热力学基本定律热一律课件.pptx

1、本章本章内容、内容、要求：要求：掌握掌握2.定律的实质定律的实质3.定律的数学表达式及其适用范围定律的数学表达式及其适用范围4.定律的应用定律的应用1.内能、焓、熵、各种功等概念内能、焓、熵、各种功等概念热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律内容内容2-1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质2.1.1 背景背景 18th初，工业革命，热效率只有初，工业革命，热效率只有1% 1842年，年，Mayer阐述阐述能量守恒和转化定律能量守恒和转化定律，未引起重视未引起重视 1840-1849年年，Joule用多种实验证明热一律，用多种实验证明热一律，得到公认得到公认 1909年

2、，年，C. Caratheodory最后完善热一律：最后完善热一律：公理化公理化 17-18th，热质学为主。，热质学为主。但无法解释如冰摩擦融化等热现象但无法解释如冰摩擦融化等热现象推动对规律的研究推动对规律的研究第一类永动机第一类永动机第一类永动机：第一类永动机：不消耗能量不消耗能量而能对外连续而能对外连续作功作功的机器的机器亨内考的亨内考的“魔轮魔轮”(13世纪世纪)达达芬奇的芬奇的“永动机永动机”(15世纪世纪)斯特尔的水力永动机斯特尔的水力永动机(16世纪世纪)浮力永动机浮力永动机梁星人梁星人“宇宙引力宇宙引力”永动机永动机梁星人：梁星人：祖籍广东梅县，祖籍广东梅县，出生于马来西亚，

3、留学美国，出生于马来西亚，留学美国，通晓通晓8 种语言，获美国核物种语言，获美国核物理哲学博士及经济学博士学理哲学博士及经济学博士学位，现为新加坡华人。位，现为新加坡华人。 因为拒绝将发明创造的因为拒绝将发明创造的空前绝后的最尖端的绝密技空前绝后的最尖端的绝密技术献给某国，遭追杀，九死术献给某国，遭追杀，九死一生逃出该国！一生逃出该国！2004年国内十大科技骗局之六年国内十大科技骗局之六获宇宙能永动发电机、宇宙引获宇宙能永动发电机、宇宙引力能加速电动机车辆等力能加速电动机车辆等国家专国家专利利 22项（申请）项（申请）香港国际无形资产评估事务所香港国际无形资产评估事务所评估：评估：无形资产为无

4、形资产为1265亿美元亿美元海南星人永动机发电厂有限公司海南星人永动机发电厂有限公司：占地占地100亩，投资亩，投资1亿元，亿元，300万万kw宇宙引力能发电示范厂宇宙引力能发电示范厂北京世华永动源科技有限公司北京世华永动源科技有限公司南街村王宏斌投入南街村王宏斌投入2000多万。多万。希望：希望：尊重客观规律，不要误入歧途。尊重客观规律，不要误入歧途。2.1.2 热一律的实质热一律的实质实质：实质：能量守恒和转换定律在热现象中的应用。能量守恒和转换定律在热现象中的应用。热力学第一定律：热力学第一定律：热能与机械能是可以相互转换的，热能与机械能是可以相互转换的，且转换前后的总量保持不变。且转换

5、前后的总量保持不变。对于任意热力系统：对于任意热力系统： 进入进入系统的能量系统的能量- -离开离开系统的能量系统的能量= =系统内部系统内部储存能的变化量储存能的变化量文字表达式：文字表达式：2-2 2-2 能量的传递形式能量的传递形式系统与外界交换的能量系统与外界交换的能量，主要有三种形式：主要有三种形式：（1）功：）功：W（2）热量：）热量：Q（3）随物质带进（出）的物质本）随物质带进（出）的物质本身的能量身的能量热一律：热一律： 进入系统的能量进入系统的能量 - 离开系统的能量离开系统的能量 = 系统储存能的变系统储存能的变化化系统内物质系统内物质本身的能量本身的能量一、一、系统的系统

6、的储存能储存能储存能：储存能：系统内物质本身具有的能量。包括：系统内物质本身具有的能量。包括：外部储存能外部储存能( (系统整体宏观运系统整体宏观运动具有的能量动具有的能量) )内部储存能内部储存能( (系统内粒子具运系统内粒子具运动有的能量动有的能量, ,U ) )动能：动能：E k = mc2/2势能：势能：E p = mgz物理内能物理内能化学内能化学内能（化学反应时）（化学反应时）内动能内动能（分子平、转、振动）：（分子平、转、振动）：=f(T)内位能内位能（分子间引力）：（分子间引力）：= f(T, v)核能核能（核裂、聚变时）（核裂、聚变时）工程热力学不涉及工程热力学不涉及系统的总

