南京航空航天大学_工程热力学课件_第二章

第二章　热力学第一定律 本章的基本要求深入理解热力学第一定律的实质，熟练掌握热力学第一定律及其表达式。能够正确、灵活地应用热力学第一定律表达式来分析计算工程实际中的有关问题。掌握能量、储存能、热力学能、迁移能的概念掌握体积变化功、推动功、轴功和技术功的概念及计算式。焓的定义 2－1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。至今为止，没有一个人提出一个事实不符合这条自然规律的，相反，在各个领域：天文、地理、生物、化学、电磁光、宏观、微观各领域都遵循 这条规律。热力学是研究能量及其特性的科学，它必然要遵循这条规律。 热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力学中的应用，它确定了热力过程中各种能量在数量上的相互关系。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。根据热力学第一定律，为了获得机械能，则必须花费热能或其他形式能量，第一类永动机是不可能实现的。 2－2热力学能和总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。系统的内部储存能即为热力学能 一、热力学能热力学能是储存在系统内部的能量，它与系统内工质的内部粒子的微观运动和粒子的空间位置有关，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。 热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数：热力学能：符号：U法定计量单位：焦耳（J）比热力学能：（1kg物质的热力学能）符号：u单位：J/kg 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：重力位能：宏观动能： 三、系统的总储存能（简称总能）系统的总储存能为系统的内部储存能与外部储存能之和，用E表示：1kg工质的总能为比总能： 2－3能量的传递与转化 一、作功与传热作功和传热是能量传递的两种方式，因此功量与热量都是系统与外界所传递的能量，而不是系统本身的能量，其值并不由系统的状态确定，而是与传递时所经历的具体过程有关。所以，功量和热量不是系统的状态参数，而是与过程特征有关的过程量，称为迁移能。 作功：借作功来传递能量总是和物体的宏观位移有关。作功过程中往往伴随着能量形态的变化。传热：借传热来传递能量不需要物体的宏观移动。传热是相互接触的物体间存在温差时发生的能量传递过程。 工质在开口系统中流动而传递的功，叫推动功。二、推动功和流动功在作推动功时，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。 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）。工质从进口到出口，从状态1膨胀到状态2，膨胀为为w，在不计工质的动能与位能变化时，开系与外界交换的功量应为膨胀功与流动功之差w-(pv) 2－4焓一、焓的定义：焓的单位：J，比焓的单位：J/kg 二、焓是状态参数 三、焓的意义：焓是物质进出开口系统时带入或带出的热力学能与推动功之和，是随物质一起转移的能量。焓是一种宏观存在的状态参数，不仅在开口系统中出现，而且在分析闭口系统时，它同样存在。 2－5热力学第一定律的基本能量方程式热力学第一定律的能量方程式就是系统变化过程中的能量平衡方程式，任何系统、任何过程均可根据以下原则建立能量方程式：进入系统的能量离开系统的能量系统中储存能量的增加＝－ 一、闭口系统的能量方程闭口系统的能量方程是热力学第一定律在控制质量系统中的具体应用，是热力学第一定律的基本能量方程式。设闭系中工质从外界吸热Q后，从状态1变化到状态2，同时对外作功W，则：此式就是闭口系的能量方程式。 