热工基础电子教案(2)

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1、第二章：热力学基本定律热力学第一定律说明了功热变换的数量关系.第二定律说明了能量不但有数量关系还有品质关系.热力学第一定律1.1.第一定律的实质蒸汽机发明之后，功与热如何转换，转换的数量关系如何，吸引了许多科学家研究。最有名的焦耳－汤母逊实验。做功使系统温度升高，散热使系统平衡，发现在热力过程中，热功总量是不变的，热可以变成功，功可以变为热。热力学第一定律的实质即能量守恒定律。是能量守恒定律在热力学过程中的具体应用。可表述为：热力学过程中，功与热可以互相转换，但能量总和守恒。第一类永动机是造不成的。1.2.热力学第一定律的一般表达

2、式及系统的内能(热力学能)能量守恒一般可写成：进入系统的能量—流出系统的能量＝系统内部能量的增量对于一个封闭系统闭循环过程称为系统的内能，也称系统的热力学能。内能(热力学能)——工质微观粒子所具有的能量，包括：内动能，内位能。对简单可压缩系统：内动能——与温度Ｔ有关内位能——与分子间距有关（d）因此：U=U（T，v）单位：kJ，J内能是状态参数；单位质量工质的内能称比内能（强度量）(kJ/kg)有了内能这个状态参数之后，就或写出闭系的能量守恒定律表达式：(第一定律的表达式）一个气缸活塞系统是一个典型的闭口系统如果给气缸供热:dQ活

3、塞移动对外做功：dW活塞内气体增加的内能为：dU由能量守恒定律得：dxppbA对于可逆过程dw=pAdx=pdV∴dQ=dU+pdV1.3系统总能量在参考坐标系中，热力系作为一个整体，由于宏观运动速度不同，或在重力场中高度变化，而储有外部能量。外部能量包括宏观动能：重力位能：系统总能量是内部能量与外部能量之和对单位工质：一般情况下，只有内能，但在高速（如喷管）和高位情况下要考虑内外能。考虑了外能及内能作为总能之后，第一定律表达式为：上式对任意系统都成立，是能量守恒定律的具体运用。1.4稳定流动系统的能量方程稳定流动系统是指热力系内

4、各点参数不随时间变化的系统。特征：①进出口工质状态不随时间变化；②进出口工质流量相等；③与外界交换能量的速率不随时间变化。（１）推动功、流动功考察如下图的一个稳定流动系统（外界对系统作功为负）m1V1p1m2V2p2F1F2Q开口系A1，L1A2，L2把V1m1的流体压入系统，外界要做功（推动功）同理，系统要将V2m2这段气体推出系统，要做功进出口推动功（推功流体流动外界所需要的做的功）之和为流动功，是维持流动所需的。（２）稳定流动系统的能量方程设在τ时间内，系统吸热Ｑ，外界对系统作功Ｗsh。m1流进，m2流出，显然m1=m2=m

5、由１工质进入带入的能量：由２工质流出带出的能量：系统除维持工质流动之外，还通过机器的轴向外输出轴功，如蒸汽机的叶轮。因此系统与外界交换的总功为：对稳定流动情况，进出系统能量之和为零*：为方便计算，引进一状态参数Ｈ＝Ｕ＋pV（称为焓）它是一个状态参数，由状态参数构成；焓是开口系中流入或流出工质所带的基本能量。于是：对于一个微小过程：对单位工质而言：（３）技术功令技术功是技术上可以利用的能量．所以：进行变换：比较闭系的能方程：Ｑ－△Ｕ＝ＷＷ＝Ｗt＋△（pＶ）技术功与流动功均是膨胀功转化而来．∴Ｗt＝Ｗ－△（pＶ）等于膨胀功减去流动功

6、．对于可逆过程：1.5能量方程式的应用第一定律的能量方程式，是能量守恒定律应用于热力过程的数学描述，是一切过程必须遵守的，但对不同的过程，有不同的形式：下面以几种典型设备为例进行具体分析。（１）热力发动机*主要是叶轮式机械（包括：内燃机、蒸汽机、燃气轮机等）由时间短，进出口的高差不大，速度变化不大，传热散热可忽略，所以基本方程可简单写为：这说明，对外轴功来源于工质进出口焓降。*Wsh12（２）压气机对于耗功机械，如压气机，水泵等，有少量放热。（略有散热）Wsh12所以:如果不考虑散热Wsh=-(h2-h1)（应取负值）。(2)喷

7、管喷管是使气体加速的设备，主要是一个变截面的流道，对稳流，高速情况，散热可忽略：q＝０气流流过喷管时无净功输入输出Ｗsh＝０高度差△Ｚ＝０所以因此有宏观动能的增加来源于进出口焓变（４）热交换器换热器表面两边的流体各构成一个开系。取１－２间的流体分析1234’方程变为*：对3－4的流体同样可写出：(5)节流换热总量相等流体流动截面突然缩小，称之为节流（如：阀门，孔板）这是一个典型的非平衡过程，有摩擦、涡流等。１－２之间流体组成的热力系时间短：进出口速度一样:进出口无高差:所以重要结论：理想气体节流过程前后焓值不变