工程热力学第三章 热力学第一定律

能量守恒原理：进入 控制体的增量－控制 体输出的能量＝控制 体中储存能的增量
进入控制体的能量Q(h11 2c12gz1)m1
离开控制体的能量W s(h21 2c2 2gz2)m 2
控制体储存能变化： dE cv(EdE )cvE cv 根据热力学第一定律建立能量方程
Q(h11 2c1 2gz1)m 1(h21 2c2 2gz2)m 2W sdEcv Q(h21 2c2 2gz2)m 2(h11 2c1 2gz1)m 1W sdEcv
可逆过程能量方程
可逆过程能量方程 以下二式仅适用可逆过程：
q du pdv
2
q u pdv 1
闭口系统能量方程反映了热功转换的实质，是热 力学第一定律的基本方程式，其热量、内能和膨 胀功三者之间的关系也适用于开口系统
二、热力学第一定律在循环过程中的应用
q12 u2 u1 w12 q23 u3 u2 w23 q34 u4 u3 w34 q41 u1 u4 w41
h g i hi i 1
n
H n H i i 1
只有当混合气体的组成成分一定时，混合气体 单位质量的焓才是温度的单值函数
第六节 稳态稳流能量方程的应用
一、动力机
利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备
由q
(h2
h1)
1 2
(c22
c12
)
g(z2
z1)
ws
g(z2 z1) 0
1 2
(c22
pv
对 移 动 1kg工 质 进 、 出 控 制 净 流 动 功
w
＝
f
p 2 v 2－
p1v1
流动功是一种特殊的功，其数值取决于控制体进出口
界面工质的热力状态
四、焓及其物理意义
是工质的状态参数 H U pV h u pv
对于理想气体
h u p v ＝ u R T f(T )
理想气体的焓和内能仅是温度的单值函数
对于微元热力过程：
wt
1 2
dc2
gdz
ws
稳态稳流能量方程可写成
qhwt
qdhwt
wt qh(uw)(up2v2p1v1)wp1v1p2v2
技 术 功 等 于 膨 胀 功 与 流 动 功 的 代 数 和
稳态稳流可逆过程
wt q dh (du pdv) d(u pv) wt vdp
可逆过程1－2的技术功为：
2
wt vdp 1
技术功是过程量，其值取决于初、终态及过程特征 若不考虑工质动能和位能的变化，技术功等于轴功
三、理想气体的焓变计算
对于定压过程
wt 0 q p dhp cpdTp
cp
对理想气体
h T
p
cp
dh dT
d h c pd T
2
h c pd T
一、热量 热力学定义：对于没有物质流的系统，系统
与外界之间只有热和功的交换，热量是除功 以外另一种形式的能量传递 热量学定义：在温差作用下系统与外界传递 的能量 热量与内能原则的区别：热量只是与过程特 性有关的过程量，不能说系统具有多少热量
二、功量
热力学定义：系统除温差以外的其它不平衡 势差所引起的系统与外界之间传递的能量
c12
)
0
q0
得到式：ws h1 h2所作的轴功等于工质的焓降
二、压气机
消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备
g(z2 z1) 0
1 2
(c22
c12)
0
q0
得到：ws h2 h1 绝热压缩消耗的轴功等于压缩气体焓的增加
三、热交换器
由
q
Δ
h
1Δ 2
c2
gΔ
z
ws
ws 0
g (z2 z1) 0
形式：多种多样如 膨胀功、轴功等
1、膨胀功
热转换为功的必要途径 定义：在压力差作用下，由于系统工质容积
发生变化而传递的机械功
闭口系统膨胀功通过系统界面传递 开口系统的膨胀功是技术功的一部分，通过其
它形式（如轴）传递
容积变化是作膨胀功的必要条件非充要条件
2、轴功
定义：系统通过机ss 械轴与外界传递的机械功
对不稳定流动和稳态稳流，可逆与不可逆过
程都适用，也能适用于闭口系统（m1= m2=0）
Q＝dE＋W
闭口系统工质的动能和位能没有变化dE＝dU， 故得：
Q＝ dU＋ W
第五节 开口系统稳态稳流能量方程
一、稳态稳流能量方程表达式
稳态稳流工况：系统内部及界面上各点工质的状态 参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化。
流体在管道内流动，遇到突然变窄的界面， 由于存在阻力使流体压力降低的现象
h 1 h 2 绝 热 节 流 前 、 后 焓 相 等 ， 即 能 量 数 量 相 等
第三章 热力学第一定律
引入：能量守恒与转换定律
能量既不能被创造，也不能被消灭，它只 能从一种形式转换成另一种形式，或从一个 系统转移到另一个系统，而其总量保持恒定
－第一类永动机不可能实现的原因
第一节 系统储存能
内能（内储存能）：取决于系统本身（内部） 的状态，它与系统内工质的分子结构及微观 运动形式有关
v
理想气体内能计算式
cv
du dT
ducvdT
2
ucvdT该式适用于计算理想气体一切过程内能变化
1
而实际气体该式只适用计算定容过程内能变化
采用定值比热计算时：
ucv(T2T1)
采用平均比热计算时：
u
t2 t1
cvdT
t2 0
cvdT
t1 0
cvdT
cvm
t2 0
t2 cvm
tt1
01
焓的物理意义
U 1 mc2 mgz pV 2
H U pV
u 1 c2 gz pv
h u pv
2
对于流动工质，焓=内能+流动功，即焓具有
能量意义，表示流动工质向流动前方传递的总
能量（共四项）中取决于热力状态的那部分能
量
对于不流动工质，焓仅是一个复合状态参数
第三节 闭口系统能量方程
c
2 1
)
g (z2
z
1
)
mWsQ来自(h2
h1 )
1 2
(
c
2 2
c
2 1
)
g (z2
z
1
)
m
Ws
q
(
h
2
h1 )
1 2
(
c
2 2
c
2 1
)
g
(z2
z
1
)
ws
h
1 2
c2
gz
ws
微元热力过程：
q
dh
1 2
c2
gdz
ws
二、技术功
定义：热力过程中可被直接利用来做功的能量
wt
1 2
c2
gz
ws
b图为开口系统与外界传递的轴功Ws ，内燃机就 是靠机械轴传递机械功的。
轴功符号 w s ：单位质量工质的轴功
正功与负功 规定：系统输出轴功为正功 系统输入轴功为负功
三、随物质流传递的能量
开口系统与外界随物质流传递的能量包括两部分：
1、流动工质本身具有的内能、宏观动能和重力 位能
E U 1 mc2 mgz 2
外储存能：取决于系统工质与外力场的相互 作用（如重力位能）及以外界为参考坐标的 系统宏观运动所具有的能量（宏观动能）
气体的内能是其温度和比容的函数
u f T ,v
u f T , p u f p,v
因为p、v、T存在一定关系
理想气体内能只是温度的单值函数
u f T
二、外储存能
稳态稳流工况特征： 1、同一时间内进、出控制体界面及流过系统内任 何断面的质量均相等
δ m1=δ m2=· · · · · · ＝ δ m
2、同一时间内进入控制体的能量和离开控制体的 能量相等，控制体内能量保持一定 dEcv 0
开口系统稳态稳流能量方程表达式：
Q
(
h
2
h1 )
1 2
(
c
2 2
1 2
(
c
2 2
c
2 1
)
0
得 ： q h2 h1
工质所吸收的热量等于
焓的增加
四、喷管
一种使气流加速的设备
ws 0 gz 0
q0
得
1 2
(
c
1 2
c
2 1
)
h1
h2
喷管中气流动能增量
等于工质的焓降
五、流体的混合
m 1 h 1 m 2 h 2 ( m 1 m 2 ) h 3
六、绝热节流
1
对实际气体只适用于计 算定压过程焓的变化
实际工程中求焓的方法
按定值定压比热计算： hcp(T2T1)
按平均定压比热计算：
hcpm
t2 0
t2cpmt01t1
按真实定压比热计算：
T2
H a0a1Ta2T2a3T3dT T1
理想气体组成的混合气体焓值的计算
H H1 H2
n
m h mihi i 1 n
1、宏观动能
Ek
1 2
mc2
2、重力位能
Ep mgz
三、系统总储存能
E为内储存能与外储存能之和。
E U Ek Ep 或 ： E U 1 mc2 mgz
2
对1kg质量物体总储存能为：
e u 1 c2 gz 2
特例：无宏观运动且高度为零
E＝U或e＝u
第二节 系统与外界传递的能量