对于控制质量闭口系来说，常见的情况在状态变化过程中，系统的宏观动能与位能的变化为零，或可以忽略不计，因此更见的闭口系的能量方程是：若闭口系经过一个微元过程，则能量方程为微分形式： 对于1kg工质，能量方程式为：对于循环： 以上各能量方程式适用于闭系各种过程（可逆或不可逆）及各种工质（理想气体、实际气体或液体）闭系能量方程总结：mkg工质经过有限过程mkg工质经过微元过程1kg工质经过有限过程1kg工质经过微元过程 二、闭系能量方程的应用例题2－1一个装有2kg工质的闭口系经历了如下过程：过程中系统散热25kJ，外界对系统做功100KJ，比热力学能减小15KJ/kg，并且整个系统被举高1000m。试确定过程中系统动能的变化。 例题2－2如图所示活塞面积A为4cm2，体积为20cm3的气缸内充满压力为0.1MPa、温度20C的空气，弹簧刚度系数k为100N/cm，初始时弹簧未变形。缓慢地对空气加热，求当空气压力增加到表压力为0.2MPa时共需加入多少热量。（大气压力p0=0.1MPa，u=0.707TKJ/Kg，且满足状态方程PV=mRgT） 2－6开口系统能量方程式实际热力设备中实施的能量转换往往是工质在热力装置中循环不断地流经各相互衔接的热力设备，完成不同的热力过程后才能实现能量转换。因此分析这类热力设备时，常采用开口系即控制容积的分析方法。 工质在设备内流动时，在同一截面上参数近似地看作是均匀的。并认为同一截面上各点流速一致。 一、开口系能量方程有dm1的微元工质流入进口截面1－1，有dm2的微元工质流出出口截面2－2系统从外界接受热量dQ系统对机器作内部功dWi图中的开口系在dt时间内进行了一个微元过程：Wi表示工质在机器内部对机器所作的功，而轴功Ws为Wi的有用功部分，两者的差为机器各部分的摩擦损失。 进入系统的能量离开系统的能量控制容积系统储存能量的增加量进入系统的能量离开系统的能量系统储存能量的增加量－＝ 此式为开口系能量方程的一般表达式 进、出系统的工质有若干股，则方程为：开口系能量方程的其他形式： 以流率表示的开口系能量方程： 二、稳定流动能量方程所谓稳定流动，即流动过程中开口系内部及其边界上各点工质的热力参数及运动参数都不随时间而变。 能量方程则可写成：此方程为流过开口系1kg流体的稳定流动的能量方程。其微分形式为： 若流过开口系mkg流体的稳定流动的能量方程及其微分形式为： 三、稳定流动能量方程式的分析此三项为机械能，是技术上可资利用的功，称为技术功，用　　表示 对于可逆过程：微分形式： 以技术功的形式表达稳定流能量方程一般形式　　　　　　　　过程可逆 思考题开口系实施稳定流动过程，是否同时满足下列三式： 2－7能量方程式的应用一、开口系稳定流能量方程在几种常见热力设备中的应用动力机 压气机换热器 管通节流 某燃气轮机装置如图所示，已知压气机进口处空气的比焓h1为290kJ/kg。经压缩后空气升温使比焓增为h2=580kJ/kg，在截面2处空气和燃料的混合物以cf2=20m/s的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，使工质吸入热量q=670kJ/kg。燃烧后燃气进入喷管绝热膨胀到状态3‘，h3’=800kJ/kg，流速增加到cf3’，此燃气进入动叶片，推动转轮回转作功。若燃气在动叶片中的热力状态不变，最后离开燃气轮机的速度cf4=100m/s，求：若空气流量为100kg/s，压气机消耗的功率为多少？若燃气的发热值qB=43960kJ/kg，燃料的耗量为多少？燃气喷管出口处的流速是多少？燃气轮机的功率为多少？燃气轮机装置的总功率为多少？ 二、一般开口系能量方程的应用充气问题在充、放气过程中，容器内气体的状态随时间在不断变化，但在每一瞬间可以认为整个容器内各处的参数是一致的。另外在充气过程中，虽然流动情况随时间变化，但可认为通过容器边界进入容器的气体进口状态不随时间变化，这种充气过程称为均匀状态定态流动过程。 考察图中干管对容器的充气过程，假定干管中气体参数不变，容器绝热。取容器为系统：绝热充气过程的条件可表示为：忽略进入容器时气体的动能及位能变化，则方程变为： 积分：在充气过程中，容器内气体热力学能的增等于充入气体的焓。若充气前容器为真空，则：