1、2023年3月22日第二章 热力学第一定律2第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律2-1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质2-2 闭口系统能量方程式闭口系统能量方程式2-3 开口系统能量方程式开口系统能量方程式2-4 稳定状态稳定流动能量方程式稳定状态稳定流动能量方程式2-5 轴功轴功2-6 稳定流动能量方程式应用举例稳定流动能量方程式应用举例本章小结本章小结2023年3月22日第二章 热力学第一定律32 2-1 1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质热力学第一定律：热力学第一定律：热能作为一种能量形态，可以和其它能量形态相互转换，热能作为一种能量形态，可以和其它能量形态相互
2、转换，转换中能量的总量守恒。转换中能量的总量守恒。热力学第一定律热力学第一定律的本质：的本质：自然界中物质所具有的能量，既不能创造也不能消灭，而只能从一自然界中物质所具有的能量，既不能创造也不能消灭，而只能从一种能量形态转换为另一种能量形态，转换中能量的总量守恒。种能量形态转换为另一种能量形态，转换中能量的总量守恒。对任何系统，各项能量之间的平衡关系一般可表示为：对任何系统，各项能量之间的平衡关系一般可表示为：进入系统的能量进入系统的能量 -离开系统的能量离开系统的能量=系统储存能量的变化系统储存能量的变化能量守恒和转换定律能量守恒和转换定律2023年3月22日第二章 热力学第一定律4WQwq
3、对一个热力循环对一个热力循环第一类永动机是不可实现的。第一类永动机是不可实现的。2023年3月22日第二章 热力学第一定律5例例2-1 2-1 一台一台1010kWkW的柴油机，耗油量为每小时的柴油机，耗油量为每小时2kg2kg。试求其废气及冷却水每小时排出的热量。试求其废气及冷却水每小时排出的热量。2023年3月22日第二章 热力学第一定律62-2 2-2 闭口系统能量方程式闭口系统能量方程式系统的系统的热力学能热力学能U：系统内部各种形式能量的总和。系统内部各种形式能量的总和。比比热力学能热力学能 u(J/kg)：mUu),(1vpuu),(2Tvuu),(3Tpuu 热力学能是状态参数。
4、热力学能是状态参数。对于无化学反应的气态物质组成的系统：对于无化学反应的气态物质组成的系统：2023年3月22日第二章 热力学第一定律7系统的总能量系统的总能量 E（J）：pkEEUE与系统整体运动有关与系统整体运动有关)(pKeeummegzcumf)21(2 系统的能容量包括系统的热力学能、宏观动能、系统的能容量包括系统的热力学能、宏观动能、宏观位能三者之和，是状态量。宏观位能三者之和，是状态量。2023年3月22日第二章 热力学第一定律8WEQd则则211221)(WUUQwuqd211221)(wuuq闭口系统闭口系统,与外界间可能发生的能量交换：与外界间可能发生的能量交换：Q和和W闭
5、口系统能量方程：闭口系统能量方程：若系统不做整体位移：若系统不做整体位移：WUQd0pkEEUEdd适用条件适用条件：任何工质、任何过程：任何工质、任何过程2023年3月22日第二章 热力学第一定律9对可逆过程对可逆过程:vpwd则则VpUQdd2112d)(VpUUQ21vpuqdd211221d)(vpuuq2023年3月22日第二章 热力学第一定律10例例2-2 2-2 在内燃机的压缩过程中，气体的热力学能增加了在内燃机的压缩过程中，气体的热力学能增加了370J370J，过程中气体向冷却水放热过程中气体向冷却水放热2020J J，试求过程中消耗的压缩功。，试求过程中消耗的压缩功。2023
6、年3月22日第二章 热力学第一定律11例例(习题习题2-7)2-7)：一个热机循环由：一个热机循环由1-21-2、2-32-3及及3-13-1三个过程组成。已知三个过程组成。已知 Q1-210 kJ，Q2-330 kJ，Q3-125 kJ；U1-220 kJ，U3-120 kJ。求求W2-3 及循环净功。及循环净功。2023年3月22日第二章 热力学第一定律122-3 2-3 开口系统能量方程式开口系统能量方程式质量守恒质量守恒：21dmmmdddd21mmm21mmqq该式称为该式称为连续性方程式连续性方程式，它说明单位时间内开口系统中工质质它说明单位时间内开口系统中工质质量增加的数量等于流
