2 热力学能和总能热力学能和总能21 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质2 26 6 开口系统能量方程式开口系统能量方程式2 25 5 热力学第一定律的基本能量方程式热力学第一定律的基本能量方程式24 焓焓27 能量方程式的应用能量方程式的应用本章重点内容本章重点内容 重点内容：重点内容：热力学第一定律的实质；热力学第一定律的实质；储存能，热力学能和焓；储存能，热力学能和焓；闭口系的能量方程；闭口系的能量方程；稳定流动的能量方程。稳定流动的能量方程。能量转换与守恒定律：能量转换与守恒定律：自然界的普适定律之一！自然界的普适定律之一！
2、自然界中的一切物质都具有能量，能量有自然界中的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，各种不同的形式，它可以从一个物体或系统传它可以从一个物体或系统传递到另外的物体和系统，能够从一种形式转换递到另外的物体和系统，能够从一种形式转换成另一种形式。在能量的传递和转换过程中，成另一种形式。在能量的传递和转换过程中，能量的能量的“量量”既不能创造也不能消失，其总量既不能创造也不能消失，其总量保持不变。保持不变。2-1 2-1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质实质能量转换与守恒定律在热现象中的应用能量转换与守恒定律在热现象中的应用表述进入系统的能量离开系统的能量进入系统的能量离开系统的能量 =
3、系统能量的增量系统能量的增量热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能时，它热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能时，它们间的比值是一定的。们间的比值是一定的。或：或：热可以转变为功，功也可以转变为热；一定量热可以转变为功，功也可以转变为热；一定量的热消失时，必产生相应量的功；消耗一定量的功时，的热消失时，必产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之对应的一定量的热。必出现与之对应的一定量的热。一般关系式能量相互转换能量相互转换焦耳热功当量实验焦耳热功当量实验James Prescort Joule 水温升高可测得热量，水温升高可测得热量，重物下降可测得功重物下降可测得功热功当量热功当量
4、1 cal=4.1868 JMechanical equivalent of heat闭口系循环的热一律表达式闭口系循环的热一律表达式要想得到要想得到功功，必须花费，必须花费热能热能或或其它能量其它能量热力学第一定律又可表述为热力学第一定律又可表述为“第一类永第一类永动机是不可能制成的动机是不可能制成的”QW蜒Q第一类永动机第一类永动机锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器WnetQout电电加加热热器器2-2 2-2 热力学能和总能热力学能和总能一、热力学能一、热力学能(内部储存能内部储存能)1.1.定义定义物质内部微观粒子具有的能量的总和物质内部微观粒子具有的能量的总和2
5、.2.构成构成Uk 内动能内动能 (kinetic energy)Up 内势能内势能 (potential energy)Ur 化学能化学能 (chemical energy)Ue 原子能原子能 (nuclear energy)分子尺度上分子尺度上原子尺度上原子尺度上原子尺度以下原子尺度以下3.热力学能是状态参数测量测量 V、T 可求出可求出21 21dUUUk 内动能内动能(kinetic energy)分子自由运动具有的能量，与分子的温度（分子自由运动具有的能量，与分子的温度（T）有关；）有关；Up 内势能内势能(potential energy)分子间由于相互作用力而具有的能量，与分子间
6、的距离，即分子间由于相互作用力而具有的能量，与分子间的距离，即工质占据的体积（工质占据的体积（V）和温度（）和温度（T）有关。）有关。单位单位:J,kJ4.热力学能是一广延量5.本课程只关心U它是一强度量，单位它是一强度量，单位kJ/kg比热力学能比热力学能二、总能量二、总能量U为为内内部储存能部储存能2f12mcmgz为为外外部储存能部储存能宏观动能宏观动能宏观位能宏观位能Ucf，z宏观动能是一种有序能量，内动能是一种无序能量，宏观动能是一种有序能量，内动能是一种无序能量，宏观动能可以直接转换为功输出，因此其品质高于内宏观动能可以直接转换为功输出，因此其品质高于内动能。动能。宏观动能宏观动能
