工程熱力學 熱力學第一定律第二章第二章 熱力學第一定律熱力學第一定律2-1 熱力學第一定律的實質熱力學第一定律的實質熱力學第一定律熱力學第一定律熱是能的一種，機械能變熱能，或熱能變機械能時，熱是能的一種，機械能變熱能，或熱能變機械能時，它們間的比值是一定的它們間的比值是一定的熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊?，一定量的熱消失熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊幔欢康臒嵯r必產(chǎn)生相應量的功；消耗一定量的功時必出現(xiàn)與時必產(chǎn)生相應量的功；消耗一定量的功時必出現(xiàn)與之對應的一定量的熱之對應的一定量的熱工程熱力學 熱力學第一定律2-2 熱力學能和總能熱力學能和總能熱力學能熱力學能內(nèi)動能、內(nèi)位能及維持一定分子結構的化學能和內(nèi)動能、內(nèi)位能及維持一定分子結構的化學能和原子核內(nèi)部的原子能，以及電磁原子核內(nèi)部的原子能，以及電磁 場作用下的電場作用下的電磁能等一起構成所謂的熱力學能磁能等一起構成所謂的熱力學能熱力學能用符號熱力學能用符號U表示，單位是焦耳（表示，單位是焦耳（J）；比）；比熱力學能用符號熱力學能用符號u表示，單位是表示，單位是J/kg熱力學能是狀態(tài)參數(shù)，可以表示為兩個獨立狀態(tài)熱力學能是狀態(tài)參數(shù)，可以表示為兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)參數(shù)的函數(shù) 或或 ，vTfu,pTfu,vpfu,工程熱力學 熱力學第一定律總能總能內(nèi)部儲存能和外部儲存能的總和，即熱力學能與宏內(nèi)部儲存能和外部儲存能的總和，即熱力學能與宏觀運動動能及位能的總和，叫做工質的總儲存能，觀運動動能及位能的總和，叫做工質的總儲存能，簡稱總能簡稱總能總能用總能用E表示，動能和位能分別用表示，動能和位能分別用Ek和和Ep表示，則表示，則 pkEEUE221fkmcE mgzEpmgzmcUEf221gzcuef221工程熱力學 熱力學第一定律2-3 能量的傳遞和轉化能量的傳遞和轉化作功和傳熱作功和傳熱能量傳遞的兩種方式：作功和傳熱能量傳遞的兩種方式：作功和傳熱借作功來傳遞熱量總是和物體的宏觀位移有關，借作功來傳遞熱量總是和物體的宏觀位移有關，而傳熱則不需要有物體的宏觀移動而傳熱則不需要有物體的宏觀移動熱能變機械能的過程：一是能量轉換的熱力學過熱能變機械能的過程：一是能量轉換的熱力學過程，二是單純的機械過程程，二是單純的機械過程工程熱力學 熱力學第一定律推動功和流動功推動功和流動功推動功：工質在開口系統(tǒng)中流動而傳遞的功推動功：工質在開口系統(tǒng)中流動而傳遞的功 推動功推動功 = pV = mpv工質在傳遞推動功時沒有熱力狀態(tài)的變化，也不工質在傳遞推動功時沒有熱力狀態(tài)的變化，也不會有能量形態(tài)的變化會有能量形態(tài)的變化推動功只有在工質移動位置時才起作用推動功只有在工質移動位置時才起作用流動功：推動功差流動功：推動功差(pv)=p2v2-p1v1是系統(tǒng)為維是系統(tǒng)為維持工質流動所需的功，稱為流動功持工質流動所需的功，稱為流動功開口系與外界交換的功量是膨脹功與流動功之差開口系與外界交換的功量是膨脹功與流動功之差 w-(p2v2-p1v1)熱能和機械能的可逆轉換總是與工質的膨脹和壓熱能和機械能的可逆轉換總是與工質的膨脹和壓縮聯(lián)系在一起的縮聯(lián)系在一起的工程熱力學 熱力學第一定律工程熱力學 熱力學第一定律2-4 