1、 工程熱力學課件工程熱力學課件華北電力大學（北京）華北電力大學（北京）動力工程系動力工程系工程熱物理教研室制作2005年5月第二章第二章熱力學第一定律熱力學第一定律 The first law of thermodynamics2-1 熱力學第一定律的本質熱力學第一定律的本質 1909年，年，C. Caratheodory最后完善熱一律最后完善熱一律本質：本質：能量能量轉換轉換及及守恒守恒定律在熱過程中的應用定律在熱過程中的應用 18世紀初，工業革命，熱效率只有世紀初，工業革命，熱效率只有1% 1842年，年，J.R. Mayer闡述熱一律，但沒有闡述熱一律，但沒有 引起重視引起重視 1840

2、-1849年，年，Joule用多種實驗的一致性用多種實驗的一致性 證明熱一律，于證明熱一律，于1950年發表并得到公認年發表并得到公認閉口系循環的熱一律表達式閉口系循環的熱一律表達式要想得到要想得到功功，必須化費，必須化費熱能熱能或或其他能量其他能量熱一律熱一律又可表述為又可表述為“第一類永動機是第一類永動機是 不可能制成的不可能制成的”WQ壓力容器壓力容器壓氣機壓氣機從大氣中取氣從大氣中取氣取回部分功量取回部分功量驅動壓氣機驅動壓氣機wp？機？機氫氣發動機氫氣發動機水分解裝置水分解裝置取回部分功量驅動水分解取回部分功量驅動水分解裝置裝置wH2水水The use of the heat in

3、nature資料：要科學，不要永動機焦耳在探索科學真理的道路上，也走過彎路。他年輕的時候，正是永動機熱席卷歐洲的時代，許多人鉆進了永動機的迷宮，妄想制造出一種不消耗能量永遠做功的機器。焦耳也是個“永動機迷”，曾經狂熱地追求過永動機，幾乎消磨了他全部的業余時間。他通宵達旦地冥思苦索、設計方案、制作機件，但是沒有一個是成功的。失敗引起了焦耳的深思，為什么乍一看設計上幾乎無懈可擊的機器，做出來卻總是一堆廢物？焦耳沒有象有些人那樣，明明進入了迷宮，還以為走進了科學的殿堂，碰了壁也不回頭。他吸取教訓，迷途知返，毅然退出了幻想的迷宮，轉向腳踏實地的科學研究，探求隱藏在失敗背后的科學真諦。經過勤奮實踐，他終

4、于找到了熱功當量，為建立能量守恒定律作出了杰出的貢獻。這個定律好比一塊路標，插在尋找永動機的十字路口，警告迷途人：此路不通！據說焦耳還現身說法，語重心長地告誡那些仍舊迷戀永動機的人說：“不要永動機，要科學！”趣聞軼事：精確的測量值在幾十年里不作大修正 從1849到1878年，焦耳反復作了四百多次實驗，所得的熱功當量值幾乎都是423.9千克米/千卡，這和現在公認值427千克米/千卡相比，只小0.7%。焦耳用驚人的耐心和巧奪天工的技術，在當時的實驗條件下，測得的熱功當量值能夠在幾十年時間里不作比較大的修正，這在物理學史上也是空前的。 堅持不懈終將獲得公認(1 )1843年8月，在考爾克的一次學術報

5、告會上，焦耳作了題為論磁電的熱效應和熱的機械值的報告。他在報告中提出熱量與機械功之間存在著恒定的比例關系，并測得熱功當量值為1千卡熱量相當于460千克米的機械功。這一結論遭到當時許多物理學家的反對。堅持不懈終將獲得公認(2)1845年在劍橋召開的英國科學協會學術會議上，焦耳又一次作了熱功當量的研究報告，宣布熱是一種能量形式，各種形式的能量可以互相轉化。但是焦耳的觀點遭到與會者的否定，英國倫敦皇家學會拒絕發表他的論文。1847年4月，焦耳在曼徹斯特作了一次通俗講演，充分地闡述了能量守恒原理，但是地方報紙不理睬，在進行了長時間的交涉之后，才有一家報紙勉強發表了這次講演。同年6月，在英國科學協會的牛