7、与内动能与内动能的区别的区别:对外做功对外做功+，耗功，耗功-吸热吸热+，放热，放热-5 5 正负号正负号过程量过程量过程量过程量4 4 变量类型变量类型力差力差温差温差3 3 推动力推动力宏观有序宏观有序微观无序微观无序2 2 借助运动的方式借助运动的方式在压差推动下，系统与在压差推动下，系统与外界借助于宏观的有序外界借助于宏观的有序运动传递的能量运动传递的能量在温差推动下，系统与在温差推动下，系统与外界借助于微观的无序外界借助于微观的无序运动传递的能量运动传递的能量1 1 定义定义功量功量热量热量三、能量的传递和转换中的基本概念三、能量的传递和转换中的基本概念6 6 计算计算dQmT sr
8、edQmc TdWp VredWF xdQmT sredQmc TdWF xdQmT sredQmc T2-32-3、热力学第一定律的一般表达式、热力学第一定律的一般表达式一般关系式一般关系式 进入系统的能量进入系统的能量流出系统的能量系统能量的增量流出系统的能量系统能量的增量一般表达式一般表达式 syE11me22meQtotWsy)(dEE11Qem22totemWsysysydEEEE)d(sysy2211totd()QEememWtot1122sy)(WmemeEQ出：出：增量：增量：入：入：1122tot()()syQememWdE2-42-4、闭口系能量方程、闭口系能量方程 热力学
9、第一定律的基本能量方程式热力学第一定律的基本能量方程式活塞式压气机的压缩过程，活塞式压气机的压缩过程，内燃机汽缸的压缩和膨胀过内燃机汽缸的压缩和膨胀过程等，均为闭口系统。程等，均为闭口系统。闭口系统和外界仅有热量和功量的交换，闭口系统和外界仅有热量和功量的交换，不存在质量交换，因此不存在质量交换，因此dQUWdQEW另外，此类系统通常在热力过程中宏观另外，此类系统通常在热力过程中宏观动能和宏观位能都不发生变化，因此动能和宏观位能都不发生变化，因此WorkHeatddQUWquwQUWquw 循环闭口系能量方程闭口系能量方程ddddddQUp Vqup vQUp Vqup v 可逆过程可逆过程适
10、用于任意工适用于任意工质，任意过程质，任意过程讨论：（1 1）初终状态应是平衡态。）初终状态应是平衡态。（2 2）公式中热量、功量是代数值。）公式中热量、功量是代数值。（3 3）单位和量纲要统一。）单位和量纲要统一。（4 4）物理意义：）物理意义：闭口系能量方程，真正反映了热功转换的实质，它闭口系能量方程，真正反映了热功转换的实质，它表明要把工质从外界获得的热量（外热能）和工质表明要把工质从外界获得的热量（外热能）和工质的热力学能（内热能）转变为机械能（功），必须的热力学能（内热能）转变为机械能（功），必须通过工质的体积膨胀（膨胀功）才能实现。通过工质的体积膨胀（膨胀功）才能实现。因此，闭口系
11、能量方程，也称为热力学第一定律的因此，闭口系能量方程，也称为热力学第一定律的基本表达式。基本表达式。热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律解：解：（1）取包括冰箱和空气在内的整个房间为研究对象取包括冰箱和空气在内的整个房间为研究对象 闭口系闭口系QU W 0U WU W 电210,TTT 电210WUUU0电W热力学第一定律热力学第一定律解：（解：（2）取冰箱为研究对象）取冰箱为研究对象QdUW21QQW 电120WQQ电210,TTTQdUW闭口系闭口系netnetQW放出的热量大于放出的热量大于吸收的热量。吸收的热量。解：取整个解：取整个A+BA+B为系统为系统QUW12
12、 0即UUU 功功,热量是通过边界传递的能量。热量是通过边界传递的能量。0闭口系闭口系0 解决涉及热现象的能量传递和转换问题的第一步，也解决涉及热现象的能量传递和转换问题的第一步，也是关键的一步是是关键的一步是正确合理的选取研究对象正确合理的选取研究对象（系统）。（系统）。系统不同不但与外界交换的功、热不同，而且不合理系统不同不但与外界交换的功、热不同，而且不合理的选取研究对象还可能导致问题难以求解。的选取研究对象还可能导致问题难以求解。讨论：对于一定空间内部存在热功交换，而空间外部对于一定空间内部存在热功交换，而空间外部绝热、密封绝热、密封,求整个空间内部能量的变化的问求整个空间内部能量的变
