PPT《第二章热力学第一定律》

第二章热力学第一定律 The First Law of Thermodynamics 南京航空航天大学 能源与动力学院2014 教学要求 正确认识各种不同形式能量的能力 掌握体积变化功、推动功、轴功和技 术功的概念及计算式 根据实际问题建立具体能量方程的能 力和利用能量方程进行分析计算能力 §2-1 热力学第一定律 来源: 19世纪30-40年代,迈耶,焦耳等发现并确定了能量转换与守恒定律.

恩格斯将这列为19世纪三大发现之一(细胞学说、达尔文进化论). 能量转换与守恒定律定律指出:一切物质都具有能量.能量既不可能创造,也不能消灭,它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式.而在转换中,能量的总量恒定不变. 能量转换与守恒定律 认识个别、特殊能量 机械能、电能、磁能等有序能的守恒 热现象不是一个独立的现象, 其它形式的能量都最终转化为热能 热力学第一定律的本质 ? 1909年,C. Caratheodory最后完善热一律 本质:能量转换及守恒定律在热过程中的应用 ? 18世纪初,工业革命,热效率只有1% ? 1842年,J.R. Mayer阐述热一律,但没有 引起重视 ? 1840-1849年,Joule用多种实验的一致性 证明热一律,于1950年发表并得到公认 焦耳实验

1、重物下降,输 入功,绝热容 器内气体 T ?

2、绝热去掉,气体T?,放出 热给水,T 恢复 原温. 热功当量1 cal = 4.1868 kJ 在工程热力学的范围内,主要考虑热能与机械能之间的相互转换与守恒,因此热力学第一定律可表述为:热可以变为功,功也可以变为热,在相互转变时能的总量是不变的. 热力学第一定律的表达 热指的是什么?是热量吗? 热能又是什么? 能量是物质运动的度量,运动有各种不同的形态,相应的就有各种不同的能量.系统储存的能量称为储存能,它有内部储存能与外部储存能之分.系统的内部储存能即为热力学能 系统的能量 定义 系统内部各种形式能量的总和称为系统的热力学能,简称为内能 U.单位质量的热力学能称为比内能 u. 单位: J/kg、kJ/kg §2-2 热力学能(内能) Internal energy 内能的组成 热力学能是储存在系统内部的能量,是下列各种能量的总和: 分子热运动形成的内动能.它是温度的函数. 分子间相互作用形成的内位能.它是比体积和温度的函数. 维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子能及电磁场作用下的电磁能等. 内能的组成 分子动能分子位能 binding forces化学能 chemical energy核能 nuclear energy 内能 microscopic forms of energy ? ? 移动 translation 转动 rotation 振动 vibration T v 内能是状态参数,是热力状态的单值函数: 热力学内能性质 内能总以变化量出现,内能零点人为定 需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量,称为外部储存能,它包括系统的宏观动能和重力位能: 重力位能: 宏观动能: 外部储存能 定义 macroscopic forms of energy 系统总能 total energy 外部储存能macroscopic forms of energy 宏观动能 kinetic Ek= mc2/2宏观位能 potential Ep= mgz 机械能 系统总能 E = U + Ek + Ep e = u + ek + ep 一般与系统同坐标,常用U, dU, u, du 思考宏观动能和内动能的区别? 热力学第一定律基本表达式 加入系统的能量总和――热力系统输出的能量总和= 热力系总储存能的增量 §2-3 热力学第一定律导出 加入系统的能量总和-热力系统输出的能量总和= 热力系总储存能的增量 E E+dE 如果是闭口系,如何简化? 闭口系统的热一律基本表达式 闭口系, 忽略宏观动能Uk和位能Up, 第一定律第一解析式― 功的基本表达式 热 闭口系统循环的热一律表达式 要想得到功,必须化费热能或其它能量 热一律又可表述为 第一类永动机是 不可能制成的 Perpetual Cmotion machine of the first kind 内能及闭口系热一定律 定义 dU = ? Q - ? W 内能U 状态函数 ?Q = dU + ?WQ = ? U + W 闭口系热一定律表达式 !!!两种特例 绝功系 ? Q = dU 绝热系 ? W = - dU 内能U 的物理意义 dU = ? Q - ? W dU 代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值,也即系统内部能量的变化. U 代表储存于系统内部的能量 ? 内储存能(又称为内能、热力学能) ? W ? Q 热一定律总结 热一定律: 体现了能量在数量上的守恒 = 进入系统的能量 离开系统的能量 系统内部储存能量的变化 - §2-4 闭口系能量方程 ? W ? Q 一般式 ?Q = dU + ?W Q = ?U + W ?q = du + ?w q = ?u + w 单位工质 适用条件: 1)任何工质 2) 任何过程 3)忽略了系统动能和势能变化 Energy balance for closed system 闭口系能量方程中的功 功(? w) 是广义功 ? 闭口系与外界交换的功量 ?q = du + ?w 准静态容积变化功 pdv拉伸功 ?w拉伸= - ?dl表面张力功 ?w表面张力= - ? dA ?w = pdv - ?dl - ? dA +…... 闭口系能量方程的通式 ?q = du + ?w 若在地球上研究飞行器 ?q = de + ?w = du + dek + dep + ?w 工程热力学用此式较少 闭口系经历准静态和可逆过程 简单可压缩系准静态过程 ?w = pdv 简单可压缩系可逆过程 ? q = Tds ?q = du + pdv q = ? u + ? pdv 热一律解析式之一 Tds = du + pdv ? Tds = ? u + ? pdv 热一律解析式之一 思考利用闭口系统的热一定律,分析下列两种方法的可行性:1)打开冰箱的门,使整个房间内空气的温度降低;