7、入和流出系统的质量流量之差量增加的数量等于流入和流出系统的质量流量之差。2023年3月22日第二章 热力学第一定律13推动功推动功:在进出口边界上推动工质流入或流出系统所消耗的功量。在进出口边界上推动工质流入或流出系统所消耗的功量。iiiiiiiimvpAVApxFd)(d系统推动工质流出系统消耗的推动功系统推动工质流出系统消耗的推动功 eeemvp开口系统对外界输出的净推动功为开口系统对外界输出的净推动功为111222mvpmvp即即外界推动工质流入系统所消耗的推动功外界推动工质流入系统所消耗的推动功iiimvp 推动功的大小取决于跨越界面的流动工质的质量及其状态。推动功的大小取决于跨越界面
8、的流动工质的质量及其状态。分别为这部分要跨越边界的流动工质的参数。分别为这部分要跨越边界的流动工质的参数。mvp,2023年3月22日第二章 热力学第一定律14开口系统能量方程：开口系统能量方程：)()(d2211111222smememvpmvpWQE整理，有整理，有:)21(d2222f222vpgzcumEs1112f111)21(Wvpgzcum)(dd2222vpeqEQms1111)(WvpeqmsWvpemvpemEQ )()(d11112222)21(dd2222f222vpgzcuqEms1112f111)21(Wvpgzcuqm适适用用任任何何工工质质 任任何何开开口口系系
9、统统2023年3月22日第二章 热力学第一定律152 2-4 4 稳定状态稳定流动能量方程式稳定状态稳定流动能量方程式0ddmqm1=qm2=qm=常量常量0ddEs122f12f2112212)()(21)()(PzzgccvpvpuuqQmmqQqmqPwsss122f12f2112212)()(21)()(wzzgccvpvpuuq取取一个开口系统满足稳定状态稳定流过程（一个开口系统满足稳定状态稳定流过程（SSSF）的条件：）的条件：（系统内各处的总能量不变）（系统内各处的总能量不变）稳定状态稳定流（稳定状态稳定流（SSSFSSSF）动能量方程式：）动能量方程式：则则2023年3月22日
10、第二章 热力学第一定律16焓焓pvuhpVUH状态参数状态参数 焓并不能看作是工质储存的能量，可近似看成随工质焓并不能看作是工质储存的能量，可近似看成随工质流动一起转移的能量。流动一起转移的能量。热力学能是工质内部储存能量的唯一形式。热力学能是工质内部储存能量的唯一形式。由可逆过程由可逆过程 vpuqddpvuh，有有vppvhvph-pvqd)(ddd)d(即即可逆过程可逆过程中热力学第一定律另一主要形式中热力学第一定律另一主要形式。，对对1kg1kg流动工质，其稳定状态稳定流动能量方程式流动工质，其稳定状态稳定流动能量方程式:s122f12f212)()(21)(wzzgcchhqpvhq
11、dd2023年3月22日第二章 热力学第一定律172 2-5 5 轴功轴功112212svpvpuuqw1221f22f21zzgccwuuq121122svpvpww1221f22f21zzgcc由稳定流动能量方程式，可得轴功与其他形式能量间的关系为：由稳定流动能量方程式，可得轴功与其他形式能量间的关系为：由由可得可得 上上式说明：稳定流动过程中开口系统所作的式说明：稳定流动过程中开口系统所作的轴功轴功是工质的容积是工质的容积变化功在扣除了净推动功以及增加的流动动能、重力位能之后，通变化功在扣除了净推动功以及增加的流动动能、重力位能之后，通过边界输出的功。过边界输出的功。2023年3月22日
12、第二章 热力学第一定律18技术功技术功 wt ：工程上可以直接利用的机械能：工程上可以直接利用的机械能1221f22ft21zzgccwws可逆过程可逆过程，有，有 21112221tddpvvpvpvpw若可以忽略进出口动能和位能变化，有若可以忽略进出口动能和位能变化，有 tsww iepieksEEWW,t 1122vpvpw则稳定流动能量方程式可表示为：则稳定流动能量方程式可表示为：t12)(whhq2023年3月22日第二章 热力学第一定律192 2-6 6 稳定流动能量方程式应用举例稳定流动能量方程式应用举例1.1.换热器换热器则则 s122f12f212)()(21)(wzzgcc