13、化的问题，通常选择整个大空间作为研究对象，可以题，通常选择整个大空间作为研究对象，可以使问题得到很好的简化。使问题得到很好的简化。ddQUWquwQUWquw 循环闭口系能量方程闭口系能量方程ddddddQUp Vqup vQUp Vqup v 可逆过程可逆过程适用于任意工适用于任意工质，任意过程质，任意过程解解 方法一方法一：取图中虚线所包围水蒸气和电热器为系取图中虚线所包围水蒸气和电热器为系统。控制质量系统。统。控制质量系统。QUW UW 80kJW 080kJU2 2）列出能量方程）列出能量方程3 3）根据边界上热功交换情况，对能量方程进行简化）根据边界上热功交换情况，对能量方程进行简化
14、4 4）带入数据（注意热量和功量的正负号）带入数据（注意热量和功量的正负号）解解 方法二方法二：1 1）选取研究对象，）选取研究对象，仅取容器中的水蒸气仅取容器中的水蒸气为系统。控制质量系统。为系统。控制质量系统。QUW QU 80kJQ 080kJU2 2）列出能量方程）列出能量方程3 3）根据边界上热功交换情况，对能量方程进行简化）根据边界上热功交换情况，对能量方程进行简化4 4）带入数据（注意热量和功量的正负号）带入数据（注意热量和功量的正负号）本例题再次证明了，解决涉及热现象的能量传递和转换问题时，本例题再次证明了，解决涉及热现象的能量传递和转换问题时，首先必须正确合理的选取系统（研究
15、对象）。系统不同不但与首先必须正确合理的选取系统（研究对象）。系统不同不但与外界交换的功、热不同，能量方程的形式也会有所不同。外界交换的功、热不同，能量方程的形式也会有所不同。本题中电热器输入的本题中电热器输入的80kJ的能量，在方法一中是功量，且是外的能量，在方法一中是功量，且是外界对系统做功，取负值；在方法二中是热量，系统从外界吸热，界对系统做功，取负值；在方法二中是热量，系统从外界吸热，取正值。取正值。一定要注意热量和功的正负号的约定一定要注意热量和功的正负号的约定。例例2的工质是气体，本题的工质是蒸汽，都使用了共同的能量方的工质是气体，本题的工质是蒸汽，都使用了共同的能量方程，再次说明
16、了程，再次说明了闭口系能量方程适用于任何工质的特性闭口系能量方程适用于任何工质的特性。讨论：例题例题4123143UW(77.5)1562.5 kJ 例例4：一闭口系从状态一闭口系从状态1沿沿1-2-3途径到途径到状态状态3，传递给外界的热量为，传递给外界的热量为47.5kJ，而系统对外作功为而系统对外作功为30kJ。1）若沿若沿1-4-3途径变化时，系统对外做功途径变化时，系统对外做功15kJ，求过程中系统与外界传递的热量求过程中系统与外界传递的热量为负，系统对外界放热为负，系统对外界放热pV123412331123123UUUQW(47.5)3077.5 kJ 143143143QUWQU
17、W 12331UW2）若系统从状态若系统从状态3沿图示曲线途径到达状态沿图示曲线途径到达状态1，外，外界对系统作功界对系统作功6kJ，求系统与外界传递的热量，求系统与外界传递的热量为正，系统从外界吸收热量为正，系统从外界吸收热量313131QUW(77.5)(6)71.5 kJ 例例4：一闭口系从状态一闭口系从状态1沿沿1-2-3途径到途径到状态状态3，传递给外界的热量为，传递给外界的热量为47.5kJ，而系统对外作功为而系统对外作功为30kJ。34p12QUW V例例4：一闭口系从状态一闭口系从状态1沿沿1-2-3途径到途径到状态状态3，传递给外界的热量为，传递给外界的热量为47.5kJ，而
18、系统对外作功为而系统对外作功为30kJ。34p12332UUU87.5 17587.5 kJ 3）若若U2=175kJ，U3=87.5kJ，求过程，求过程2-3传递的热传递的热量及状态量及状态1的热力学能。的热力学能。12331UUU1312387.5(77.5)165 kJUUU 232323QUW32320WpdV2V热力学第一定律热力学第一定律归纳热力学第一定律解题思路归纳热力学第一定律解题思路（1）选取热力系（研究对象）选取热力系（研究对象）;（2）列出能量方程）列出能量方程;（3）根据已知条件对能量方程进行简化）根据已知条件对能量方程进行简化:绝热系（绝热过程）：绝热系（绝热过程）：
19、Q=0绝功系（定容过程）：绝功系（定容过程）：W=0循循 环：环：U=0QUW（4）确定初末状态，计算过程中的热量、功量或）确定初末状态，计算过程中的热量、功量或 热力学能变化量。热力学能变化量。2-52-5、开口系统能量方程式、开口系统能量方程式一、开口系统能量方程一、开口系统能量方程 Wi Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc能量方程的推导能量方程的推导=进入进入系统系统的的能量能量离开离开系统系统的的能量能量系统系统储存能量储存能量的的增量增量-热力学第一定律的一般关系式热力学第一定律的一般关系式一般开口系统能量方程的推导一般开口系统能量方程的推