6、津會議上，焦耳再一次提出熱功當量的研究報告，宣傳自己的新思想。會議主席只準許他作簡要的介紹。只是由于威廉湯姆孫在焦耳報告結束后作了即席發言，他的新思想才引起與會者的重視。直到1850年，焦耳的科學結論終于獲得了科學界的公認。2-2 2-2 熱力學能（內能）和總能熱力學能（內能）和總能內能內能(internal energy)的導出的導出閉口系循環閉口系循環()0QWQW內能的導出內能的導出對于循環對于循環1a2c11 22 1()()0acQWQW對于循環對于循環1b2c11 22 1()()0bcQWQW1 21 2()()abQWQW()0QW狀態參數狀態參數pV12abc內能及閉口內能及

7、閉口系熱一律表達式系熱一律表達式定義定義 dU = Q - W 內能內能U 狀態函數狀態函數 Q = dU + WQ = U + W閉口系閉口系熱一律表達式熱一律表達式！兩種特例兩種特例 絕功系絕功系 Q = dU 絕熱系絕熱系 W = - dU內能內能U 的物理意義的物理意義dU = Q - W W Q dU 代表某微元過程中系統通過邊界代表某微元過程中系統通過邊界交換的交換的微熱量微熱量與與微功量微功量兩者之差值，也兩者之差值，也即即系統內部能量系統內部能量的變化。的變化。 U 代表儲存于系統代表儲存于系統內部的能量內部的能量 內儲存能內儲存能（內能內能、熱力學能熱力學能）內能的性質內能的

8、性質分子動能（移動、轉動、振動）分子動能（移動、轉動、振動）分子位能（相互作用）分子位能（相互作用）核能核能化學能化學能內能內能 內能內能是狀態量是狀態量 U : 廣延參數廣延參數 kJ u : 比參數比參數 kJ/kg 內能內能總以變化量出現，總以變化量出現，內能內能零點人為定零點人為定說明：說明：系統總能系統總能外部儲存能外部儲存能宏觀動能宏觀動能 Ek= mc2/2宏觀位能宏觀位能 Ep= mgz機械能機械能系統總能系統總能E = U + Ek + Epe = u + ek + ep一般與系統同坐標，常用一般與系統同坐標，常用U, dU, u, du熱一律的文字表達式熱一律的文字表達式熱

9、一律熱一律: 能量守恒與轉換定律能量守恒與轉換定律進入進入系統的系統的能量能量 - 離開離開系統的系統的能量能量 = 系統系統內部儲存能量內部儲存能量的的變化變化 W Q一般式一般式 Q = dU + W Q = U + W q = du + w q = u + w單位質量工質單位質量工質適用條件：適用條件：1）任何工質）任何工質 2) 任何過程任何過程2323熱力學第一定律基本表達式閉口系能量方程中的功閉口系能量方程中的功功功 （ w） 是廣義功是廣義功 閉口系與外界交換的功量閉口系與外界交換的功量 q = du + w準靜態容積變化功準靜態容積變化功 pdv拉伸功拉伸功 w拉伸拉伸= -

10、dl表面張力功表面張力功 w表面張力表面張力= - dA w = pdv - dl - dA +.閉口系能量方程的通式閉口系能量方程的通式 q = du + w若在地球上研究飛行器若在地球上研究飛行器 q = de + w = du + dek + dep + w 準靜態和可逆閉口系能量方程準靜態和可逆閉口系能量方程簡單可壓縮系簡單可壓縮系準靜態過程準靜態過程 w = pdv q = du + pdv q = u + pdv熱一律解析式之一熱一律解析式之一 2-4 開口系統能量方程開口系統能量方程推導推導 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc

11、能量守恒原則能量守恒原則進入進入系統的系統的能量能量 - -離開離開系統的系統的能量能量 = =系統系統儲存能量儲存能量的的變化變化推動功的引入推動功的引入 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv這個結果與實驗這個結果與實驗不符不符少了少了推動功推動功推進功（推進功（flow work）的表達式的表達式推動功推動功（推進功）（推進功）：系統引進或排除工質傳遞的功量。注意：注意： 不是不是 pdv v 沒有變化沒有變化pA

12、 Hpvv1 pvp1 1流動功流動功：系統維持流動所花費的代價系統維持流動所花費的代價。)(1122pvvpvp推動功在p-v圖上：對推進功的說明對推進功的說明1 1、與宏觀與宏觀流動流動有關，流動停止，推進功不存在有關，流動停止，推進功不存在2 2、作用過程中，工質僅發生作用過程中，工質僅發生位置位置變化，無狀態變化變化，無狀態變化3 3、w推推pv與所處狀態有關，是與所處狀態有關，是狀態量狀態量4 4、并非工質本身的能量（動能、位能）變化引起，并非工質本身的能量（動能、位能）變化引起， 而由外界做出，流動工質所而由外界做出，流動工質所攜帶的能量攜帶的能量可理解為可理解為：由于工質的進出，

13、外界與系統之由于工質的進出，外界與系統之間所傳遞的一種間所傳遞的一種機械功機械功，表現為流動工質進，表現為流動工質進出系統使所出系統使所攜帶攜帶和所和所傳遞傳遞的一種的一種能量能量開口系能量方程的推導開口系能量方程的推導 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout212inc212outc Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv minpvout開口系能量方程微分式開口系能量方程微分式 Q + min(u + pv+c2/2 + gz)in - Wnet - mout(u + pv+c2/

14、2 + gz)out = dEcv工程上常用工程上常用流率流率0limQQ0limmm0limWW2cvout2innetind/ 2/ 2outQEupvcgzmupvcgzmW開口系能量方程微分式開口系能量方程微分式當有多條進出口：當有多條進出口：netcv2outout2inind/ 2/ 2QEWupvcgzmupvcgzm流動時，總一起存在流動時，總一起存在焓焓(enthalpy)的引入的引入定義：定義：焓焓 h = u + pv netcv2outout2inind/ 2/ 2QEWupvcgzmupvcgzmhh開口系能量方程開口系能量方程焓焓（Enthalpy) ) 的說明的說

15、明 定義：定義：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 1、焓焓是狀態量是狀態量2、H為廣延參數為廣延參數 H=U+pV= m(u+pv)= mh h為比參數為比參數3、對流動工質，對流動工質，焓焓代表能量代表能量(內能內能+推進功推進功) 對靜止工質，對靜止工質，焓焓不代表不代表能量能量4 4、物理意義：開口系中隨工質物理意義：開口系中隨工質流動而攜帶流動而攜帶的、取決的、取決 于熱力狀態的于熱力狀態的能量能量。2-5 穩定流動能量方程穩定流動能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc穩定流動條件穩定流動條件（st

16、eady-flow energy equation)1、outinmmm2、QConst3、netsWConstW軸功軸功Shaft work每截面狀態不變每截面狀態不變4、,/0C VdE穩定流動能量方程的推導穩定流動能量方程的推導outinmmmQConstnetsWConstW,/0C VdEnetcv2outout2inind/ 2/ 2QEWhcgzmhcgzm穩定流動條件穩定流動條件0mmsW穩定流動能量方程的推導穩定流動能量方程的推導22soutin22ccQmhgzhgzWQm qssWm w1kg工質工質22soutin22ccqhgzhgzw2s12qhcgzw 穩定流動能

17、量方程穩定流動能量方程2s12qhcgzw 適用條件：適用條件：任何流動工質任何流動工質任何穩定流動過程任何穩定流動過程單位質量工質的開口與閉口單位質量工質的開口與閉口wsq穩流開口系穩流開口系2s12qhcgzw quw 閉口系閉口系(1kg)容積變化功容積變化功等價等價技術功技術功wt穩流開口與閉口的能量方程穩流開口與閉口的能量方程tqhw 容積變化功容積變化功w技術功技術功wtquw 閉口閉口穩流開口穩流開口等價等價軸功軸功ws推進功推進功 (pv)幾種功的關系？幾種功的關系？幾種功的關系幾種功的關系2t12swcgzw t()tqhwupvw quw ()twpvwwwt(pv)c2/