焓焓焓焓焓用符號焓用符號H表示，單位為表示，單位為J，比焓用，比焓用h表示，單位為表示，單位為J/kg焓是狀態(tài)參數(shù)，可以表示為兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函焓是狀態(tài)參數(shù)，可以表示為兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)數(shù) 或或 ，工質通過界面流入熱力系統(tǒng)時，把熱力學能和從外工質通過界面流入熱力系統(tǒng)時，把熱力學能和從外部功源獲得的推動功帶進系統(tǒng)，隨工質移動而轉移部功源獲得的推動功帶進系統(tǒng)，隨工質移動而轉移的能量等于焓的能量等于焓pVUHpvuhvTfh,pTfh,vpfh,21122121hhdhhhba0dh工程熱力學 熱力學第一定律2-5 熱力學第一定律的基本能量方程式熱力學第一定律的基本能量方程式能量平衡方程式能量平衡方程式系統(tǒng)能量平衡的基本表達式系統(tǒng)能量平衡的基本表達式 進入系統(tǒng)的能量進入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲存能系統(tǒng)中儲存能量的增加量的增加熱力學第一定律的基本能量方程式熱力學第一定律的基本能量方程式閉口系能量閉口系能量方程式方程式 或或 其微分形式是其微分形式是 對于對于1kg工質工質 12UUUWQWUQWdUQwuqwduq工程熱力學 熱力學第一定律系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)吸熱Q為正，系統(tǒng)對外作功為正，系統(tǒng)對外作功W為正，反之則為正，反之則為負；系統(tǒng)的熱力學能增大為負；系統(tǒng)的熱力學能增大U為正，反之為負為正，反之為負該式適用于可逆過程也適用于不可逆過程，對工該式適用于可逆過程也適用于不可逆過程，對工質性質也沒有限制質性質也沒有限制對于可逆過程，對于可逆過程， 故故 ， 或或 ， 對于循環(huán)對于循環(huán) 由于由于 所以所以 即即 ， pdVW pdVdUQ21pdVUQpdvduq21pdvuqWdUQ0dUWQnetnetWQnetnetwq工程熱力學 熱力學第一定律工程熱力學 熱力學第一定律工程熱力學 熱力學第一定律2-6 開口系統(tǒng)能量方程式開口系統(tǒng)能量方程式開口系能量方程開口系能量方程工質在同一截面上各點的熱力狀態(tài)參數(shù)及流速近工質在同一截面上各點的熱力狀態(tài)參數(shù)及流速近似相同似相同開口系能量方程開口系能量方程 微元過程中的能量平衡微元過程中的能量平衡 進入系統(tǒng)的能量進入系統(tǒng)的能量 離開系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量 控制容積的儲存能增量控制容積的儲存能增量 根據(jù)熱力學第一定律根據(jù)熱力學第一定律QdVpdE111iWdVpdE222CVdECVidEWdVpdEQdVpdE222111工程熱力學 熱力學第一定律整理得整理得由于由于E=me，V=mv，h=u+pv，則得開口系能量方程，則得開口系能量方程iffCVWmgzchmgzchdEQ112112222222iiininfjoutoutfCVWmgzchmgzchdEQ2222iiinminfjoutmoutfCVPqgzchqgzchddE,2,222 iCVWdVpdEdVpdEdEQ111222工程熱力學 熱力學第一定律工程熱力學 熱力學第一定律穩(wěn)定流動能量方程穩(wěn)定流動能量方程穩(wěn)定流動過程：流動過程中開口系統(tǒng)內(nèi)部及其邊穩(wěn)定流動過程：流動過程中開口系統(tǒng)內(nèi)部及其邊界上各點工質的熱力參數(shù)及運動參數(shù)都不隨時間界上各點工質的熱力參數(shù)及運動參數(shù)都不隨時間而變而變穩(wěn)定流動的必要條件可表示為穩(wěn)定流動的必要條件可表示為 ， 代入開口系能量方程，得到代入開口系能量方程，得到 或或0ddECVoutminmqq,ifwzgchq221ifwgdzdcdhq221工程熱力學 熱力學第一定律 當流入質量為當流入質量為m的流體時，穩(wěn)定流動能量方程可寫的流體時，穩(wěn)定流動能量方程可寫作作 或或穩(wěn)定流動能量方程式是根據(jù)能量守恒與轉換定律導穩(wěn)定流動能量方程式是根據(jù)能量守恒與轉換定律導出的，除流動必須穩(wěn)定外無任何附加條件出的，除流動必須穩(wěn)定外無任何附加條件ifWzmgcmHQ221ifWmgdzmdcdHQ221工程熱力學 熱力學第一定律穩(wěn)定流動能量方程式的分析穩(wěn)定流動能量方程式的分析穩(wěn)定流動能量方程式改寫為穩(wěn)定流動能量方程式改寫為工質在狀態(tài)變化過程中從熱能轉變而來的機械能工質在狀態(tài)變化過程中從熱能轉變而來的機械能總等于膨脹功總等于膨脹功技術功：工質的動能、位能與工質對機器作的功技術功：工質的動能、位能與工質對機器作的功之和是技術上可資利用的功，稱之為技術功之和是技術上可資利用的功，稱之為技術功 由于由于 ，則，則 ifwpvzgcuq22112212221zzgccwwffitwuq1122vpvpwpvwwt工程熱力學 熱力學第一定律 對于可逆過程對于可逆過程 或或引進技術功概念后，穩(wěn)定流動能量方程式改寫為引進技術功概念后，穩(wěn)定流動能量方程式改寫為 對于質量為對于質量為m的工質的工質 對于微元過程對于微元過程 若過程可逆若過程可逆 ， ，212121221121vdppvdpdvvpvppdvwtvdpwtttwhwhhq12tWHQtwdhqtWdHQ21vdphqvdpdhq21VdpHQVdpdHQ工程熱力學 熱力學第一定律工程熱力學 熱力學第一定律2-7 能量方程式的應用能量方程式的應用動力機動力機工質流經(jīng)汽輪機、燃氣輪機等動力機時，壓力降工質流經(jīng)汽輪機、燃氣輪機等動力機時，壓力降低，對機器作功，忽略動能差，位能差及散熱損低，對機器作功，忽略動能差，位能差及散熱損失，失，1kg工質對機器所作的功為工質對機器所作的功為tiwhhw21工程熱力學 熱力學第一定律壓氣機壓氣機工質流經(jīng)壓氣機時，機器對工質作工，使工質升工質流經(jīng)壓氣機時，機器對工質作工，使工質升壓，工質對外界略有放熱，壓，工質對外界略有放熱，wi和和q都是都是負的，忽負的，忽略動能差和位能差，對略動能差和位能差，對1kg工質需作功為工質需作功為 tiCwqhhww12工程熱力學 熱力學第一定律換熱器換熱器工質流經(jīng)鍋爐、回熱器等熱交換器時和外界有熱工質流經(jīng)鍋爐、回熱器等熱交換器時和外界有熱量交換而無功的交換，量交換而無功的交換，忽略動能差和位能差，忽略動能差和位能差，1kg工質的吸熱量為工質的吸熱量為12hhq工程熱力學 熱力學第一定律管道管道工質流經(jīng)噴管、擴壓管等這類設備時，不對設備工質流經(jīng)噴管、擴壓管等這類設備時，不對設備作功，作功，忽略熱量交換及位能差，忽略熱量交換及位能差，1kg工質動能的工質動能的增加為增加為21212221hhccff工程熱力學 熱力學第一定律節(jié)流節(jié)流工質流過閥門時流動截面突然收縮，壓力下降，這工質流過閥門時流動截面突然收縮，壓力下降，這種流動稱為節(jié)流。流動是絕熱的，不對外界作功，種流動稱為節(jié)流。流動是絕熱的，不對外界作功，忽略動能差和位能差，忽略動能差和位能差，可得節(jié)流前后焓值相等可得節(jié)流前后焓值相等21hh 工程熱力學 熱力學第一定律工程熱力學 熱力學第一定律工程熱力學 熱力學第一定律工程熱力學 熱力學第一定律工程熱力學 熱力學第一定律工程熱力學 熱力學第一定律工程熱力學 熱力學第一定律工程熱力學 熱力學第一定律