,单击此处编辑母版标题样式,第二章 热力学第一定律,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 热力学第一定律,2-1 热力学第一定律,能量守恒和转换定律在工程热力学中的应用。,能量守恒和转换定律,能量是可以相互转换的，且转换前后的总量保持不变。,热力学第一定律,热能与机械能是可以相互转换的，且转换前后的总量保持不变。,不消耗能量而能对外连续作功的,第一类永动机是不可能实现的,。,系统经历一个热力循环后，它所接受的净热量转换为对外所作的净功。即：,Chapter 2 The first Law of Thermodynamics,1,第二章 热力学第一定律,关于永动机问题的思考,各种永动机问题长期困扰着科技界与社会,第一类永动机不消耗能量而能对外连续作功的机器。,第二类永动机从单一热源取热，并将其全部转变机械功的机器（或：热效率等于,100%,的机器）有关问题在第五章中将详细讨论,。,长期以来一直有人在追求、研究各种形式的永动机，无一有所收获。,希望同学们树立正确的思想方法，不要误入歧途。,几个永动机的例子：,2,第二章 热力学第一定律,压力容器,压气机,从大气中取气,取回部分功量驱动压气机,w,p,大气机,3,第二章 热力学第一定律,？机,氢气发动机,水分解装置,取回部分功量驱动水分解装置,w,H,2,水,某人的永动机构思,4,第二章 热力学第一定律,自然热的利用,The use of the heat in nature,5,第二章 热力学第一定律,6,第二章 热力学第一定律,对某同学的“动力机械”的思考,压力容器,压气机,从大气中取气,w,输出,p,w,输入,按图示系统工作的“动力机械”是否有意义？,设想,w,输入,w,输出，则该系统是否有可能？,7,第二章 热力学第一定律,课后作业（小论文，两个题目选一）,收集一个或两个永动机例子，说明其“设计思想和原理”，分析其错误所在，谈谈它所造成影响和危害。,在阅读有关永动机文献的基础上，写出一篇关于永动机问题的小综述报告。,通过这样一个活动，深刻理解永动机的危害，进一步,树立正确的、科学的思想方法。,8,第二章 热力学第一定律,2-2,闭口系统能量方程式,能量方程式,热力过程中，系统与外界交换的能量及系统本身总能量之间的关系式。,热力学能,U,/J：,系统内部各种形式能量的总和。包括：,内部动能包括分子的移动动能、转动动能，分子中原子的振动动能，温度越高，内部动能越大。,内部位能由分子间相互作用力形成。大小取决于分子件的距离。,化学能、原子能等。,在没有化学反应、核反应的物理过程中，热力学能的变化只包括内部动能和内部位能的变化。,热力学能是个状态参数。,The energy equation for Control Mass,9,第二章 热力学第一定律,比热力学能,u,/(J/kg)：,系统的总能量,E,/J：,比热力学能可由任意两个独立参数确定：,宏观动能,宏观位能,10,第二章 热力学第一定律,闭口系统与外界间可能发生的能量交换：,热量,和,功量,一般不作整体位移,，,E,k,与,E,p,的变化均为零，因此与外界交换能量（功量,W,、,热量,Q,）,的结果只是导致热力学能,U,的变化。,对于热力过程1-2,有：,对,1,kg,工质，有,：,式中各项的正负号规定为：系统吸热为正，放热为负；系统对外作功为正，外界对系统作功为负。,上式既适用于准静态过程，也适用于非准静态过程。,对于微元过程，有：,即：,11,第二章 热力学第一定律,对于,无耗散的准静态过程,，,因此上述诸式可写为：,对,1,kg,工质，有,：,12,第二章 热力学第一定律,2-3 开口系统能量方程,物理模型,physics model,The energy equation for Control Volumes,Time,0,Time,0,d,引起系统内部能量变化的原因：质量交换和能量交换。,13,第二章 热力学第一定律,经历,d,时间后，系统内的质量变化：,由此可得：,该式称为连续性方程式，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入和流出系统的流量之差。,能量交换的情况：加入系统的,热量,：,系统对外所作的,轴功,：,推动功,推动工质流入、流出系统所消耗的功量,14,第二章 热力学第一定律,出口截面处，系统为推动微元工质流出系统消耗的推动功为：,于是开口系统对外界输出的,净推动功,为：,过程中流入、流出系统的,工质所带入系统的净能量,为：,入口截面处，外界推动工质流入系统所消耗的,推动功,：,（外界对系统作功）,（系统对外界作功）,15,第二章 热力学第一定律,由上述各项能量，可以得到开口系统的能量转换关系为：,因：,而:,以及：,将其代入上述开口系统能量方程式，即有：,（2-6,a）,16,第二章 热力学第一定律,2-4 稳定状态稳定流动能量方程式,The energy equation for steady and uniform flow,一般情况下，能量转换装置都是在稳定条件下工作的。,稳定状态：各点的状态不随时间变化；,稳定流动：系统内各处及进出口截面，工质的流量和流速不变。,系统与外界交换的热量和功量稳定不变。,过程特点：,Characteristic:,17,第二章 热力学第一定律,将其代入式,（2-6,a）：,取,有,18,第二章 热力学第一定律,令,则有,将其称为焓，也是一个状态参数,：,焓并不能看作是工质储存的能量，而是随工质流动跨越边界而转移的能量。热力学能则是工质内部储存能量的唯一形式。