20、导 Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out -Wi=dEcv这个结果与实验这个结果与实验不符不符少了推动功少了推动功 Wi Q moutuinuoutgzingzout212inc212outc min（一）推动功（一）推动功pApVdl W推推=p A dl=pV w推推=pv注意：注意：微元过程微元过程dWp Vpv m推 不是不是 mpdv v 没有变化没有变化说明：说明：3、与宏观流动有关，流动停止，推、与宏观流动有关，流动停止，推动动功不存在功不存在1、w推推pv与所处状态有关，是状态量与所处状态有关，是状态量2、并非工质本身的能量（动能、位能）变
21、化引起，工质在传递、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，工质在传递推动功时没有热力状态的变化，也不会有能量形态的变化，只推动功时没有热力状态的变化，也不会有能量形态的变化，只是单纯的运输能量，这种能量是由外界（泵与风机）做出，流是单纯的运输能量，这种能量是由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量。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时所携递的一种机械功，表现为流动工质进出系统时所携带和所传递的一种能量带和所传递的一种能量（二）流动功（二）流动功1、定义：使工质流入和流出系统所
22、做的、定义：使工质流入和流出系统所做的推动功的代数和称为流动功推动功的代数和称为流动功Wf，维持工质，维持工质流动所需的功。流动所需的功。Wf=-p1V1+p2V2 wf=(pv)一般开口系能量方程的推导一般开口系能量方程的推导 Wi Qpvin moutuinuoutgzingzout212inc212outc Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out -Wi=dEcv minpvout一般开口系能量方程微分式一般开口系能量方程微分式 Q+min(u+pv+c2/2+gz)in-Wi-mout(u+pv+c2/2+gz)out =dEcv工程上常用工程上常用
23、流率流率0limQ 0limmmq0limiiWP2cv,out2m,inind/2/2m outiEupvcgzqupvcgzqP 开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式当有多条进出口：当有多条进出口：cv2m,outout2m,inind/2/2iEPupvcgzqupvcgzq 流动时，总一起存在流动时，总一起存在焓焓Enthalpy的引入的引入定义：定义：焓焓 h=u+pvcv2m,outout2m,inind/2/2iEPupvcgzqupvcgzq hh一般开口系能量方程一般开口系能量方程焓焓Enthalpy的的 说明说明 定义：定义：h=u+pv kJ/kg H=U+pV kJ
24、 1、焓焓是状态量是状态量 state property2、H为广延参数为广延参数 H=U+pV=m(u+pv)=mh h为比参数为比参数3、对流动工质，对流动工质，焓焓代表能量代表能量(热力学热力学能能+推进功推进功)对静止工质，对静止工质，焓焓不代表不代表能量能量4、物理意义：开口系中随工质物理意义：开口系中随工质流动而携带流动而携带的、取决的、取决 于热力状态的于热力状态的能量能量。1.1.定义：定义：系统内各点参数（包括热力参数和流速）不随时间变系统内各点参数（包括热力参数和流速）不随时间变化的流动。化的流动。2.2.实现条件：实现条件：（3 3）进出口的状态参数不随时间变化）进出口的
25、状态参数不随时间变化.（1 1）物质的相互作用不随时间变化）物质的相互作用不随时间变化.（2 2）能量的相互作用不随时间变化）能量的相互作用不随时间变化.进出系统的工质流量相等且不随时间而变；进出系统的工质流量相等且不随时间而变；系统与外界交换的功和系统与外界交换的功和热量等不随时间而变热量等不随时间而变二、稳定流动系统的能量方程二、稳定流动系统的能量方程（一）、稳定流动系统的特点（一）、稳定流动系统的特点（二）、稳定流动系统能量方程（二）、稳定流动系统能量方程已知：已知：进口进口 p1,T1,v1 cf1,z1,qm1 出口出口 p2,T2,v2 cf2,z2,qm2由于是稳定流动，由于是稳
