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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),重慶電力高等?？茖W(xué)校,熱工理論基礎(chǔ),第二章 熱力學(xué)第一定律,第一篇 工程熱力學(xué),本章主要內(nèi)容,熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì),系統(tǒng)儲(chǔ)存能,閉口系能量方程,狀態(tài)參數(shù)焓,開口系能量方程及其應(yīng)用,2,2-1,熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì),19,世紀(jì),30-40,年代，邁爾,焦耳（德國(guó)醫(yī)生）發(fā)現(xiàn)并確定了能量轉(zhuǎn)換與守恒定律。恩格斯將其列為,19,世紀(jì)三大發(fā)現(xiàn)之一（細(xì)胞學(xué)說(shuō)、達(dá)爾文進(jìn)化論）。,能量轉(zhuǎn)換與守恒定律,指出,：,一切物質(zhì)都具有能量。能量既不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅，它只能在一定的條件下從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。而在轉(zhuǎn)換過(guò)程

2、中，能的總量保持不變,。,3,實(shí)質(zhì)：,熱力學(xué)第一定律是能量轉(zhuǎn)換與守恒定律在熱力學(xué)中的具體應(yīng)用。,熱功轉(zhuǎn)換可歸結(jié)為兩種運(yùn)動(dòng)形式之間的轉(zhuǎn)化,：,宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng) 微觀分子的熱運(yùn)動(dòng),意義：,確定了熱能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系，是工程熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)之一，是熱工分析與計(jì)算的理論依據(jù)。,表述：,熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊幔谙嗷マD(zhuǎn)變時(shí)能的總量是不變的,。,4,第一類永動(dòng)機(jī),第一類永動(dòng)機(jī)：,不消耗能量而能對(duì)外連續(xù)作功的機(jī)器。,故熱力學(xué)一定律也可表述為：,“第一類永動(dòng)機(jī)是永遠(yuǎn)也造不成的”。,5,永動(dòng)機(jī)設(shè)想？,Q,鍋,爐,汽輪機(jī),發(fā)電機(jī),給水泵,凝汽器,W,net,Q,out,電加熱器,6,2-2,

3、系統(tǒng)儲(chǔ)存能,能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的度量，運(yùn)動(dòng)有各種不同的形態(tài)，相應(yīng)的就有各種不同的能量。,系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量稱為儲(chǔ)存能，它有,內(nèi)部?jī)?chǔ)存能,與,外部?jī)?chǔ)存能,之分。,7,一、熱力學(xué)能,1.,概念：,熱力學(xué)能是儲(chǔ)存在系統(tǒng)內(nèi)部的各種微觀能量的總稱。（即內(nèi)能）,熱力學(xué)能,符號(hào)：,U,，,單位：,J,或,kJ,比熱力學(xué)能,（即,1kg,物質(zhì)的熱力學(xué)能）,符號(hào)：,u,，單位：,J/kg,或,kJ/kg,8,2.,微觀組成：,內(nèi)動(dòng)能,：,分子熱運(yùn)動(dòng)（移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)）形成的內(nèi)動(dòng)能。它是,溫度,的函數(shù)。,內(nèi)位能,：,分子間相互作用形成的內(nèi)位能。它是,比體積,的函數(shù)。,其它能,：維持一定分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)能、原子核內(nèi)部的原子能

4、及電磁場(chǎng)作用下的電磁能等。,注意：,工程熱力學(xué)中只考慮內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)位能,。,所以有：,u=,f(T,v,),9,3.,熱力學(xué)能特性：,熱力學(xué)能是,狀態(tài)參數(shù),，是熱力狀態(tài)的單值函數(shù)；,其變化量與過(guò)程無(wú)關(guān)，只與初終狀態(tài)有關(guān)；,p,v,1,2,a,b,0,10,二、外部?jī)?chǔ)存能,需要用在系統(tǒng)外的參考坐標(biāo)系測(cè)量的參數(shù)來(lái)表示的能量，稱為,外部?jī)?chǔ)存能,，它包括系統(tǒng)的宏觀動(dòng)能和重力位能。,宏觀動(dòng)能,：,m,物體質(zhì)量；,c,運(yùn)動(dòng)速度,重力位能,：,z,相對(duì)于系統(tǒng)外的參考坐標(biāo)系的高度,11,系統(tǒng)總儲(chǔ)存能,(,E,)=,熱力學(xué)能,(,U,)+,外儲(chǔ)存能,(,E,k,+,E,p,),單位質(zhì)量工質(zhì)的比儲(chǔ)存能：,三、系統(tǒng)的

5、總儲(chǔ)存能,12,1-3,閉口系能量方程式,閉口系：,在熱力過(guò)程中（如圖所示），系統(tǒng)從外界熱源取得熱量,Q,，對(duì)外界作膨脹功,W,，則,=,進(jìn)入,系統(tǒng)的能量,離開,系統(tǒng)的能量,系統(tǒng)儲(chǔ)存能的,變化量,-,能量平衡關(guān)系式：,W,Q,1,2,13,對(duì)于,不作整體移動(dòng)的閉口系,，系統(tǒng)宏觀動(dòng)能和位能的變化可忽略不計(jì)，則有：,對(duì)于,微元過(guò)程,，有：,對(duì)于,單位質(zhì)量工質(zhì),，有：,各項(xiàng)正負(fù)號(hào)的規(guī)定：,吸熱、熱力學(xué)能增加和對(duì)外作功為正，放熱、熱力學(xué)能減少和消耗外功為負(fù)。,熱變功的根本途徑,熱力系吸收的能量,增加系統(tǒng)的熱力學(xué)能,對(duì)外膨脹作功,14,例題分析,例,2-1,氣體在某一過(guò)程中吸收的熱量為,50J,，同時(shí)熱

6、力學(xué)能增加了,84J,，問(wèn)此過(guò)程是膨脹過(guò)程還是壓縮過(guò)程,?,作功量為多少,?,解：,根據(jù)題意，有,Q=50J,，,U=84J,，,由閉口系能量方程式，可得,W=Q-U=50-84=-34J0,可見(jiàn)，此過(guò)程為壓縮過(guò)程，外界對(duì)氣體作功,34J,。,15,思 考 題,1,、判斷下列說(shuō)法是否正確？為什么？,（,1,）工質(zhì)吸熱后一定會(huì)對(duì)外膨脹作功；,（,2,）工質(zhì)吸熱后熱力學(xué)能一定增加；,（,3,）工質(zhì)被壓縮時(shí)一定要消耗外功。,16,在熱力設(shè)備中，工質(zhì)的吸熱和作功過(guò)程往往伴隨著工質(zhì)的流動(dòng)而進(jìn)行。除了熱和功的交換外，還有物質(zhì)交換，此時(shí)熱力系屬開口系。,如火力發(fā)電廠中，給水在鍋爐各受熱面及加熱器中的吸熱過(guò)程

7、；蒸汽在汽輪機(jī)中的膨脹作功過(guò)程等。,新課引入,17,一、推動(dòng)功與流動(dòng)凈功,1.,推動(dòng)功：,工質(zhì)在流過(guò)熱力設(shè)備時(shí)，必須受外力推動(dòng)，這種推動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)而作的功稱為,推動(dòng)功（或,流動(dòng)功,）,則外界對(duì),1kg,工質(zhì)所作的推動(dòng)功為：,w,推,=,pv,1-4,狀態(tài)參數(shù)焓,如圖所示，如果將質(zhì)量為,mkg,的工質(zhì)送入氣缸內(nèi)，使活塞上升,h,的高度，則此過(guò)程中外界克服系統(tǒng)內(nèi)阻力而對(duì)該工質(zhì)所作的推動(dòng)功為：,W,推,=,pAh,=,pV,=,mpv,18,對(duì)推動(dòng)功的理解,與宏觀流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)停止，推,動(dòng),功,就,不存在,；,并非工質(zhì)本身具有的能量，而是由外界（泵與風(fēng)機(jī)）做出，流動(dòng)工質(zhì)所攜帶和傳遞的能量，并不改變工質(zhì)

8、的熱力狀態(tài)；,它是用來(lái)維持工質(zhì)流動(dòng)的，是伴隨工質(zhì)流動(dòng)而帶入或帶出系統(tǒng)的能量；,w,推,pv,，與所處狀態(tài)有關(guān)，是,狀態(tài)量,。（,推動(dòng)功,壓力位能,）,19,2.,流動(dòng)凈功,流動(dòng)凈功：,對(duì)于同時(shí)有工質(zhì)進(jìn)、出的開口系，系統(tǒng)與外界交換的推動(dòng)功的差值，稱為流動(dòng)凈功。流動(dòng)凈功可視為由于工質(zhì)的進(jìn)出，系統(tǒng)與外界傳遞的能量。,20,二、焓,對(duì)于,mkg,工質(zhì),：,焓,=,熱力學(xué)能,+,推動(dòng)功,2.,焓的物理意義：,工質(zhì)在流動(dòng)狀態(tài)下所具有的總能量中,，,取決于熱力狀態(tài),的那部分能量,。,對(duì)于,1kg,工質(zhì)：,h=u+,pv,1.,焓的,定義式：,單位：,J,或,kJ,單位：,J/kg,或,kJ/kg,焓只與狀態(tài)

9、參數(shù),u,p,v,有關(guān)，故它也是,狀態(tài)參數(shù)。,21,2-5,開口系穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程及其應(yīng)用,穩(wěn)定流動(dòng)必須滿足以下條件：,（,1,）系統(tǒng)內(nèi)及邊界各點(diǎn)工質(zhì)的狀態(tài)不隨時(shí)間變化；,（,2,）系統(tǒng)內(nèi)各流通截面上工質(zhì)的質(zhì)量流量相等，且不隨時(shí)間而變，滿足,質(zhì)量守恒,；,（,3,）系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存的能量保持不變，即單位時(shí)間內(nèi)輸入系統(tǒng)的能量應(yīng)等于從系統(tǒng)輸出的能量，滿足,能量守恒,。,穩(wěn)定流動(dòng)概念：,開口系統(tǒng)內(nèi)任意各點(diǎn)工質(zhì)的,熱力參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù),都不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)過(guò)程。,22,一、穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程式,如圖所示，,在單位時(shí)間內(nèi)：,1,kg,工質(zhì)帶入系統(tǒng)的能量,：,（,1,）焓,h,1,（,2,）宏觀動(dòng)能,1/2c

10、,1,2,（,3,）重力位能,gz,1,1,kg,工質(zhì)帶出系統(tǒng)的能量,：,（,1,）焓,h,2,（,2,）宏觀動(dòng)能,1/2c,2,2,（,3,）重力位能,gz,2,同時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)，外界加入熱量,q,，系統(tǒng)對(duì)外輸出,軸功,w,S,軸功,w,S,從機(jī)器軸端輸出的有用功,23,離開系統(tǒng)的總能量：,由于是穩(wěn)定流動(dòng)，系統(tǒng)儲(chǔ)存能的變化量為,0,。,代入能量平衡關(guān)系式，可得開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程式：,進(jìn)入系統(tǒng)的總能量：,上式適用條件：,任何工質(zhì)、任何穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程,。,24,1.,定義：,在上式中，后三項(xiàng)實(shí)際上都屬于機(jī)械能，工程上可直接利用的功；故把此三項(xiàng)合并在一起稱為技術(shù)功（,W,t,）。,故開口系