2)打开空调,使整个房间内空气的温度降低;

假设房间为闭口系统,空气的温度随内能变大而单调增加. 门窗紧闭房间用电冰箱降温 以房间为系统 绝热闭口系 闭口系能量方程 T 电冰箱 RefrigeratorIcebox 门窗紧闭房间用空调降温 以房间为系统 闭口系 闭口系能量方程 T 空调 Q Air-condition 归纳热力学解题思路 1)取好热力系;

2)计算初、终态;

3)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 4)不可逆过程的功可尝试从外部参数着手. § 2-5 开口系能量方程 ?Wnet ?Q ?min ?mout uin uout gzin gzout 能量守恒原则进入系统的能量 -离开系统的能量 =系统储存能量的变化 Energy balance for open system 推动功的引入 推动功:工质在开口系统中流动而传递的功. 在作推动功时,工质的状态没有改变(如图中的C点),因此推动功不会来自系统的储存能-热力学能,而是系统以外的物质,这样的物质称为外部功源. 工质在传递推动功时只是单纯地传递能量,像传输带一样,能量的形态不发生变化. Flow work 推动功的表达式 推动功(推进功) p A p V l W推=pAl=pV w推= pv 注意: 不是 pdv v 没有变化 流动功(推动功之差) 工质在流动时,总是从后面获得推动功,而对前面作出推动功,进出系统的推动功之差称为流动功(也是系统为维持工质流动所需的功). 流动功的表达式 对推进功/流动功的说明

1、与宏观流动状态有关

2、作用过程中,工质仅发生位置变化,无状态变化

3、w推=pv与所处状态有关,是状态量

4、并非工质本身的能量(动能、位能)变化引起,而由外界做出,流动工质所携带的能量 开口系能量方程的推导 ?Wnet ?Q pvin ?mout uin uout gzin gzout ?Q + ?min(u + c2/2 + gz)in- ?mout(u + c2/2 + gz)out - ?Wnet = dEcv ?min pvout 开口系能量方程微分式 ?Q + ?min(u + pv+c2/2 + gz)in - ?Wnet - ?mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv 工程上常用流率 开口系能量方程微分式 当有多条进出口: 流动时,总一起存在 焓Enthalpy的引入 定义:焓h=u+pv h h 开口系能量方程 焓Enthalpy的 说明 定义:h = u + pv [ kJ/kg H = U + pV [ kJ ]

1、焓是状态量 state property

2、H为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh h为比参数

3、对流动工质,焓代表能量(内能+推进功) 对静止工质,焓不代表能量,仅表示一种状态参数

4、物理意义:开口系中随工质流动而携带的、取决 于热力状态的能量. §2-6 稳定流动能量方程 ?Wnet ?Q ?min ?mout uin uout gzin gzout 稳定流动条件

1、

2、

3、 轴功Shaft work 每截面状态不变

4、 Energy balance for steady-flow systems 稳定流动能量方程的推导 稳定流动条件

0 稳定流动能量方程的推导 1kg工质 稳定流动能量方程 适用条件: 任何流动工质 任何稳定流动过程 Energy balance for steady-flow systems 技术功 technology work 动能 工程技术上可以直接利用 轴功 机械能 位能 单位质量工质的开口与闭口 ws q 稳流开口系 闭口系(1kg) 容积变化功 等价 技术功 稳流开口与闭口的能量方程 容积变化功w 技术功wt 闭口 稳流开口 等价 轴功ws 推进功?(pv) 几种功的关系? 几种功的关系 w wt (pv) c2/2 ws gz 做功的根源 ws 准静态下的技术功 准静态 准静态 热一律解析式之一 热一律解析式之二 技术功在示功图上的表示 对功的小结

2、开口系,系统与外界交换的功为轴功ws

3、一般情况下忽略动、位能的变化

1、闭口系,系统与外界交换的功为容积变化功w ws?wt § 2-6 稳定流动能量方程应用 热力学问题经常可忽略动、位能变化 例:c1 =

1 m/s c2 =

30 m/s (c22 - c12) /

2 = 0.449 kJ/ kg z1 =

0 m z2 =

30 mg ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg 1bar下,

0 oC水的 h1 =

84 kJ/kg100 oC水蒸气的 h2 =

2676 kJ/kg 例1:透平(Turbine)机械 火力发电核电 飞机发动机轮船发动机移动电站 燃气轮机 蒸汽轮机 Steam turbine Gas turbine 透平(Turbine)机械 1) 体积不大 2)流量大 3)保温层 q ?

0 ws = -h = h1 - h2>

0 输出的轴功是靠焓降转变的 例2:压缩机械 Compressor 火力发电核电 飞机发动机轮船发动机移动电站 压气机 水泵 制冷空调 压........