7、系统的总储存储存能能： E = E k + E p + U内能的导出内能的导出（1）闭口系循环能量方程）闭口系循环能量方程储存能的变化量：储存能的变化量：dE 热一律：进入的能量热一律：进入的能量 离开的能量离开的能量 = 储存能的变化量储存能的变化量WdEQ对于任意闭口系：对于任意闭口系：吸热：吸热： Q对外做功：对外做功： W循环后：循环后： dE = 0系统系统对于循环对于循环1a2c1：1 22 1()()0acQWQW对于循环对于循环1b2c1：1 22 1()()0bcQWQW1 21 2()()abQWQW状态参数状态参数bpV12ac（2）内能的导出）内能的导出Why?定义：定

8、义：dU = Q - WU ：内能，：内能，状态函数状态函数二、二、系统与外界传递的能量系统与外界传递的能量热力学中对功的定义：热力学中对功的定义：热力系统通过边界而传递的热力系统通过边界而传递的能量能量,且其全部效果可表现为举起重物。且其全部效果可表现为举起重物。 容积变化功：容积变化功：因系统容积变化与外界交换的功因系统容积变化与外界交换的功（包括：（包括：膨胀功和压缩功）。膨胀功和压缩功）。是热力学最重要的一种功是热力学最重要的一种功: 膨胀膨胀: :实现热能实现热能机械能；机械能机械能；机械能热能虽可通过摩擦等方法实现，但只有压缩是可逆的。热能虽可通过摩擦等方法实现，但只有压缩是可逆的

9、。 其他准静态功其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等拉伸功，表面张力功，电功等力学中的力学中的功功：WF x 1 1、功、功（1）做功）做功W（2）传热）传热Q（3）随物质传递的能量）随物质传递的能量(1)准静态过程的容积变化功准静态过程的容积变化功以汽缸中以汽缸中m kg工质为系统工质为系统: 活塞向右移动微元距离活塞向右移动微元距离dx， dx很小很小，近似认为近似认为 p 不变，可视为不变，可视为准静态过程准静态过程.pp0Adx系统对外界作的膨胀功为：系统对外界作的膨胀功为： W = p A dxm kg： W =pdV w =pdv1 kg：( )=pdV适用范围：适用范围：准静

10、态过程、可逆过程准静态过程、可逆过程21WpdV21wpdv（2）有关规定、说明）有关规定、说明2）正负号规定：正负号规定： 对外为对外为正正对内为对内为负负1）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数外力无限制，功的表达式只是系统内部参数3）系统所做膨胀功输出的有用功系统所做膨胀功输出的有用功WR： 准静态：准静态：WR W Wf p0(V2 V1)可逆：可逆：WR W p0(V2 V1)pp0ARf4)示功图示功图- p-v图图pV. .12. .pp021W是过程量，与路径有关是过程量，与路径有关 WpdV微元过程：微元过程： w =pdV = 微元面积微元面积1-2过程：过程：= 投影面

11、积投影面积21WpdV(3) 容积变化功的计算容积变化功的计算21wpdv1）对于）对于准静态、可逆过程，用上述公式计算，但还需要已准静态、可逆过程，用上述公式计算，但还需要已知知p-v函数关系。函数关系。2）对于）对于非平衡过程，不能用上述公式计算，但有些情况可非平衡过程，不能用上述公式计算，但有些情况可利用外界条件计算：利用外界条件计算： 系统膨胀功系统膨胀功=-外界反力对系统所做的功外界反力对系统所做的功若外力若外力R已知，则：已知，则：21Rdxw例1空气从状态空气从状态1 (p1，V1)膨胀到状态膨胀到状态2 (p2，V2)，（1） p-V图上过程线为直线；（图上过程线为直线；（2）

12、可逆定温过）可逆定温过程。求程。求wpV12(1)(2)例2大气压大气压pb =0.1MPa，活塞，活塞+重物共重物共195kg，面积，面积100cm2,初始状态下弹簧与活塞接触但不受力，弹初始状态下弹簧与活塞接触但不受力，弹簧刚度簧刚度150N/cm，把重物拿去，把重物拿去100kg后，活塞无摩后，活塞无摩擦上升擦上升20cm。求。求w2、热量、热量 1 1、定义定义：系统与外界在温差的推动下传递的能量系统与外界在温差的推动下传递的能量2、符号：符号：Q（q）3、单位、单位：J （J/kg）4 4、正、负号规定：正、负号规定：吸热为正，放热为负吸热为正，放热为负Q与与W类比类比能量传递方式能