11、統(tǒng)的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程還可以寫為：,二、技術(shù)功,2.,技術(shù)功的計(jì)算式：,（可逆過(guò)程）,25,26,3.,膨脹功、技術(shù)功、軸功及推動(dòng)功間的關(guān)系,由穩(wěn)定流動(dòng)能量方程可得：,再由閉口系能量方程有：,q,u=w,所以：,比較：,在,閉口系,中，工質(zhì)的體積變化功直接表現(xiàn)為對(duì)外膨脹做功；而在,開口穩(wěn)流系統(tǒng),中，工質(zhì)的體積變化功表現(xiàn)為：維持工質(zhì)流動(dòng)所必須支付的流動(dòng)凈功、工質(zhì)本身動(dòng)能和位能的增加、對(duì)外輸出的軸功。,（兩個(gè)能量方程的本質(zhì)是相同的）,不計(jì)動(dòng)能和位能變化時(shí),27,三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例,1.,熱機(jī),（如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等，是將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備。）,故有：,可見(jiàn)：工質(zhì)在熱機(jī)中對(duì)所作的功等于熱

12、機(jī)進(jìn)、出口工質(zhì)的焓的減少，這時(shí)的軸功就是技術(shù)功。,（熱能,機(jī)械能）,特點(diǎn)：,28,2.,換熱器,故有：,可見(jiàn)：工質(zhì)在換熱器中流動(dòng)時(shí)，吸收的熱量等于其焓的增加。,(,熱能的轉(zhuǎn)移）,（換熱器是實(shí)現(xiàn)兩種流體熱量交換的設(shè)備。）,特點(diǎn)：,29,例題分析,例,2-2,已知汽輪機(jī)中蒸汽流量為,40t/h,，汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽焓為,3263kJ/kg,，出口蒸汽焓為,2232kJ/kg,。試求汽輪機(jī)的功率（不計(jì)汽輪機(jī)的散熱、進(jìn)出口動(dòng)能差和位能差）。如果考慮到汽輪機(jī)每小時(shí)散熱,410,5,kJ,，則汽輪機(jī)的功率又為多少？,解,：,(1),不計(jì)汽輪機(jī)散熱時(shí)：,根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程式可得，蒸汽每小時(shí)在汽輪機(jī)中所做的軸

13、功為,W,s,=q,m,(h,1,h,2,)=4010,3,(3263,2232)=4.1410,7,kJ/h,則汽輪機(jī)的功率為：,(2),考慮汽輪機(jī)散熱時(shí)：,W,s,=q,m,(h,1,h,2,)+Q=4010,3,(3263,2232),410,5,=4.110,7,kJ/h,此時(shí)汽輪機(jī)的功率變?yōu)椋?說(shuō)明：,由計(jì)算結(jié)果可知，將汽輪機(jī)的散熱量忽略不計(jì)時(shí)，對(duì)汽輪機(jī)功率的影響并不大。所以，將汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽的膨脹作功過(guò)程看成是絕熱過(guò)程來(lái)分析是合理的。,30,例,2-3,某,300MW,機(jī)組，鍋爐的出力為,q,m,=1024,10,3,kg/h,，出口蒸汽焓為,h,2,=3392.3KJ/kg,，鍋爐進(jìn)口給水焓為,h,1,=1197.3KJ/kg,，鍋爐的效率,爐,=92%,，標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量,q,煤,=29270KJ/kg,，求鍋爐每小時(shí)的燃煤量,B,？,故有：,解：,每,kg,蒸汽在鍋爐中吸熱為：,q=h,2,-h,1,=3394.3-1197.3=2197KJ/kg,由鍋爐效率定義有：,31,本章小結(jié),比較熱力學(xué)能及焓（物理意義?。?熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)及表達(dá)式,閉口系能量方程（,q=,u+w,),及其應(yīng)用,開口系穩(wěn)流能量方程,(q=,h+w,t,),及其應(yīng)用,32,課堂作業(yè),教材,P63.,習(xí)題,2-2,、,2-5,33,