热力学第一定律工程热力学学习教案.pptx

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1、会计学1热力学第一定律热力学第一定律(dngl)工程热力学工程热力学第一页，共79页。本章的基本本章的基本(jbn)要求要求教学目标：使学生深入教学目标：使学生深入(shnr)理解并熟练掌握热力学第一定律的内容和实质，能将工程实际问题建立热力学模型。理解并熟练掌握热力学第一定律的内容和实质，能将工程实际问题建立热力学模型。知识点：理解和掌握热力学第一定律基本表达式知识点：理解和掌握热力学第一定律基本表达式 基本能量方程；理解和掌握闭口系、开口系和稳定流动能量方程及其常用的简化形式；掌握能量方程的内在联系与共性，热变功的实质。基本能量方程；理解和掌握闭口系、开口系和稳定流动能量方程及其常用的简化

2、形式；掌握能量方程的内在联系与共性，热变功的实质。能力点：培养学生正确、灵活运用基本能量方程，对工程实际中的有关问题进行简化和建立模型的能力。培养学生结合系统的特点推导出闭口系、开口系及稳定流动过程能量方程的逻辑思维能力和演绎思维能力。能力点：培养学生正确、灵活运用基本能量方程，对工程实际中的有关问题进行简化和建立模型的能力。培养学生结合系统的特点推导出闭口系、开口系及稳定流动过程能量方程的逻辑思维能力和演绎思维能力。德育点：对学生进行能源的合理利用、节能及环保等相关的可持续发展观念的教育。德育点：对学生进行能源的合理利用、节能及环保等相关的可持续发展观念的教育。重重 点：热力学第一定律的实质

3、，闭口、开口系统热力学第一定律解析式的表述形式及适用条件，在不同工程场合中的热工计算，及充气和放气过程的计算。点：热力学第一定律的实质，闭口、开口系统热力学第一定律解析式的表述形式及适用条件，在不同工程场合中的热工计算，及充气和放气过程的计算。难难 点：热力学第一定律及其应用是本课程的重点内容，应深刻理解这个定律的普遍适用性，牢固掌握各种热力学第一定律表达式的适用条件，并能将理论与工程实际相联系。点：热力学第一定律及其应用是本课程的重点内容，应深刻理解这个定律的普遍适用性，牢固掌握各种热力学第一定律表达式的适用条件，并能将理论与工程实际相联系。第1页/共79页第二页，共79页。2 2 2 21

4、 1 1 1热力学第一热力学第一热力学第一热力学第一(dy)(dy)(dy)(dy)定律的实质定律的实质定律的实质定律的实质第2页/共79页第三页，共79页。能量转换与守恒定律指出：一切物质都具有能量。能量既不可能创造(chungzo)，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。第3页/共79页第四页，共79页。热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学上的应用，确定了热能和机械能之间的相互转换的数量(shling)关系。热力学第一定律：热能和机械能在转移和转换的过程中，能量的总量必定守恒。第一类永动机：不消耗能量而连续(linx)作功的设备。

5、相应量热功第4页/共79页第五页，共79页。2 2 2 22 2 2 2热力学能和总能热力学能和总能热力学能和总能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(xngti)，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，又称为内能。第5页/共79页第六页，共79页。下面下面下面下面(xi mian)(xi mian)的热力学系统具有哪些方面的能量的热力学系统具有哪些方面的能量的热力学系统具有哪些方面的能量的热力学系统具有哪些方面的能量?热力系热力系cfz内部(nib)能量外部(wib)动能外部势能第6页/共79页第

6、七页，共79页。一、热力学能(内能(ni nn)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(fnz)热运动形成的内动能。它是温度的函数。分子(fnz)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(fnz)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。第7页/共79页第八页，共79页。热力(rl)学能是状态参数，是热力(rl)状态的单值函数：热力学能 比热力学能符 号：U u单 位：焦耳(jio r)（J）J/kg 千焦(kJ)kJ/kg 第8页/共79页第九页，共79页。二、外部(wib)储存能

7、需要用系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量(nngling)，称为外部储存能，它包括系统的宏观动能和重力位能：重力(zhngl)位能：宏观动能：第9页/共79页第十页，共79页。系统系统(xtng)(xtng)的的储存能储存能热力学能热力学能 宏观宏观(hnggun)(hnggun)动动能能宏观宏观(hnggun(hnggun)位能位能即即系统的储存能系统的储存能系统的储存能系统的储存能三、系统的总储存能（简称总能）第10页/共79页第十一页，共79页。1kg工质的总能为比总能：或或第11页/共79页第十二页，共79页。内内 能能宏观宏观(hnggun(hnggun)动能动能宏观宏观(hn