13、量传递方式 W Q性质性质推动力推动力标志参数标志参数公式公式pdvw Tdsq 公式适用公式适用条件条件图示图示pVWTSQP-V(示功图示功图)T-s（示热图示热图）过程量过程量过程量过程量TpdS , dsdV , dv准静态或可逆准静态或可逆可逆可逆3、随物质传递的能量、随物质传递的能量 1流动工质本身携带的能量流动工质本身携带的能量：u + c2/2 + g z 2流动功流动功(或推动功或推动功)dxAdm11pA反力反力p流动流动11系系统统微元体微元体dm 的运动，需上游工质的运动，需上游工质的推动以克服系统内工质的反的推动以克服系统内工质的反力：外界对系统做了功。力：外界对系统

14、做了功。 Wf = p A dx = pdV = pvdm 1kg工质工质：wf = pv设微元体在推力设微元体在推力(p A)作用下作用下移动了移动了dx ,则：则：推动功：推动功：推动工质进行宏观位移所做的功。推动工质进行宏观位移所做的功。= p v推动功说明推动功说明1 1、与宏观流动有关、与宏观流动有关，流动停止，推动功不存在流动停止，推动功不存在2 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、 wf pv 与所处状态有关，与所处状态有关，是状态量是状态量4 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，、并非工质本身的能量（动能、位能

15、）变化引起， 而是由外界做出、流动工质所携带的能量而是由外界做出、流动工质所携带的能量5、流动功是由泵、风机等提供。、流动功是由泵、风机等提供。2.3 闭口闭口系统能量方程系统能量方程而而储存能变化量为储存能变化量为: dU Q = dU + WQ = U + W闭口系闭口系能量方程能量方程（热一律数学表达式热一律数学表达式）热一律：进入热一律：进入 离开离开 =储存能变化量储存能变化量则：则： Q W = dU，即：即： W Q q = du + wq = u + w单位工质：单位工质：适用条件：适用条件：任何工质、任何过程任何工质、任何过程问题：问题：方程中的微元符号有方程中的微元符号有d

16、、之分，之分，why?准静态和可逆闭口系能量方程准静态和可逆闭口系能量方程（1）准静态过程：）准静态过程： w = pdv（2）可逆过程：）可逆过程： q = Tds q = du + pdv q = u + pdv热一律解析式之一热一律解析式之一Tds = du + pdv Tds = u + pdv热力学恒等式热力学恒等式作 业思考题：思考题：1、2、6 题题习习 题：题：1、3 题题注：注： 3 3 题：空气可按理想气体处理，理想气体的内能题：空气可按理想气体处理，理想气体的内能是温度的单值函数。是温度的单值函数。2.4 开口系统能量方程开口系统能量方程 Ws Q1122u1gz1212

17、1cu2gz22221cp1v1p2v2dE热一律：热一律：进进 出出 = d E进、出有哪些能量？进、出有哪些能量？（1）热量：热量： Q（2）轴功：轴功： Ws（3）流体携带的能量流体携带的能量:ug z22c全了吗？全了吗？还有还有推动功：推动功：p vNo！dm1dm2 2.4.2 开口系统能量方程一般表达式开口系统能量方程一般表达式 Q + dm1(u + pv+c2/2 + gz)1 - m2(u + pv+c2/2 + gz)2 - Ws=dEdQQ ddmqimidWWsSddEE 令令：EWgzcvpuqgzcvpuqQmm121111122222222121令令：h = u

18、 + pvEWgzchqgzchqQmm12111222222121 2.4.3 焓焓（Enthalpy) ) 定义：定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 1 1、焓是状态量、焓是状态量2 2、对流动工质，焓代表能量对流动工质，焓代表能量( (内能内能+ +推动功推动功) ) 对静止工质，焓不代表能量，理解为状态参数组合对静止工质，焓不代表能量，理解为状态参数组合3 3、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决 于热力状态的能量。于热力状态的能量。4、工程实际多为开口系，、工程实际多为开口系， u 和和pv同时出现，同

19、时出现， h 比比u应用更广。应用更广。2.5 稳定流动能量方程稳定流动能量方程稳定流动条件：稳定流动条件：稳定流动稳定流动（Steady Flow）：系统内任意点处参数系统内任意点处参数 不随时间变化。不随时间变化。1、mmmqqq212、constQ 3、constWS4、0ddEE代入开口系统代入开口系统能量方程能量方程一般表达式一般表达式：EWgzcvpuqgzcvpuqQmm1211111222222221212.5.1 稳定流动能量方程稳定流动能量方程1kg工质：工质：2s12qhcg zw 2221221122msccQqhgzhgzWswzzgcchhq1221221221微元