26、定流动，qm1=qm2=qm ECV=0qwsh21f111 11 2 （随工质带入）（传热）ucgzp vq22f2222sh2 1ucgzp vw（随工质带出）（作功）222f 221f1112s12h1122ucgzp vwqucgzp v2222s1fh111()()2qup vcup vwg z 进入系统能量进入系统能量离开系统能量离开系统能量于是有于是有qwsh注意:（1 1）适用于任何工质）适用于任何工质(理想或实际气体理想或实际气体)，任何过程（可逆或不可逆）任何过程（可逆或不可逆）只要进出口是平衡态，不管系统内平衡与否。只要进出口是平衡态，不管系统内平衡与否。（2 2）q,w
27、sh是代数值，注意正负号。是代数值，注意正负号。（3 3）u,h,cf2 等不是系统不同时刻的变化量，等不是系统不同时刻的变化量，是进出口参数差。是进出口参数差。（4 4）注意单位统一。）注意单位统一。三、能量方程的分析与讨论三、能量方程的分析与讨论 w1.物理意义流动功轴功热能转变成热能转变成机械能（功机械能（功量）部分量）部分机械能增量机械能增量膨胀功膨胀功能量形式变化能量形式变化能量形式未变能量形式未变2fsh1()2quwpvcg zw 结论结论热变功的根本途径：是通过容积变化功来实现！热变功的根本途径：是通过容积变化功来实现！流动系中，膨胀功是隐含的。流动系中，膨胀功是隐含的。闭口系
28、能量方程闭口系能量方程 热力学第一定律的基本能量方程式热力学第一定律的基本能量方程式2ftsh12wcg zw 2.2.技术功技术功t()wpvwdwpv技术上可资利用的功技术上可资利用的功 wtt()pvwdv p rererererereddp vpvrere2fsh1(2)cqupwvgzw 2fsh1()2quwpvcg zw 2tsh12wcg zw tqhw tt()()qupvwqupvww tft()wpvwww 2sh12qhcg zw 3.几种功的关系及表示可逆过程可逆过程：w,w t 的表示的表示 rererere4.4.能量方程的其他表达形式能量方程的其他表达形式222
29、1f2f121sh1()2qhhccg zzw基本形式基本形式2fsh12cgqhzw t hw21d v phr re etddqhwhvdprere微元形式微元形式用率形式用率形式2fsh1()2mmq qqhcg zw 2fsh12mmQHqcq g zW tH W 热一律表达式小结热一律表达式小结任何工质，任何过程任何工质，任何过程,闭口闭口quw ddqup vT s 任何工质，可逆过程任何工质，可逆过程2/2iqhcg zw 任何工质任何工质,开开口系统口系统tqhw cv2m,outout2m,inind/2/2iEPhcgzqhcgzq 任何工质任何工质,任何任何过程，过程，稳
30、流稳流系统系统2-62-6、能量方程的应用、能量方程的应用 火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机燃气轮机燃气轮机蒸汽轮机蒸汽轮机一、动力机火力发电装置火力发电装置锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器燃气装置压压气气机机燃燃气气轮轮机机燃烧室燃烧室空空气气废废气气 流进系统：流进系统：211 11f111,2up vhcgz 流出系统：流出系统：2222s2f111,2up vhcgz w内部储能增量：内部储能增量：0 0动力机动力机2fs12 qhcgzw故有，对动力机故有，对动力机000二、压气机火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞
31、机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机压气机水泵水泵制冷制冷空调空调压缩机压缩机火力发电装置火力发电装置锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器燃气装置燃气装置压压气气机机燃燃气气轮轮机机燃烧室燃烧室空空气气废废气气制冷空调制冷空调装置装置压气机压气机、水泵类、水泵类(compressor，pump)流入系统：流入系统：s2f111,2chgzw流出系统：流出系统：2f 222,2chgzq内部贮能增量内部贮能增量 0 02fs12 qhcgzw故有，对压气机故有，对压气机00忽略散热忽略散热叶轮机械能量方程可表示为：叶轮机械能量方程可表示为：压气机压