13、hhq（1 1）单以一种工质为系统（如）单以一种工质为系统（如1 1流体）流体）1 1、2 2两流体通过管壁进行热两流体通过管壁进行热量交换，壳体与外界绝热。量交换，壳体与外界绝热。12hhq工质吸收（或放出）的热量等于其焓增（或焓减）。工质吸收（或放出）的热量等于其焓增（或焓减）。s122f12f212)()(21)(wzzgcchhq0002023年3月22日第二章 热力学第一定律20（2 2）以整个换热器中的工质为系统）以整个换热器中的工质为系统若忽略进出口动能变化及位能变化，则若忽略进出口动能变化及位能变化，则一种流体的焓增加等于另一种流体的焓减。一种流体的焓增加等于另一种流体的焓减。
14、即即一种流体的吸收的热量等于另一种放出的热量。一种流体的吸收的热量等于另一种放出的热量。进入系统的能量进入系统的能量 =离开系统的能量离开系统的能量对对SSSF,系统本身能量变化为零，则系统本身能量变化为零，则4231HHHH3421HHHH31QQ即即2023年3月22日第二章 热力学第一定律212.2.涡轮机或压气机涡轮机或压气机即涡轮机依靠工质的焓降而输出轴功，即涡轮机依靠工质的焓降而输出轴功，压气机消耗轴功使工质的焓增加。压气机消耗轴功使工质的焓增加。s122f12f212)()(21)(wzzgcchhq)(12shhqw则则 若可看成绝热的，若可看成绝热的，q=02112s)(hh
15、hhw00则则 2023年3月22日第二章 热力学第一定律223.3.喷管和扩压管喷管和扩压管0)(21212221ffcchh则则一种特殊的管道，流体一种特殊的管道，流体流经喷管后流经喷管后p，cf。s122f12f212)()(21)(wzzgcchhq000h即即 喷管是依靠工质的焓降来使工质的流动动能增大，喷管是依靠工质的焓降来使工质的流动动能增大，而获得高速流体的。而获得高速流体的。2023年3月22日第二章 热力学第一定律234.4.绝热节流绝热节流s122f12f212)()(21)(wzzgcchhq000012hh 则则对非绝热的节流，对非绝热的节流，。注意：注意：绝热节流前
16、后焓值相等绝热节流前后焓值相等，但不是一个定焓过程。，但不是一个定焓过程。节流过程是不可逆过程。节流过程是不可逆过程。对绝热节流前后，虽能量在数量上不变，但能质衰贬。对绝热节流前后，虽能量在数量上不变，但能质衰贬。12HH 12HH QHH122023年3月22日第二章 热力学第一定律24例例2-32-3 如图所示为一台燃气轮机装置，其空气消耗量如图所示为一台燃气轮机装置，其空气消耗量qm,a=100kg/s。压气机入口空气的焓。压气机入口空气的焓h1=290kJ/kg，出口的压缩空气出口的压缩空气的焓的焓h2=580kJ/kg；在燃烧室中压缩空气和燃料混合燃烧，燃烧生；在燃烧室中压缩空气和燃
17、料混合燃烧，燃烧生成的高温燃气的焓成的高温燃气的焓h3=1250kJ/kg；高温燃气送入涡轮机中膨胀作；高温燃气送入涡轮机中膨胀作功，作功后排出废气的焓功，作功后排出废气的焓h4780kJ/kg。试求：试求：(1)(1)压气机消耗的功率；压气机消耗的功率；(2)(2)燃料的发热量为燃料的发热量为43960kJ/kg 43960kJ/kg 时的燃料消耗量；时的燃料消耗量；(3)(3)涡轮机输出的功率；涡轮机输出的功率；(4)(4)燃气轮机装置的总功率。燃气轮机装置的总功率。2023年3月22日第二章 热力学第一定律25解解 分别以压气机、燃烧室、涡轮机中的工质为研究对象，分别以压气机、燃烧室、涡