8、ggun(hnggun)位能位能储储 存存 能能第12页/共79页第十三页，共79页。2 2 2 23 3 3 3能量能量能量能量(nngling)(nngling)(nngling)(nngling)的传递与转化的传递与转化的传递与转化的传递与转化第13页/共79页第十四页，共79页。一、作功与传热一、作功与传热一、作功与传热一、作功与传热(chun r)(chun r)作功和传热是能量传递的两种方式，因此功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，其量与热量都是系统与外界所传递的能量，其值并不由系统的状态确定，而是与传递时所值并不由系统的状态确定，而是与传递

9、时所经历的具体过程有关。所以，功量和热量不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。过程量，称为迁移能。问题问题:能量是否能量是否(sh f(sh f u)u)还有其它的传递方还有其它的传递方式式?第14页/共79页第十五页，共79页。气缸(q n)活塞(husi)飞轮(filn)热源观察下面的过程观察下面的过程,看热能是如何转看热能是如何转换为功的换为功的工质、机器和热源组成的系统假设过程是可逆的。问题：过程可逆的条件是什么？第15页/共79页第十六页，共79页。气缸(q n)活塞(husi)飞轮(f

10、iln)热源左止点1pv可逆过程模拟可逆过程模拟可逆过程模拟可逆过程模拟第16页/共79页第十七页，共79页。气缸(q n)活塞(husi)飞轮(filn)热源左止点12pv续续续续4141第17页/共79页第十八页，共79页。气缸(q n)飞轮(filn)热源左止点12pv续续续续4141第18页/共79页第十九页，共79页。气缸(q n)飞轮(filn)热源左止点12pv续续续续4141第19页/共79页第二十页，共79页。气缸(q n)飞轮(filn)热源左止点12pv续续续续4141第20页/共79页第二十一页，共79页。气缸(q n)飞轮(filn)热源左止点12pv续续续续4141

11、第21页/共79页第二十二页，共79页。气缸(q n)飞轮(filn)热源左止点1pv续续续续4141第22页/共79页第二十三页，共79页。气缸(q n)飞轮(filn)热源左止点1pv续续续续4141第23页/共79页第二十四页，共79页。气缸(q n)飞轮(filn)热源左止点1pv续续续续4141第24页/共79页第二十五页，共79页。气缸(q n)飞轮(filn)热源左止点右止点12pv续续续续4141第25页/共79页第二十六页，共79页。气缸(q n)飞轮(filn)热源左止点右止点12pv续续续续4141问题：左图中阴影部分(b fen)的面积代表什么？第26页/共79页第二十

12、七页，共79页。作功：借作功来传递(chund)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(jich)的物体间存在温差时发生的能量传递过程。第27页/共79页第二十八页，共79页。气缸(q n)飞轮(filn)热源左止点右止点12pv续续续续4141二、容积二、容积(rngj)功功可逆过程的容积功在pv图中的表示第28页/共79页第二十九页，共79页。图上曲线下面的面积图上曲线下面的面积图上曲线下面的面积图上曲线下面的面积(min j)(min j)(min j)(min j)代表容积代表容积代表容积代表容积功功

13、功功1 12 2p pv v可可可可逆逆逆逆过过过过程程程程中中中中容容容容积积积积(r r r r n n n ng g g gj j j j )功功功功在在在在 图图图图上上上上的的的的表表表表示示示示*强调强调(qing dio)：2 2 2 2.称为压缩功称为压缩功称为压缩功称为压缩功 1 1 1 1.称为膨胀功称为膨胀功称为膨胀功称为膨胀功 有有有有有有有有有有有有第29页/共79页第三十页，共79页。工工质质在在开开口口(ki(ki k k u)u)系系统统中中流流动动而而传传递递的的功功，叫推动功。叫推动功。三、推动三、推动三、推动三、推动(tu dng)(tu dng)功和功和

14、功和功和流动功流动功流动功流动功n在作推动功时，工质的状态(zhungti)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。n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。第30页/共79页第三十一页，共79页。工质在流动时，总是从后面获得推动(tu dng)功，而对前面作出推动(tu dng)功，进出系统的推动(tu dng)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(zhungti)1膨胀到状态(zhungti)2，膨胀功为w，在不计工质的动能与位能变化时，开系与外界

15、交换的功量应为膨胀功与流动功之差w-(pv)汽轮机简单(jindn)模型第31页/共79页第三十二页，共79页。2 2 2 24 4 4 4焓焓焓焓一、焓的定义一、焓的定义(dngy)(dngy)：焓的单位(dnwi)：J，比焓的单位(dnwi)：J/kg第32页/共79页第三十三页，共79页。二、焓是状态参数二、焓是状态参数第33页/共79页第三十四页，共79页。三、焓的意义三、焓的意义三、焓的意义三、焓的意义(yy)(yy)：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(yq)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

16、存在。第34页/共79页第三十五页，共79页。2 2 2 25 5 5 5热力学第一定律的基本热力学第一定律的基本热力学第一定律的基本热力学第一定律的基本(jbn)(jbn)(jbn)(jbn)能量方程能量方程能量方程能量方程式式式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(yxi)原则建立能量方程式：进入(jnr)系统的能量离开系统的能量系统中储存能量的增加第35页/共79页第三十六页，共79页。一、闭口系统一、闭口系统一、闭口系统一、闭口系统(xt(xt ng)ng)的能量方程的能量方程的能量方程的能量方程 闭口系统的能量方程是热力学第一

17、闭口系统的能量方程是热力学第一(dy)(dy)定律定律在控制质量系统中的具体应用，是热力学第一在控制质量系统中的具体应用，是热力学第一(dy)(dy)定律的基本能量方程式。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(zhungti)1变化到状态(zhungti)2，同时对外作功W，则：此式就是闭口系的能量方程式。第36页/共79页第三十七页，共79页。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(dngnng)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(jnggu)一个微元过程，则能量方程为微分形式：第37页/共79页第三十

18、八页，共79页。对于(duy)1kg工质，能量方程式为：对于(duy)循环：有限(yuxin)过程:微元过程:第38页/共79页第三十九页，共79页。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(l xin q t)、实际气体或液体）闭系能量(nngling)方程总结：m kg工质经过有限(yuxin)过程m kg工质经过微元过程1 kg工质经过有限过程1 kg工质经过微元过程注意上述方程的使用前提:系统无宏观动能和宏观势能变化!第39页/共79页第四十页，共79页。二、闭口系能量方程二、闭口系能量方程(fngchng)的应用的应用n n例题21一个装有2kg工质的闭

19、口系经历了如下过程(guchng)：过程(guchng)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(guchng)中系统动能的变化。第40页/共79页第四十一页，共79页。解解:根据根据(gnj):(1)(2)将(2)代入(1),得:(3)将已知条件(tiojin)代入(3),得:第41页/共79页第四十二页，共79页。n n例题例题(lt)2(lt)22 2如图所示活塞面积如图所示活塞面积A A为为4cm24cm2，体，体积为积为20cm320cm3的气缸内充满压力为的气缸内充满压力为0.1MPa0.1MPa、温度、温

20、度2020C C的空气，弹簧刚度系数的空气，弹簧刚度系数k k为为100N/cm100N/cm，初始时弹簧未，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变形。缓慢地对空气加热，求当空气压力增加到表压力为压力为0.2MPa0.2MPa时共需加入多少热量。时共需加入多少热量。n n （大气压力（大气压力p0=0.1MPa p0=0.1MPa，u=0.707 T KJ/Kgu=0.707 T KJ/Kg，且满足，且满足状态方程状态方程PV=mRgT,Rg=287J/(kgK)PV=mRgT,Rg=287J/(kgK)）第42页/共79页第四十三页，共79页。解解:取汽缸内的空气为热力取

21、汽缸内的空气为热力(rl)系，这是一个闭口系。系，这是一个闭口系。(1)(2)根据(gnj)题意:(3)根据(gnj):所以:(4)热力系第43页/共79页第四十四页，共79页。(5)根据(gnj)气体状态方程:而又:所以(suy):(6)第44页/共79页第四十五页，共79页。所以(suy)：又：所以(suy)：得到(d do)：第45页/共79页第四十六页，共79页。2 2 2 26 6 6 6开口开口开口开口(ki ku)(ki ku)(ki ku)(ki ku)系统能量方程式系统能量方程式系统能量方程式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(zhungzh)中循

22、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。第46页/共79页第四十七页，共79页。工质在设备内流动(lidng)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。第47页/共79页第四十八页，共79页。一、开口系能量一、开口系能量一、开口系能量一、开口系能量(nngling)(nngling)方方方方程程程程有有dm1dm1的微元工质流入进口的微元工质流入进口截面截面1 11 1，有，有dm2dm2的微元工的微元工质流出出口截面质流出出口截面2 22 2系统从外界接受系统从外界接受(ji

23、(ji shu)shu)热量热量dQdQ系统对机器作内部功系统对机器作内部功dWidWin图中的开口系在 dt 时间内进行(jnxng)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。第48页/共79页第四十九页，共79页。进入(jnr)系统的能量进入(jnr)系统的能量离开(l ki)系统的能量系统储存能量的增加量离开系统的能量 控制容积系统储存能量的增加量第49页/共79页第五十页，共79页。此式为开口系能量(nngling)方程的一般表达式第50页/共79页第五十一页，共79页。进、出系统(xtng)的工质有若干股，则方