,由,，,有：,即,热力学第一定律的另一主要形式,。,19,第二章 热力学第一定律,2-5 轴功,Shaft Work,由稳定流动能量方程式，可得到轴功与其他形式能量之间的关系为：,由：,可得：,上式说明：稳定流动过程中开口系统所作,轴功,，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，通过边界输出的功。,可逆过程,20,第二章 热力学第一定律,技术功,w,t,工程上可以直接利用的机械能,将轴功的表达式代入上式，即有：,忽略宏观动能和位能，则有,由上式可知，准静态过程的技术功的大小可用过程线左边的面积来表示。,21,第二章 热力学第一定律,2-6 稳定流动能量方程式应用举例,一、加热器或冷却器,heat exchanger,二、涡轮机或压气机,Turbines,compressors and pumps,特点：,特点：,所以有：,所以有：,Application of the energy equation of steady and uniform flow,22,第二章 热力学第一定律,三、喷管,Nozzles and Diffusers,四、绝热节流,Throttling Devices(adiabatic process),所以有：,特点：,特点：,所以有：,23,第二章 热力学第一定律,例2-2 在内燃机的压缩过程中，气体的热力学能增加了370,J，,过程中气体向冷却水放热20,J，,试求过程中消耗的压缩功。,解 由闭口系统能量方程式,Q,1-2,(,U,2,U,1,),W,1-2,可得,W,1-2,Q,1-2,(,U,2,U,1,)(20 J)370 J390 J,W,1-2,为负值表示系统受压缩接受外界的功，即压缩气体消耗功390,J。,24,第二章 热力学第一定律,例2-3 图示为一台燃气轮机装置，其空气消耗量,q,m,a,100kg/s。,压气机入口空气的焓,h,1,290kJ/kg，,出口的压缩空气的焓,h,2,580kJ/kg；,在燃烧室中压缩空气和燃料混合燃烧，燃烧生成的高温燃气的焓,h,3,1250kJ/kg；,高温燃气送入涡轮机中膨胀作功，作功后排出废气的焓,h,4,780kJ/kg。,试求：(1)压气机消耗的功率；(2)燃料的发热量为43960,kJ/kg,时的燃料消耗量；(3)涡轮机输出的功率；(4)燃气轮机装置的总功率。,解 按稳定流动能量方程式,(1)在压气机中压缩1,kg,空气所消耗的功为,w,s,c,h,1,-,h,2,290 kJ/kg-580 kJ/kg-290 kJ/kg,可得压气机消耗的功率为,P,c,q,m,a,290 kJ/kg100 kg/s2.90104 kW,25,第二章 热力学第一定律,(2),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1,kg,空气所需的加热量为,q,1,h,3,-,h,2,1250kJ/kg-580kJ/kg670kJ/kg,于是按燃料的发热量,Q,f,可求得燃料的消耗量为,q,m,f,q,1,q,m,a,/,Q,f,670 kJ/kg 1.5 kg/s,(3),在涡轮机中，1,kg,燃气所作的功为,w,s,T,h,3,h,4,1250 kJ/kg780 kJ/kg470 kJ/kg,故涡轮机的功率为,P,T,w,s,T,q,m,a,470 kJ/kg100 kg/s4.70104 kW,(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消耗功率之差，即,P,P,T,P,c,4.70104 kW2.90104 kW1.80104 kW,26,第二章 热力学第一定律,2-1 试说明热力学能的定义及其物理意义。,2-2 按照热力学第一定律能量方程式,Q,U,W,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。,2-3 试说明下列三式的物理意义，,d,U,W,，d,U,p,d,V,，,d,U,d(,pV,),它们三者或其中两者各在什么条件下可以彼此相等？,2-4 试说明焓的定义及应用于开口系统时的物理意义。,2-5 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，与闭口系统中工质所经历的状态变化过程的相似之处。,思 考 题,27,第二章 热力学第一定律,2-6 一个充气的玩具橡皮气球放置于一真空容器中。若气球突然爆破，试分析所发生的能量转换。,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。试分析漏气停止时下述三部分在漏气过程中所经历的能量转换：(1)瓶内气体；(2)瓶外气体；(3)全部气体。,28,第二章 热力学第一定律,作业：,热能与动力工程专业、建筑环境与设备专业,2-6，2-7，2-9，2-10，2-11，2-15，2-16，2-18,机械类以及车辆工程专业：,2-6，2-7，2-9，2-10，2-11,29,第二章 热力学第一定律,提问与解答环节,Questions And Answers,谢谢聆听,学习就是为了达到一定目的而努力去干,是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折,Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard,Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal,