第2章第一定律2014

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1、工程热力学工程热力学工程热力学工程热力学 第二章第二章系统储能系统储能 (总能）总能）内部储存能内部储存能热力学能热力学能(内能内能)外部储存能外部储存能宏观动能和位能宏观动能和位能工程热力学工程热力学 第二章第二章工程热力学工程热力学 第二章第二章Internal energy分子动能分子动能分子位能分子位能 化学能化学能核能核能 移动移动转动转动振动振动内动能内动能( (是温度的函数是温度的函数) )内位能内位能( (取决于比体积和温度取决于比体积和温度) )特性：状态参数特性：状态参数 广延参数广延参数（U） ),(),(),(vpfupTfuvTfu热力学能的符号及单位：热力学能的符号

2、及单位： U J 或或 kJ 比热力学能比热力学能 u J/kg 或或 kJ/kg 工程热力学工程热力学 第二章第二章不可测量，计算确定其变化量，人为规定零点不可测量，计算确定其变化量，人为规定零点21 =0 uuududu mgzEp212kfEmc工程热力学工程热力学 第二章第二章三、系统总储存能（总能）三、系统总储存能（总能）totalE = U + Ek + Ep JJ/kg系统总能为系统的热力学能与宏观动系统总能为系统的热力学能与宏观动能和重力位能之和。能和重力位能之和。212kfEmcpEmgz工程热力学工程热力学 第二章第二章21/2feE mucgz 其中其中功功物质携带的能量

3、物质携带的能量 热量热量外界热源外界热源外界功源外界功源外界物质源外界物质源系系统统工程热力学工程热力学 第二章第二章212fEUmcmgz 1流动工质本流动工质本身具有的能量身具有的能量2推动功推动功为为推动流体推动流体通过系统通过系统界面界面而传递的而传递的机械功机械功.工程热力学工程热力学 第二章第二章 W推推 = pAx = pV w推推= pv推动工质进、出系推动工质进、出系统时需要的功统时需要的功取决于取决于系统进出口界面系统进出口界面工质的热力状态工质的热力状态流动功流动功221 1()fwpvp vp v V112p1,v12p2,v2工程热力学工程热力学 第二章第二章pAx1

4、 1. .与宏观与宏观流动流动有关，有关，没有没有流动流动就没有就没有推推动动功功 2. 2.w推推pv 与所处状态有关，是与所处状态有关，是状态量状态量3.3.并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而是由外界做出、流动工质所而是由外界做出、流动工质所携带的能量携带的能量 推动功是由泵或风机加给被输送工质并随推动功是由泵或风机加给被输送工质并随工质流动携带的一种能量；工质流动携带的一种能量； 流动工质进出系统时，外界与系统之间所流动工质进出系统时，外界与系统之间所传递的一种传递的一种机械功。机械功。工程热力学工程热力学 第二章第二章推动功的理解推

5、动功的理解 JHUpV J/kghupv 比焓比焓 焓焓 = = 热力学能热力学能 + + 推动功推动功 焓是一个组合状态参数焓是一个组合状态参数工程热力学工程热力学 第二章第二章二、焓的物理意义： 焓是焓是流动工质流动工质进出热力系时随工质转移的进出热力系时随工质转移的能量中能量中取决于热力状态取决于热力状态的那部分的那部分能量能量。),(),(),(vpfhpTfhvTfh三、特性：状态参数，广延参数三、特性：状态参数，广延参数问题：问题： 对不流动工质对不流动工质( (闭口系统闭口系统) )， 有没有焓值？有没有焓值？不可测，通常计算差值不可测，通常计算差值工程热力学工程热力学 第二章第

6、二章输入能输入能系系 统统输出能输出能输入系统的能量总和输入系统的能量总和 - - 系统输出系统输出的能量总和的能量总和 = = 系统总储能的变化系统总储能的变化对于开口系和闭口系进出的能量不同对于开口系和闭口系进出的能量不同工程热力学工程热力学 第二章第二章一、基本能量方程的导出一、基本能量方程的导出 （闭口系统能量方程）（闭口系统能量方程）U2QWU121QWUUQWU 工程热力学工程热力学 第二章第二章QUWquw 或适用任何工质、任何过程适用任何工质、任何过程( (可逆、不可逆）可逆、不可逆）适用任何工质、任何微元过程适用任何工质、任何微元过程适用任何工质、可逆过程适用任何工质、可逆过

7、程221,21,211ddQUp Vqup v或ddQUWquw或工程热力学工程热力学 第二章第二章二、物理意义：二、物理意义： 加给系统的加给系统的热量热量一部分用于一部分用于增加增加系统系统的的热力学能热力学能，储存于系统内部，余下的部，储存于系统内部，余下的部分以分以作功作功的方式传递给外界。的方式传递给外界。三、说明：三、说明： 1 1. .式中热量、功量、热力学能变化量均为式中热量、功量、热力学能变化量均为 代数值；代数值； 2 2. .当系统有当系统有整体运动整体运动时要考虑动能和位能。时要考虑动能和位能。无论系统有无整体运动，工质吸收的热无论系统有无整体运动，工质吸收的热量量Q中

8、转变为机械能的部分中转变为机械能的部分都是都是Q-U。工程热力学工程热力学 第二章第二章QUW 功功 （ w） 是广义功是广义功 闭口系与外界交换的功量闭口系与外界交换的功量 q = du + w体积变化功体积变化功 pdv拉伸功拉伸功 w拉伸拉伸= - dl表面张力功表面张力功 w表面张力表面张力= - dA w = pdv - dl - dA +.QW如系统为孤立系统则有如系统为孤立系统则有0isodU工程热力学工程热力学 第二章第二章例题例题1 1： 自由膨胀自由膨胀U解：取气体为热力系，解：取气体为热力系，为闭口绝热系为闭口绝热系 QUW 120UUU即抽去隔板后，求抽去隔板后，求11

9、22cf1cf22mp2, v21mp1, v1z1z2QsW工程热力学工程热力学 第二章第二章工程热力学工程热力学 第二章第二章二、开口系统能量方程二、开口系统能量方程1122cf1cf22mp2, v21mp1, v1z1z2QsWd时间内时间内in11 12f111(1)2dEQupvcgzmouts22 22f222(1)2dEWup vcgzm-inoutCVdEdEdE工程热力学工程热力学 第二章第二章2222fCVoutoutfinsincQdEupvgzmcupvgzmW流动时，总一起存在流动时，总一起存在 h = u + pv开口系能量方程开口系能量方程2222fCVouto

10、utfinsincQdEhgzmchgzmW22ffCVoutinoutind22sjiccQEhgzmhgzmW22CVffm,outm,inioutindd22jiEcchgzqhgzqP热流率热流率质量流率质量流率内部功率内部功率工程热力学工程热力学 第二章第二章进出多股流体时进出多股流体时单位时间内单位时间内三、稳定流动能量方程三、稳定流动能量方程CVm,inm,outm1m2mid0d() EqqqqqconstPconst 对于单股流体工程热力学工程热力学 第二章第二章一般的开口系能量方程一般的开口系能量方程2222fCVoutoutfinsincQdEhgzmchgzmW3 3、

11、稳定流动能量方程、稳定流动能量方程物理意义：物理意义：在稳定流动过程中，工质吸收的在稳定流动过程中，工质吸收的热量一部分用来增加工质的焓、动能和位能，热量一部分用来增加工质的焓、动能和位能，一部分用于对外作轴功。一部分用于对外作轴功。212fsqhcgzw 212fsqdhdcgdzw212fsQHmcmgzW 工程热力学工程热力学 第二章第二章2s12fqhcgzw 适用条件：适用条件：任何流动工质任何流动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程动能动能工程技术上可以直接利用工程技术上可以直接利用轴功轴功机械能机械能212fsQHmcm gzW 212fsqhcgzw 位能位能tWtwtQHW

12、tqhw 技术功、流动功和体积变化功的关系技术功、流动功和体积变化功的关系tt()()qupvwqupvw t()wpvw 开口系统开口系统工质状态变化过程中由热能转变工质状态变化过程中由热能转变的的膨胀功膨胀功用来维持用来维持流动流动和对外作出和对外作出技术功。技术功。工程热力学工程热力学 第二章第二章tqhw 技术功的计算及图示技术功的计算及图示twpvw)(vpO12431 122twpdvp vp vtwwpvt1 12 2ww pvp v56工程热力学工程热力学 第二章第二章可逆过程可逆过程可逆过程的技术功可逆过程的技术功21twvdp vpO12vdp56工程热力学工程热力学 第二

