工程热力学热力学第一定律

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第二章热力学第一定律第一篇工程热力学

1本章主要内容热力学第一定律的实质系统储存能闭口系能量方程状态参数焓开口系能量方程及其应用2

22-1热力学第一定律的实质19世纪30-40年代，迈尔·焦耳（德国医生）发现并确定了能量转换与守恒定律。恩格斯将其列为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指出：一切物质都具有能量。能量既不可能被创造，也不可能被消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换过程中，能的总量保持不变。3

3实质：热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热力学中的具体应用。热功转换可归结为两种运动形式之间的转化：宏观物体的机械运动微观分子的热运动意义：确定了热能和机械能之间相互转换的数量关系，是工程热力学的理论基础之一，是热工分析与计算的理论依据。表述：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。4

4第一类永动机第一类永动机：不消耗能量而能对外连续作功的机器。故热力学一定律也可表述为：“第一类永动机是永远也造不成的”。5

5永动机设想？Q锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器WnetQout电加热器6

62-2系统储存能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。7

7一、热力学能1.概念：热力学能是储存在系统内部的各种微观能量的总称。（即内能）热力学能符号：U，单位：J或kJ比热力学能（即1kg物质的热力学能）符号：u，单位：J/kg或kJ/kg8

82.微观组成：内动能：分子热运动（移动、转动、振动）形成的内动能。它是温度的函数。内位能：分子间相互作用形成的内位能。它是比体积的函数。其它能：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。注意：工程热力学中只考虑内动能和内位能。所以有：u=f(T,v)9

93.热力学能特性：热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数；其变化量与过程无关，只与初终状态有关；pv12ab010

10二、外部储存能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。宏观动能：m—物体质量；c—运动速度重力位能：z—相对于系统外的参考坐标系的高度11

11系统总储存能(E)=热力学能(U)+外储存能(Ek+Ep)单位质量工质的比储存能：三、系统的总储存能12

121-3闭口系能量方程式闭口系：在热力过程中（如图所示），系统从外界热源取得热量Q，对外界作膨胀功W，则=进入系统的能量离开系统的能量系统储存能的变化量-能量平衡关系式：WQ1213

13对于不作整体移动的闭口系，系统宏观动能和位能的变化可忽略不计，则有：对于微元过程，有：对于单位质量工质，有：各项正负号的规定：吸热、热力学能增加和对外作功为正，放热、热力学能减少和消耗外功为负。热变功的根本途径热力系吸收的能量增加系统的热力学能对外膨胀作功14

14例题分析例2-1气体在某一过程中吸收的热量为50J，同时热力学能增加了84J，问此过程是膨胀过程还是压缩过程?作功量为多少?解：根据题意，有Q=50J，ΔU=84J，由闭口系能量方程式，可得W=Q-ΔU=50-84=-34J<0可见，此过程为压缩过程，外界对气体作功34J。15

15思考题1、判断下列说法是否正确？为什么？（1）工质吸热后一定会对外膨胀作功；（2）工质吸热后热力学能一定增加；（3）工质被压缩时一定要消耗外功。16

16在热力设备中，工质的吸热和作功过程往往伴随着工质的流动而进行。除了热和功的交换外，还有物质交换，此时热力系属开口系。如火力发电厂中，给水在锅炉各受热面及加热器中的吸热过程；蒸汽在汽轮机中的膨胀作功过程等。新课引入17

17一、推动功与流动净功1.推动功：工质在流过热力设备时，必须受外力推动，这种推动工质流动而作的功称为推动功（或流动功）则外界对1kg工质所作的推动功为：w推=pv1-4状态参数焓如图所示，如果将质量为mkg的工质送入气缸内，使活塞上升h的高度，则此过程中外界克服系统内阻力而对该工质所作的推动功为：W推=pAh=pV=mpv18

18对推动功的理解与宏观流动有关，流动停止，推动功就不存在；并非工质本身具有的能量，而是由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带和传递的能量，并不改变工质的热力状态；它是用来维持工质流动的，是伴随工质流动而带入或带出系统的能量；w推＝pv，与所处状态有关，是状态量。（推动功→压力位能）19