24、程为：n开口系能量(nngling)方程的其他形式：第51页/共79页第五十二页，共79页。以流率表示(biosh)的开口系能量方程：第52页/共79页第五十三页，共79页。二、稳定流动能量二、稳定流动能量二、稳定流动能量二、稳定流动能量(nngling)(nngling)方程方程方程方程所谓稳定流动，即流动过程(guchng)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。第53页/共79页第五十四页，共79页。能量(nngling)方程则可写成：此方程为流过开口系1kg流体的稳定(wndng)流动的能量方程。其微分形式为：第54页/共79页第五十五页，共79页。若流过开口

25、(ki ku)系m kg流体的稳定流动的能量方程及其微分形式为：第55页/共79页第五十六页，共79页。三、稳定三、稳定三、稳定三、稳定(wndng)(wndng)流动能量方流动能量方流动能量方流动能量方程式的分析程式的分析程式的分析程式的分析此三项为机械能，是技术(jsh)上可资利用的功，称为技术(jsh)功，用表示第56页/共79页第五十七页，共79页。对于(duy)可逆过程：微分形式：第57页/共79页第五十八页，共79页。以技术功的形式表达(biod)稳定流能量方程一般形式(xngsh)过程可逆第58页/共79页第五十九页，共79页。思考题思考题思考题思考题qq开口系实施稳定流动过程，

26、是否开口系实施稳定流动过程，是否(sh f(sh f u)u)同时同时满足下列三式：满足下列三式：第59页/共79页第六十页，共79页。开口开口(ki ku)系能量方程总结系能量方程总结稳定(wndng)流动一般(ybn)形式第60页/共79页第六十一页，共79页。以技术功的形式表达稳定流能量(nngling)方程一般(ybn)形式过程可逆第61页/共79页第六十二页，共79页。2 2 2 27 7 7 7能量能量能量能量(nngling)(nngling)(nngling)(nngling)方程式的应用方程式的应用方程式的应用方程式的应用一、开口(ki ku)系稳定流能量方程在几种常见热力设

27、备中的应用 这里介绍能源与动力工程领域内常见(chn jin)的几种热力设备的简化模型,稳定工况下的能量转换关系。第62页/共79页第六十三页，共79页。1、动力机第63页/共79页第六十四页，共79页。去凝汽器去凝汽器调速器调速器来自锅炉来自锅炉喷管喷管 叶片叶片 汽轮机汽轮机发电机发电机第64页/共79页第六十五页，共79页。2、压气机电动机电动机第65页/共79页第六十六页，共79页。3、换热器工程工程(gngchng)示例示例第66页/共79页第六十七页，共79页。3、换热器工程工程(gngchng)示例示例第67页/共79页第六十八页，共79页。物理物理(wl)模型模型注：流入和流出

28、的速度(sd)相等。12流入流出第68页/共79页第六十九页，共79页。4、喷管(pn un)工程工程(gngchng)示例示例第69页/共79页第七十页，共79页。工程工程(gngchng)示例示例第70页/共79页第七十一页，共79页。物理物理(wl)模型模型第71页/共79页第七十二页，共79页。5、节流(ji li)注：流入和流出的速度(sd)相等。第72页/共79页第七十三页，共79页。v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

29、燃烧，使工质吸入热量q=670kJ/kg。燃烧后燃气进入喷管(pn un)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：v若空气流量为100kg/s，压气机消耗的功率为多少？v若燃气的发热值qB=43960kJ/kg，燃料的耗量为多少？v燃气喷管(pn un)出口处的流速是多少？v燃气轮机的功率为多少？v燃气轮机装置的总功率为多少？第73页/共79页第七十四页，共79页。解：燃气轮机装置的工作过程(guchng)分析：压气机中：绝热压缩(y su)燃烧室中：对外无功

30、(w n)量交换喷管中：对外既无热量又无功量交换轮机中：对外热量交换由同学们课后完成。第74页/共79页第七十五页，共79页。二、一般开口系能量方程二、一般开口系能量方程二、一般开口系能量方程二、一般开口系能量方程(fngchng)(fngchng)的应用的应用的应用的应用充气问题 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(lidng)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(lidng)过程。第75页/共79页第七十六页，共79页。考察图中干管对容器(rngq)的充气过程，假定干管中气体参数不变，容器(rngq)绝热。取容器(rngq)为系统：绝热充气过程的条件(tiojin)可表示为：忽略进入(jnr)容器时气体的动能及位能变化，则方程变为：第76页/共79页第七十七页，共79页。积分(jfn)：在充气过程中，容器内气体(qt)热力学能的增量等于充入气体(qt)的焓。若充气(chn q)前容器为真空，则：第77页/共79页第七十八页，共79页。谢谢(xi xie)第78页/共79页第七十九页，共79页。