32、气机12s0hhw12s0hhw动力机动力机三、换热器（heat exchanger）两种工质进行热量交两种工质进行热量交换的设备：管外的空换的设备：管外的空气被管内废气加热。气被管内废气加热。火力发电：火力发电：锅炉、凝汽器锅炉、凝汽器核电：核电：热交换器、凝汽器热交换器、凝汽器制冷制冷空调空调蒸发器、冷凝器蒸发器、冷凝器火力发电装置火力发电装置锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器制冷空调制冷空调装置装置选取整个换热器作为研究对象，选取整个换热器作为研究对象，稳定流动开口系稳定流动开口系2fs12 qhcgzw0000有有2fs12 qhcgzw000选择其中
33、的一种流体作为研究对象，选择其中的一种流体作为研究对象，稳定流动开口系稳定流动开口系有系统选择不一样时，系统和外界交换的热量系统选择不一样时，系统和外界交换的热量也不一样，可以是零，也可以不是零。也不一样，可以是零，也可以不是零。四、节流四、节流流体通过的截面面积突然减小流体通过的截面面积突然减小的现象称为节流。典型的不可的现象称为节流。典型的不可逆过程。逆过程。管道阀门管道阀门制冷制冷空调空调膨胀阀、毛细管膨胀阀、毛细管管道阀门制冷空调装置21hh2fs12 qhcgzw0000有有即即注意：节流过程并不是注意：节流过程并不是等焓过程，只是节流前等焓过程，只是节流前后的焓相等。节流过程后的焓
34、相等。节流过程本身是一个状态剧烈变本身是一个状态剧烈变化的非平衡过程。化的非平衡过程。五、管道五、管道火力发电火力发电蒸汽轮机的叶片通道蒸汽轮机的叶片通道核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机的叶片通道压气机的叶片通道喷管与扩压管喷管与扩压管喷管和扩压管能量方程喷管和扩压管能量方程喷管目的：喷管目的：压力降低，速度提高压力降低，速度提高扩压管目的：扩压管目的：动能与焓变相互转换动能与焓变相互转换速度降低，压力升高速度降低，压力升高动能参与转换，不能忽略动能参与转换，不能忽略0sw 0q 2/2sqhcg zw 0gz21212chhh 2/2sqhcgzw 叶
35、轮式机械叶轮式机械动力机动力机0q 压气机压气机0sw 21qhhh 换热器换热器节流节流0h12hh12swhhh h1h20q 0sw 管道管道0sw 0q 21212chhh 作业作业2-2、2-8、2-10、2-13，2-18课后思考题课后思考题 热力学第一定律小结热力学第一定律小结一、热力学第一定律的实质一、热力学第一定律的实质 （1 1）能量守恒与转换定律在热现象中的应用。）能量守恒与转换定律在热现象中的应用。（2 2）从能量的量的角度揭示自然界过程的能量转换关系。）从能量的量的角度揭示自然界过程的能量转换关系。表述进入系统的能量离开系统的能量进入系统的能量离开系统的能量 =系统能
36、量的增量系统能量的增量热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能时，它热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能时，它们间的比值是一定的。们间的比值是一定的。或：或：热可以转变为功，功也可以转变为热；一定量热可以转变为功，功也可以转变为热；一定量的热消失时，必产生相应量的功；消耗一定量的功时，的热消失时，必产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之对应的一定量的热。必出现与之对应的一定量的热。一般关系式二、热力学能和总能二、热力学能和总能1.1.热力学能热力学能物质内部微观粒子具有的能量的总和物质内部微观粒子具有的能量的总和U为为内内部储存能部储存能为为外外部储存能部储存能宏观动能宏观动能宏
37、观位能宏观位能2.2.总能总能三、热力学第一定律的一般表达式三、热力学第一定律的一般表达式一般关系式一般关系式 进入系统的能量进入系统的能量流出系统的能量系统能量的增量流出系统的能量系统能量的增量一般表达式一般表达式 syE11me22meQtotWsy)(dEE11Qem22totemWsysysydEEEE)d(sysy2211totd()QEememWtot1122sy)(WmemeEQ出：出：增量：增量：入：入：1122tot()()syQememWdEddQUWquwQUWquw 循环循环四、闭口系能量方程四、闭口系能量方程ddddddddddQUp VT Squp vT sQUp
