1、第二章 热力学第一定律,2-1 热力学第一定律 能量守恒和转换定律在工程热力学中的应用。 能量守恒和转换定律能量是可以相互转换的，且转换前后的总量保持不变。 热力学第一定律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。 不消耗能量而能对外连续作功的第一类永动机是不可能实现的。,系统经历一个热力循环后，它所接受的净热量转换为对外所作的净功。即：,Chapter 2 The first Law of Thermodynamics,第二章 热力学第一定律,2,关于永动机问题的思考,各种永动机问题长期困扰着科技界与社会 第一类永动机不消耗能量而能对外连续作功的机器。 第二类永动机从单一热源取
2、热，并将其全部转变机械功的机器（或：热效率等于100%的机器）有关问题在第五章中将详细讨论。 长期以来一直有人在追求、研究各种形式的永动机，无一有所收获。 希望同学们树立正确的思想方法，不要误入歧途。几个永动机的例子：,第二章 热力学第一定律,3,压力容器,压气机从大气中取气,取回部分功量驱动压气机,w,p,大气机,第二章 热力学第一定律,4,某人的永动机构思,第二章 热力学第一定律,5,自然热的利用,The use of the heat in nature,第二章 热力学第一定律,6,第二章 热力学第一定律,7,课后作业（小论文，两个题目选一）,收集一个或两个永动机例子，说明其“设计思想和
3、原理”，分析其错误所在，谈谈它所造成影响和危害。 在阅读有关永动机文献的基础上，写出一篇关于永动机问题的小综述报告。 通过这样一个活动，深刻理解永动机的危害，进一步树立正确的、科学的思想方法。,2-2 闭口系统能量方程式,能量方程式热力过程中，系统与外界交换的能量及系统本身总能量之间的关系式。 热力学能U/J：系统内部各种形式能量的总和。包括： 内部动能包括分子的移动动能、转动动能，分子中原子的振动动能，温度越高，内部动能越大。 内部位能由分子间相互作用力形成。大小取决于分子件的距离。 化学能、原子能等。 在没有化学反应、核反应的物理过程中，热力学能的变化只包括内部动能和内部位能的变化。 热力
4、学能是个状态参数。,The energy equation for Control Mass,第二章 热力学第一定律,9,比热力学能u/(J/kg)：,系统的总能量E/J：,比热力学能可由任意两个独立参数确定：,宏观动能,宏观位能,闭口系统与外界间可能发生的能量交换：热量和功量 一般不作整体位移，Ek与Ep的变化均为零，因此与外界交换能量（功量W、热量Q）的结果只是导致热力学能U 的变化。,对于热力过程1-2,有：,对1kg工质，有：,式中各项的正负号规定为：系统吸热为正，放热为负；系统对外作功为正，外界对系统作功为负。 上式既适用于准静态过程，也适用于非准静态过程。,对于微元过程，有：,即：
5、,对于无耗散的准静态过程，,因此上述诸式可写为：,对1kg工质，有：,2-3 开口系统能量方程,物理模型 physics model,The energy equation for Control Volumes,Time 0,Time 0 d,引起系统内部能量变化的原因：质量交换和能量交换。,经历d时间后，系统内的质量变化：,由此可得：,该式称为连续性方程式，它说明单位时间内开口系统中工质质量增加的数量等于流入和流出系统的流量之差。,能量交换的情况：加入系统的热量： 系统对外所作的轴功：,推动功推动工质流入、流出系统所消耗的功量,出口截面处，系统为推动微元工质流出系统消耗的推动功为：,于是开
6、口系统对外界输出的净推动功为：,过程中流入、流出系统的工质所带入系统的净能量为 ：,入口截面处，外界推动工质流入系统所消耗的推动功：,（外界对系统作功）,（系统对外界作功）,由上述各项能量，可以得到开口系统的能量转换关系为 ：,因：,而:,以及：,将其代入上述开口系统能量方程式，即有：,（2-6a）,2-4 稳定状态稳定流动能量方程式,The energy equation for steady and uniform flow,一般情况下，能量转换装置都是在稳定条件下工作的。稳定状态：各点的状态不随时间变化；稳定流动：系统内各处及进出口截面，工质的流量和流速不变。 系统与外界交换的热量和功量
7、稳定不变。,过程特点：Characteristic:,第二章 热力学第一定律,17,将其代入式（2-6a）：,取,有,令,则有,将其称为焓，也是一个状态参数：,焓并不能看作是工质储存的能量，而是随工质流动跨越边界而转移的能量。热力学能则是工质内部储存能量的唯一形式。,由,，有：,即,热力学第一定律的另一主要形式。,2-5 轴功 Shaft Work,由稳定流动能量方程式，可得到轴功与其他形式能量之间的关系为：,由：,可得：,上式说明：稳定流动过程中开口系统所作轴功，是工质的容积变化功，在扣除了净推动功以及增加的流动动能、重力位能之后，通过边界输出的功。,可逆过程,技术功wt工程上可以直接利用的
8、机械能,将轴功的表达式代入上式，即有：,忽略宏观动能和位能，则有,由上式可知，准静态过程的技术功的大小可用过程线左边的面积来表示。,2-6 稳定流动能量方程式应用举例,一、加热器或冷却器 heat exchanger,二、涡轮机或压气机 Turbines, compressors and pumps,特点：,特点：,所以有：,所以有：,Application of the energy equation of steady and uniform flow,三、喷管Nozzles and Diffusers,四、绝热节流 Throttling Devices(adiabatic process
9、),所以有：,特点：,特点：,所以有：,2-1 试说明热力学能的定义及其物理意义。 2-2 按照热力学第一定律能量方程式QUW设式中各项可任意改变其正负号，试说明相应的能量转换关系，并举一二个实例。 2-3 试说明下列三式的物理意义，dUW， dUpdV， dUd(pV)它们三者或其中两者各在什么条件下可以彼此相等？ 2-4 试说明焓的定义及应用于开口系统时的物理意义。 2-5 何谓稳定状态稳定流动过程？试分析该过程中工质所经历的状态变化过程，与闭口系统中工质所经历的状态变化过程的相似之处。,思 考 题,第二章 热力学第一定律,24,2-6 一个充气的玩具橡皮气球放置于一真空容器中。若气球突然爆破，试分析所发生的能量转换。 2-7 一个绝热材料所制成的小瓶内盛有气体，而小瓶放置在绝热材料所制成的真空容器中。因小瓶密封不严，瓶内气体慢慢逸出容器，直至瓶内、外气体压力相同为止。试分析漏气停止时下述三部分在漏气过程中所经历的能量转换：(1)瓶内气体；(2)瓶外气体；(3)全部气体。,