18、轮机中的工质为研究对象，按按SSSF能量方程能量方程（1）以压气机的工质为研究对象，对）以压气机的工质为研究对象，对1kg空气空气压压气机消耗功率：气机消耗功率：kgkJ29058029021cs,hhhwkW10921002904cs,.qwPa,mc2023年3月22日第二章 热力学第一定律26法法1：进：进=离离（2）以燃烧室中的工质为研究对象，）以燃烧室中的工质为研究对象，认为燃气的质量流量为认为燃气的质量流量为 ，fa,m,mqq 2023年3月22日第二章 热力学第一定律27若忽略燃料的质量，而按燃气和空气的流量相同计算，若忽略燃料的质量，而按燃气和空气的流量相同计算，则加热则加热
19、1kg空气所需的加热量为空气所需的加热量为于是按燃料的发热量于是按燃料的发热量Qf可求得燃料的消耗量为可求得燃料的消耗量为kJ/kg6705801250231 hhqskg5.143960100670f,1f,Qqqqamm2023年3月22日第二章 热力学第一定律28（3）以涡轮机的工质为研究对象，）以涡轮机的工质为研究对象，涡轮机消耗涡轮机消耗的功率：的功率：kgkJ47078012504334Ts,hhhwkW1077.447057.101)(4f,Ts,T mamqqwP(4)燃气轮机装置的总功率等于涡轮机发出的功率及压气机燃气轮机装置的总功率等于涡轮机发出的功率及压气机消耗功率之差，
20、即消耗功率之差，即kW101.8710)90.277.4(44T cPPP2023年3月22日第二章 热力学第一定律29若本题事先已知若本题事先已知只求燃气轮机装置的总功率，最好怎么办？只求燃气轮机装置的总功率，最好怎么办？skg57.1f,mqkgkJ43960f Q按按SSSF能量方程能量方程4a,f,1a,ff,)(hqqPhqQqmmmm )()(4ff,41a,hQqhhqPmm kW1088.1)78043960(57.1)780298(1004 则则以整个燃气轮机装置为系统。以整个燃气轮机装置为系统。例例2-4（非重点）（非重点）2023年3月22日第二章 热力学第一定律30本章
21、小结：本章小结：热力学第一定律热力学第一定律 闭口系统能量式闭口系统能量式 开口系统能量式开口系统能量式 焓、轴功焓、轴功稳定状态稳定流动能量式稳定状态稳定流动能量式作业：作业：2-2,2-7,2-11,2-142023年3月22日第二章 热力学第一定律312023年3月22日第二章 热力学第一定律322023年3月22日第二章 热力学第一定律332023年3月22日第二章 热力学第一定律34思考题思考题2-12-1 试说明热力学能的定义及其物理意义。试说明热力学能的定义及其物理意义。2-22-2 按照热力学第一定律能量方程式按照热力学第一定律能量方程式QUW 设式中各项可任意改变其正负号，试
22、说明相应的能量设式中各项可任意改变其正负号，试说明相应的能量 转换关系，并举一二个实例。转换关系，并举一二个实例。2-32-3 试说明下列三式的物理意义，试说明下列三式的物理意义，dUW，dUpdV，dUd(pV)它们三者或其中两者各在什么条件下可以彼此相等？它们三者或其中两者各在什么条件下可以彼此相等？2-4 2-4 试说明焓的定义及应用于开口系统时的物理意义。试说明焓的定义及应用于开口系统时的物理意义。2023年3月22日第二章 热力学第一定律35思考题思考题2-52-5 何谓稳定状态稳定流动过程？试分析该过程中工质所经何谓稳定状态稳定流动过程？试分析该过程中工质所经历的状态变化过程，与闭
23、口系统中工质所经历的状态变化过历的状态变化过程，与闭口系统中工质所经历的状态变化过程的相似之处。程的相似之处。2-6 2-6 一个充气的玩具橡皮气球放置于一真空容器中。若气球一个充气的玩具橡皮气球放置于一真空容器中。若气球突然爆破，试分析所发生的能量转换。突然爆破，试分析所发生的能量转换。2-7 2-7 一个绝热材料所制成的小瓶内盛有气体，而小瓶放置在一个绝热材料所制成的小瓶内盛有气体，而小瓶放置在绝热材料所制成的真空容器中。因小瓶密封不严，瓶内气体绝热材料所制成的真空容器中。因小瓶密封不严，瓶内气体慢慢逸出容器，直至瓶内、外气体压力相同为止。试分析漏慢慢逸出容器，直至瓶内、外气体压力相同为止。试分析漏气停止时下述三部分在漏气过程中所经历的能量转换：气停止时下述三部分在漏气过程中所经历的能量转换：(1)(1)瓶瓶内气体；内气体；(2)(2)瓶外气体；瓶外气体；(3)(3)全部气体。全部气体。