38、VT Squp vT s 适用于任意工适用于任意工质，任意过程质，任意过程（闭口系）（闭口系）适用于任意工适用于任意工质，可逆过程质，可逆过程（闭口系）（闭口系）Q+min(u+pv+c2/2+gz)in-mout(u+pv+c2/2+gz)out -Wi=dEcv Wi Q moutuinuoutgzingzout212inc212outc min五、开口系统能量方程五、开口系统能量方程pvinpvout一般关系式一般关系式注意：注意：对于开口系统，对于开口系统，列能量方程式时候，列能量方程式时候，工质携带的能量除了工质携带的能量除了储存能外，还有推动储存能外，还有推动功。功。（一）推动功（
39、一）推动功 W推推=p A L=pV w推推=pv注意：注意：微元过程微元过程由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机由于工质的进出，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时所携带和所传递械功，表现为流动工质进出系统时所携带和所传递的一种能量的一种能量dWp Vpv m推 不是不是 mpdv v 没有变化没有变化（二）流动功（二）流动功1、定义：使工质流入和流出系统所做的、定义：使工质流入和流出系统所做的推动功的代数和称为流动功推动功的代数和称为流动功Wf，维持工质，维持工质流动所需的功。流动所需的功。Wf=-p1V1+p2V2 wf=(pv)（三）焓（三）焓Enthal
40、py 定义：定义：h=u+pv kJ/kg H=U+pV kJ 1、焓焓是状态量是状态量 state property2、H是组合是组合参数参数：H=U+pV 3、对流动工质，对流动工质，焓焓代表能量代表能量(热力学热力学能能+推进功推进功)对静止工质，对静止工质，焓焓不代表不代表能量能量4、物理意义：开口系中随工质物理意义：开口系中随工质流动而携带流动而携带的、取决的、取决 于热力状态的于热力状态的能量能量。（四）、稳定流动系统的能量方程（四）、稳定流动系统的能量方程2fst221112ddqhcg z wqh wqhv pT s 任意工质，任意过程任意工质，任意过程任意工质，可逆过程任意工
41、质，可逆过程任意工质，任意过程任意工质，任意过程注意：注意：闭口系能量方程，工质的能量为闭口系能量方程，工质的能量为u开口系能量方程，工质携带的能量为开口系能量方程，工质携带的能量为h（热力学能（热力学能+推动功推动功）六、功的类型及其区别和联系六、功的类型及其区别和联系 膨胀功膨胀功W 容积变化而引起的，若可逆容积变化而引起的，若可逆 轴功轴功Ws 通过叶轮机械的轴输出或输入的功通过叶轮机械的轴输出或输入的功 流动功流动功Wf 维持流动所需的功维持流动所需的功 技术功技术功W t技术上可资利用的功技术上可资利用的功,若可逆若可逆流动功技术功wt膨胀功w2/2sqhcgzw 叶轮式机械叶轮式机
42、械0q 0sw 21qhhh 换热器换热器节流节流0h12hh12swhhh h1h20q 0sw 管道管道0sw 0q 21212chhh 七、稳定流动系统能量方程的应用七、稳定流动系统能量方程的应用动力机动力机压气机压气机热力学第一定律能量方程分析的步骤 小结小结画简图，取定热力系分析与外界的相互作用写出对应的能量方程式按具体情况简化求解1119.0MPa,500 C,3386.8kJ/kgpthf150m/sc22f 24kPa,2226.9kJ/kg,=140m/sphc 小结例题小结例题解：解：（）选汽轮机开口系为热力系，汽轮机是对外输出功的动（）选汽轮机开口系为热力系，汽轮机是对外
43、输出功的动力机械，它对外输出的功是轴功。由稳定流动能量方程力机械，它对外输出的功是轴功。由稳定流动能量方程31.136 10 kJ/kg2sf12wqhcg z 22-32-3(15kJ/kg)(2226.93386.8)kJ/kg1(140m/s)(50m/s)109.8m/s(12m)102 2fs12 qhcg zw 第（）第（第（）第（44）问，实际上是计算不计动、位能差以及散热损失）问，实际上是计算不计动、位能差以及散热损失时，所得轴功的相对偏差时，所得轴功的相对偏差222-3fKE3s11|(140m/s)-(50m/s)1022=1.5%1.136 10 kJ/kgcw 2-3P