13、章第二章()twpdvd pvpdvpdvvdpvdp 21twvdp ttqhwqdhw 21qdhvdpQdHVdpQHVdp 可逆过程可逆过程任何稳流过程任何稳流过程dddddddqhv pupvv pup vuw 第一定律两解析式可相互导出，但只有在第一定律两解析式可相互导出，但只有在开口系中能量方程才用焓。开口系中能量方程才用焓。两个解析式的关系两个解析式的关系12()wuuqu q 2ts/2fwvdpdcgdzw 对于流体流过管道，对于流体流过管道，0sw2102fvdpdcgdz 压力能压力能 动能动能 位能位能机械能守恒机械能守恒2102fdpdcdzgg伯努利方程伯努利方程

14、Bernoullis equation简化条件：简化条件：22212101020ffqccg zz能量方程：12tswhhw1122swh1h2一、动力机一、动力机工程热力学工程热力学 第二章第二章简化条件：简化条件：00211221f22fzzgcc能量方程：能量方程：120cwqhhh1h2wc12工程热力学工程热力学 第二章第二章120 cqwhh时，简化条件：简化条件：22f 2f12110200sccg zzw能量方程：能量方程：12hhqqh1h2工程热力学工程热力学 第二章第二章简化条件：简化条件：21000sqg zzw能量方程：能量方程：2121f22f21hhcccf1 ，

15、h1cf2 ，h2工程热力学工程热力学 第二章第二章简化条件：简化条件：22f 2f121102000sccg zzqw能量方程能量方程：21hh 工程热力学工程热力学 第二章第二章h1h2应用能量方程分析具体问题时，步骤可归纳如下：应用能量方程分析具体问题时，步骤可归纳如下：1 1、确定研究对象、确定研究对象选好热力系统选好热力系统2 2、画出示意图、画出示意图3 3、写出所研究热力系对应的能量方程、写出所研究热力系对应的能量方程 闭口系闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程 开口系稳定流动开口系稳定流动稳定流动能量方程稳定流动能量方程 开口系非稳定流动（充气、抽气、泄漏）开口系非稳定流动（充气

16、、抽气、泄漏） 一般开口系能量方程一般开口系能量方程4 4、针对具体问题，分析系统与外界的相互作用，作、针对具体问题，分析系统与外界的相互作用，作 出合理假定和简化，使方程简单明了出合理假定和简化，使方程简单明了5 5、求解简化后的方程，解出未知量。、求解简化后的方程，解出未知量。工程热力学工程热力学 第二章第二章 能量方程的应用能量方程的应用思考题思考题 工质膨胀是否一定对外作功？工质膨胀是否一定对外作功？做功对象和做功部件做功对象和做功部件定容过程是否一定不作功？定容过程是否一定不作功？开口系，技术功开口系，技术功定温过程是否一定不传热？定温过程是否一定不传热？相变过程（冰融化，水汽化）相

17、变过程（冰融化，水汽化）twvdp 压力为压力为0.1 0.1 MPaMPa 、温度为、温度为20 20 的空气进的空气进入压气机中绝热压缩后流经换热器换热再进入压气机中绝热压缩后流经换热器换热再进入喷管绝热膨胀到入喷管绝热膨胀到0.1 0.1 MPaMPa 、20 20 ，测得喷，测得喷管出口截面积管出口截面积 A A2 2=0.0324m=0.0324m2 2，喷管出口流速，喷管出口流速c cf2f2= 300m/s= 300m/s，并已知压气机消耗功率，并已知压气机消耗功率710 kW710 kW，求空气在换热器中交换的热量。求空气在换热器中交换的热量。 （空气作理想气体，比热容取定值，（空气作理想气体，比热容取定值，c cp p=1.004kJ/(kgK), =1.004kJ/(kgK), R Rg g =0.287kJ/(kgK) =0.287kJ/(kgK)