192.流动净功流动净功：对于同时有工质进、出的开口系，系统与外界交换的推动功的差值，称为流动净功。流动净功可视为由于工质的进出，系统与外界传递的能量。20

20二、焓对于mkg工质：焓=热力学能+推动功2.焓的物理意义：工质在流动状态下所具有的总能量中，取决于热力状态的那部分能量。对于1kg工质：h=u+pv1.焓的定义式：单位：J或kJ单位：J/kg或kJ/kg焓只与状态参数u,p,v有关，故它也是状态参数。21

212-5开口系稳定流动的能量方程及其应用稳定流动必须满足以下条件：（1）系统内及边界各点工质的状态不随时间变化；（2）系统内各流通截面上工质的质量流量相等，且不随时间而变，满足质量守恒；（3）系统内储存的能量保持不变，即单位时间内输入系统的能量应等于从系统输出的能量，满足能量守恒。稳定流动概念：开口系统内任意各点工质的热力参数和运动参数都不随时间而变化的流动过程。22

22一、稳定流动的能量方程式如图所示，在单位时间内：1kg工质带入系统的能量：（1）焓h1（2）宏观动能1/2c12（3）重力位能gz11kg工质带出系统的能量：（1）焓h2（2）宏观动能1/2c22（3）重力位能gz2同时，在单位时间内，外界加入热量q，系统对外输出轴功wS轴功wS——从机器轴端输出的有用功23

23离开系统的总能量：由于是稳定流动，系统储存能的变化量为0。代入能量平衡关系式，可得开口系统稳定流动的能量方程式：进入系统的总能量：上式适用条件：任何工质、任何稳定流动过程。24

241.定义：在上式中，后三项实际上都属于机械能，工程上可直接利用的功；故把此三项合并在一起称为技术功（Wt）。故开口系统的稳定流动能量方程还可以写为：二、技术功2.技术功的计算式：（可逆过程）25

2526

263.膨胀功、技术功、轴功及推动功间的关系由稳定流动能量方程可得：再由闭口系能量方程有：q－∆u=w所以：比较：在闭口系中，工质的体积变化功直接表现为对外膨胀做功；而在开口稳流系统中，工质的体积变化功表现为：维持工质流动所必须支付的流动净功、工质本身动能和位能的增加、对外输出的轴功。（两个能量方程的本质是相同的）不计动能和位能变化时27

27三、稳定流动能量方程应用举例1.热机（如汽轮机、燃气轮机等，是将热能转换为机械能的设备。）故有：可见：工质在热机中对所作的功等于热机进、出口工质的焓的减少，这时的轴功就是技术功。（热能→机械能）特点：28

282.换热器故有：可见：工质在换热器中流动时，吸收的热量等于其焓的增加。(热能的转移）（换热器是实现两种流体热量交换的设备。）特点：29

29例题分析例2-2已知汽轮机中蒸汽流量为40t/h，汽轮机进口蒸汽焓为3263kJ/kg，出口蒸汽焓为2232kJ/kg。试求汽轮机的功率（不计汽轮机的散热、进出口动能差和位能差）。如果考虑到汽轮机每小时散热4×105kJ，则汽轮机的功率又为多少？解：(1)不计汽轮机散热时：根据稳定流动的能量方程式可得，蒸汽每小时在汽轮机中所做的轴功为Ws=qm(h1－h2)=40×103×(3263－2232)=4.14×107kJ/h则汽轮机的功率为：(2)考虑汽轮机散热时：Ws′=qm(h1－h2)+Q=40×103×(3263－2232)－4×105=4.1×107kJ/h此时汽轮机的功率变为：说明：由计算结果可知，将汽轮机的散热量忽略不计时，对汽轮机功率的影响并不大。所以，将汽轮机内蒸汽的膨胀作功过程看成是绝热过程来分析是合理的。30

30例2-3某300MW机组，锅炉的出力为qm=1024×103kg/h，出口蒸汽焓为h2=3392.3KJ/kg，锅炉进口给水焓为h1=1197.3KJ/kg，锅炉的效率η炉=92%，标准煤发热量q煤=29270KJ/kg，求锅炉每小时的燃煤量B？故有：解：每kg蒸汽在锅炉中吸热为：q=h2-h1=3394.3-1197.3=2197KJ/kg由锅炉效率定义有：31

31本章小结比较热力学能及焓（物理意义！）热力学第一定律的实质及表达式闭口系能量方程（q=Δu+w)及其应用开口系稳流能量方程(q=Δh+wt)及其应用32

32课堂作业教材P63.习题2-2、2-533