44、E3s|9.8m/s(-12m)10|=0.01%1.136 10 kJ/kgg zw3s|15kJ/kg=1.3%1.136 10 kJ/kgqqw334s220t/h 10 kg/t1.1361 0 kJ/kg=6.94 10 kW3600s/hmPq w（5）（4）（3）（2）10.1MPap310.86m/kgv 20.8MPap320.18m/kgv,分析：分析：压气机的工作过程：吸气、压缩、排气三个过程压气机的工作过程：吸气、压缩、排气三个过程已知：已知：10.1MPap 310.86m/kgv 20.8MPap 320.18m/kgv 150kJ/kgu 50kJ/kgq 小结例
45、题小结例题求：求：（1 1）？）？（2 2）？）？（3 3）？）？（1 1）压缩过程所做的功）压缩过程所做的功 由上述分析可知，在压缩过程中，进、排气阀关闭，由上述分析可知，在压缩过程中，进、排气阀关闭，因此取气缸中的气体为热力系。因此取气缸中的气体为热力系。闭口系闭口系 (50kJ/kg)150kJ/kg200kJ/kgwqu （2 2）生产压缩空气所需的功）生产压缩空气所需的功 开口系开口系 t()wqhqupv 33(50kJ/kg)(150kJ/kg)(0.8 10 kPa 0.18m/kg 330.1 10 kPa 0.86m/kg)258kJ/kg 小结例题小结例题（33）电动机的
46、功率）电动机的功率mt15kg258kJ/kg64.5kW60sPq w讨论：讨论：区分开所求功的类型（膨胀功、技术功还是轴功）区分开所求功的类型（膨胀功、技术功还是轴功）是本章的一个难点，可根据所举的例题仔细体会。是本章的一个难点，可根据所举的例题仔细体会。小结例题小结例题m150t/hq112kJ/kghm7700kg/hq742kJ/kgh41800kJ/kgq6418kJ/kgh 小结例题小结例题压压气气机机燃燃气气轮轮机机燃烧室燃烧室空空气气废废气气回热器回热器123456H1H7，QH6W进入：进入：空气：空气：H1=qm1h1；燃料：燃料：H7+Q=qm7（h7+q）离开：离开：
47、空气空气+燃料：燃料：H6=(qm1+qm7)h6；输出功率：输出功率：P解：解：（）将整个燃气轮机组取为一个开口系，工质经稳定流动（）将整个燃气轮机组取为一个开口系，工质经稳定流动过程，当忽略动、位能的变化时，整个系统能量平衡式为过程，当忽略动、位能的变化时，整个系统能量平衡式为（）由上述能量平衡式可得（）由上述能量平衡式可得617()QHHHPm7m1m76m1 1m77()()qqqqhq hqhPm7m1m76m1 1m77()()Pqqqqhq hqh700kg/h 41800kJ/kg(50t/h 1000kg/t 12kg/h)418kJ/kg1h(50t/h 1000kg/t
48、12kJ/kg 700kg/h 42kJ/kg)kW3600s 小结例题小结例题22C Vfoutfinsoutin11d22QEhcgzmhcgzmW解：解：取取A为为C.V.忽略动能差及位能差，则忽略动能差及位能差，则非稳定开口系非稳定开口系000 小结例题小结例题dddiihmEmu6g4 10132.87kg287 423.99pVmR T 流入：流入：hinmin 流出：流出：0 内增：内增：umin0huminhuddiih mmu221122umumummhii22305.3423.99K150.84 C0.72ihuT即2mmi或或 小结例题小结例题讨论：讨论：是否是因为忽略了
49、是否是因为忽略了cf,in？否否，即使，即使cf,in达当地音速（达当地音速（T=303K时，时，cf=349m/s），），也仅能使空气升温也仅能使空气升温85C，（1 1）非稳态流动问题可用一般能量方程式也可用基本）非稳态流动问题可用一般能量方程式也可用基本 原则。在一些条件下，后者常更方便。原则。在一些条件下，后者常更方便。（2 2）能量方程中若流体流出、入系统，物质能量用）能量方程中若流体流出、入系统，物质能量用h，若不流动用若不流动用u。（3）t2=150.84 30？说明说明是是推动功推动功转换成转换成热力学能热力学能即使向即使向真空系统输送，也需要推动功！真空系统输送，也需要推动功
50、！小结例题小结例题解：解：取气罐为系统。考虑一股流体流入，无流出取气罐为系统。考虑一股流体流入，无流出2CVinfs12QdEmhcgZW 小结例题小结例题CVindEm h221 1in21211 122m umum hmm hmm hmuum积分2CVinfs12QdEmhcgzW0 小结例题小结例题000indUm h容器静止容器静止思考题思考题1、热力学第一定律的实质是什么？、热力学第一定律的实质是什么？2、工程热力学中，热力学能包含哪几项能量形式？、工程热力学中，热力学能包含哪几项能量形式？3、写出稳定流动系统的能量方程式，当用于锅炉、汽轮机及、写出稳定流动系统的能量方程式，当用于锅