18、2wsgz做功的根源做功的根源ws準靜態下的技術功準靜態下的技術功()tpdvd pvw()twpvw()twd pvw準靜態準靜態()()twpdvd pvpdvpdvvdpvdptwvdp準靜態準靜態qdupdvqdh vdp熱一律解析式之一熱一律解析式之一熱一律解析式之二熱一律解析式之二twvdp技術功在示功圖上的表示技術功在示功圖上的表示1 12 2vdppdvpvp v1 12 2twwpvp v()twwpv12 1ba12341 140a 230b()twpvw機械能守恒機械能守恒s2t2/wgdzdcvdpw對于流體流過管道，對于流體流過管道，0sw2102vdpdcgdz 壓

19、力能壓力能 動能動能 位能位能機械能守恒機械能守恒2102dpdcdzgg柏努利方程柏努利方程 2-6 穩定流動能量方程應用舉例穩定流動能量方程應用舉例s22/wzgchq熱力學問題經常可忽略動、位能變化熱力學問題經常可忽略動、位能變化例：例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kgz1 = 0 m z2 = 30 mg ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg1bar下下, 20 oC水的水的 h1 = 84 kJ/kg100 oC水蒸氣的水蒸氣的 h2 = 2676 kJ/kgsqhw 例例1：透平：透平(Turbine

20、)機械機械火力發電火力發電核電核電飛機發動機飛機發動機輪船發動機輪船發動機移動電站移動電站 燃氣輪機燃氣輪機蒸汽輪機蒸汽輪機透平透平(Turbine)機械機械sqhw 1) 體積不大體積不大2）流量大流量大3）保溫層保溫層q 0ws = -h = h1 - h20輸出的軸功是靠焓降轉變的輸出的軸功是靠焓降轉變的例例2：壓縮機械：壓縮機械火力發電火力發電核電核電飛機發動機飛機發動機輪船發動機輪船發動機移動電站移動電站 壓氣機壓氣機水泵水泵制冷制冷空調空調壓縮機壓縮機壓縮機械壓縮機械sqhw 1) 體積不大體積不大2）流量大流量大3）保溫層保溫層q 0ws = -h = h1 - h230？說明是

21、推動功轉換成熱力學能即使向真空系統輸送，也需要推動功！例題例題：有一臺穩定工況下運行的水冷式壓縮機，運行參數如附圖所示。設空氣的比熱容cp=1.003kJ/(kgK),水的比熱容cw=4.187kJ/(kgK)。若不計壓氣機向環境的散熱損失以及動能差及位能差，試確定驅動該壓氣機所需的功率。已知空氣的焓差h2-h1=cp(T2-T1)取控制體為壓氣機（但不包括水冷部分）考察能量平衡解：流入：1111111 1mVmPe qp qPqup v 流出：12122222mVme qp qqup v 水水內增： 0131214321()1.5 4.18730 151.29 1.003100 18200.

22、3 kWmmwmpPqhhq cttq cTT 水？若取整個壓氣機（包括水冷部分）為系統，忽略動能差及位能差則：流入：113113mVmPu qp qq h水流出：1231322424mVmmmu qp qq hq hq h內增 0？1313mmPq hq h132143mmWqhhqhh查水蒸氣表得43125.66kJ/kg62.94kJ/kg200.2kWhhP本題說明： 1）同一問題，取不同熱力系，能量方程形式不同。2）熱量是通過邊界傳遞的能量，若發生傳熱兩物體同在一體系內，則能量方程中不出現此項換熱量。 3）黑箱技術不必考慮內部細節，只考慮邊界上交換及狀況。4）不一定死記能量方程，可從第一定律的基本表達出發。第二章第二章 小結小結1、本質：本質：能量守恒與轉換定律能量守恒與轉換定律進進 - 出出 = 內能增量內能增量第二章第二章 小結小結2ou