20、过程：微元过程：swgdzdcdhq221适用条件：适用条件：稳定流动稳定流动任何工质任何工质2.5.3 技术功技术功即：即：2s12qhcg zw 稳流能量方程中，后三项为工程上可直接利用的机械能稳流能量方程中，后三项为工程上可直接利用的机械能stwzgcw221 稳流能量方程改写为：稳流能量方程改写为：twhq定义为定义为技术功技术功，wt能量方程等价性，几种功的关系能量方程等价性，几种功的关系等等价价稳流：系统状况不随时间而变，故整个流动过程可视为稳流：系统状况不随时间而变，故整个流动过程可视为一定质量的工质从进口状态变化到出口状态一定质量的工质从进口状态变化到出口状态稳流开口系稳流开口

21、系等价于等价于一个控制质量的封闭系一个控制质量的封闭系twpvu)()twpvw wwt(pv)c2/2wsgz做功的源泉做功的源泉几种功的关系：几种功的关系：tqhw 开开quw 闭闭4 4种功全在该式中种功全在该式中准静态下的技术功准静态下的技术功()tpdvd pvw()twpvw ()twd pvw准静态准静态()()twpdvd pvpdvpdvvdpvdp twvdp 准静态准静态qdupdvqdhvdp热一律解析式之一热一律解析式之一热一律解析式之二热一律解析式之二twvdp pdvw 移项整理移项整理:技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示1 12 2vdppdvp vp

22、 v1 12 2twwp vp v121ba12341 140a 230b 2-6 稳定流动能量方程的化简稳定流动能量方程的化简工程实际应用中，经常可忽略动、位能变化工程实际应用中，经常可忽略动、位能变化例：例：c1=1 m/s，c2=30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.45 kJ/ kgz1 = 0 m ，z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kgs122f12f222)()(21)(wzzgcchhq1bar, 0 oC水水 h1 = 84 kJ/kg100 oC水蒸汽水蒸汽 h2 = 2676 kJ/kg h = 2592 kJ/kgsqhw

23、稳流方程的化简稳流方程的化简一、加热器或冷却器一、加热器或冷却器 heat exchanger二、涡轮机或压气机二、涡轮机或压气机 Turbines, compressors and pumps特点：特点：0swf1f2cc 12zz 12hhq0qf1f2cc 12zz 21shhw特点：特点：s122f12f222)()(21)(wzzgcchhq稳流方程的化简稳流方程的化简三、喷管三、喷管Nozzles and Diffusers四、绝热节流四、绝热节流 Throttling Devices(adiabatic process)0sw0q0q0sw12zz f1f2cc )(212f12

24、f221cchh12hh 特点：特点：特点：特点：s122f12f222)()(21)(wzzgcchhq12zz 第二章问题讨论第二章问题讨论思考题思考题 工质膨胀是否一定对外作功？工质膨胀是否一定对外作功？向真空膨胀，自由膨胀向真空膨胀，自由膨胀定容过程是否一定不作功？定容过程是否一定不作功？开口系，技术功开口系，技术功定温过程是否一定不传热？定温过程是否一定不传热？相变过程（冰融化，水汽化）相变过程（冰融化，水汽化）twvdp 水轮机水轮机例例1 两级空气压缩机（带中间冷却）两级空气压缩机（带中间冷却） M N1 N2 Q 冷却水 电动机 N=5000 kW h1 = 20 kJ/kg

25、h4 =180 kJ/kg 1 2 3 4 h2 =140 kJ/kg h3 = 50 kJ/kg 低压段 高压段 中间冷却器 求：求：（1）空气的质量流量）空气的质量流量m；（2）低压段、高压段消耗的功率）低压段、高压段消耗的功率N1、N2；（3）中间冷却器中冷却水带走的热量）中间冷却器中冷却水带走的热量Q。门窗紧闭房间用电冰箱降温门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为系统以房间为系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程：闭口系能量方程：QUW 0Q 0UW 0W T电电冰冰箱箱门窗紧闭房间用空调降温门窗紧闭房间用空调降温以房间为系统以房间为系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程：闭口系能量方程：QUW 0Q UQ W0W T空空调调 QQW作 业思考题：思考题：P49-50： 16 题题习习 题：题：P50： 4、5、6题题