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第二章热力学第一定律的-理循第定遵学奠须力算必热计所述程程阐过由点力力重热热章为切本、,是富就定学律衡数定孑与-与质第虬实学转的础力量律基热能定论2-1热力系统的储存能热力系统的储存能热力学能宏观动能、宏观位能
1.热力学能不涉及化学能和原子能的物质分子热运动动能和分子之间由于相互作用力而具有的位能之和(热能)热力学能符号U单位J或kJO比热力学能单位质量工质的热力学能符号〃;单位J/kg或kj/kgo比热力学能是状态参数Tot不涉及化学能和原子能的物质分子热运动动能和分子之间由于相互顶用力皿具有的位能之和(热能)u=f(rv)任何状态下系统热力学能的数值不可能为零由于在工程热力学中只计算工质在状态变化中的热力学能的变化量,因此热力学能的零点可以人为地规定,例如,通常取0K时气体的热力学能为零宏观动能氐单位为J或kJ7712Ek=~mCf宏观位能:Ep单位为J或kJEp=mgz储存能E单位为J或kJE=u+Ek+Ep比储存能e单位为J/kg或kj/kg2-2热力学第一定律的实质热力学第一定律实质就是热力过程中的能量守恒和转换定律,可表述为在热能与其它形式能的互相转换过程中,能的总量始终不变不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不可能制造成功的进入系统的能量一离开系统的能量=系统储存能量的变化热力学第一定律适用于一切热力系统和热力过程2-3闭口系统的热力学第一定律表达式Q-W=AU=U2-U}Q=AU-^W对于微元过程dQ=dU+8W对于可逆过程(或准平衡过程),8Q=dU+pdVQ=pdV对于单位质量工质,河=d〃+5wg=△以+w对于单位质量工质的可逆过程(准平衡过程),=d〃+pdvg=△〃+fpdv例
2.1气体在某一过程中吸收的热量为50J同时热力学能增加了84J问此过程是膨胀过程还是压缩过程作功量为多少解根据题意,有Q=50J△U=84J由闭口系能量方程式,可得W=Q-AU=50-84=-34J0可见,此过程为压缩过程,外界对气体作功34J2-4开口系统的稳定流动能量方程式
1.稳定流动与流动功
(1)稳定流动流动状况不随时间而改变的流动即任一流通截面上工质的状态都不随时间而改变稳定流动的实现条件1)进、出口截面的状态参数不随时间而变;;2)各流通截面工质的质量流量相等,且不随时间而改变;3)系统与外界交换的功量、热量不随时间改变确苦/平衡状态和稳定状态有何区别?为什么要引入平衡状态的概念2流动功推动工质流动所作的功,也称为推进功或,开口系因工质流动而传递的功A8WJ=pAdx卢=pdV=pvdm_dm—p系统对于单位质量工质,HI21一dx_6W.7wf==pvdm流动功并非工质本身的能量动能、位能变化引起,是由泵或风机加给被输送工质并随工质流动向前传递的一种能量,非工质本身具有的能量可理解为由于工质的进出,外界与系统之间所传递的一种机械功,表现为流动工质进出系统时所携带和所传递的一种能量
2.开口系统的稳定流动能量方程在丁时间内,进口质量用\、流速
41、标fWjz1;出口质量勿
2、流稳定流动mx=m1=m1概括性热工设备示意图在7■时间内进入系统的能量1Q+m〃]+_c;+gZ]+mp[v[21=Q+mux+房昂+躬在Z■时间内离开系统的能量1Ws+mu2+-c^+gz2+mp2v2[2J1=Ws-\-mu2+—c^+gz2+p2v2k27根据热力学第一定律可得■1VQ+沮]+月、+;芸+明_V2_一1]-吧+所W2+/72V2+-4+gZ2=02J令u+pv^h力称为比嬉比恰的物理意义比嬉是状态参数;对于流动工质,比培表示每千克工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分上式可整理成1Q=mh2+—c^+gz2[2J12Q=m/Sh+—mAcf+mgAz+Vl^令H=mh上式改成八1Q=AH+—mAcf+mgAz+Ws对于单位质量工质q=A/z+△《;+gAz+wr以上两式称为开口系统的稳定流动能量方程对于微元过程,稳定流动能量方程写成8Q=dH+mdc;+仞gdz+弛bq=dh+dc;+gdz+5ws注意:无论对于流动工质还是不流动工质,比恰都是状态参数;对于流动工质,流动功等于比培表示单位质量工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分;对于不流动工质,不存在流动功,比培也不表示能量,仅是状态参数工程上一般只需要计算工质经历某一过程后培的变化量而不是其绝对值,所以培值的零点可人为地规定闭口系统的热力学第一定律表达式Q=At/+W适用于闭口系一切过程思考绝热刚性容器,中间用隔板分为两部分,左边盛有空气,右边为真空,抽掉隔板,空气将充满整个容器问⑴空气是否作出了功?⑵空气的热力学能如何变化?⑶能否在坐标图上表示此过程?为什么?判断气体膨胀时一定对外作功X气体被压缩时一定消耗外功寸气体膨胀时必须对其加热X气体边膨胀边放热是可能的/气体边被压缩边吸入热量是不可能的X对工质加热,其温度反而降低,这种情况不可能X习题2-5:定量工质,经历了由下表所列的4个过程组成的循环,请填充下表中空缺的数据开口系统的稳定流动能量方程式Q=AH+—mACf+mgAz+WS比培u+pv=h比焙是状态参数;对于流动工质,比恰表示每千克工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分对于流动工质pv表示流动功
3.技术功定义在工程热力学中,将工程技术上可以直接利用的动能差、位能差及轴功三项之和称为技术功,用%表示1=_诚\乌+mgAz+Ws对于单位质量工质叫=!眼;+8+典开口系统的稳定流动能量方程式可改写为Q=AH+—mAc^+mgAz+WsQ^AH+Wtq=Ah+wt对于微元过程,8Q=dH+6Wt8q=dh+8wt在稳定流动过程中,由于开口系本身的状况不随时间变化因此整个流动过程的总效果相当于一定质量的工质从进口截面穿过开口系统,在其中经历了一系列的状态变化,并与外界发生热和功的交换,最后流到了出口这样,开口系稳定流动能量方程也可看成是流经开口系统的一定质量的工质的能量方程可以假定质量为0的工质从进口截面处的状态1变化到出口截面处的状态2从外界吸收了热量,作了膨胀功根据闭口系统的热力学第一定律表达式对比开口系统的稳定流动能量方程式0=△/+△«+gAz+/可得巧=(〃2岭—
1、)+螺辎=w—(心电―PM)上式说明,工质稳定流经热力设备时所作的技术功等于膨胀功减去净流动功,而轴功只是技术功的一部分对可逆过程pdv则可逆过程技术功为叫=J pdIP2岭_PMpdv-^dpv式中,v恒为正值,负号表示技术功的正负与d〃相反将上式代入开口系统的稳定流动能量方程式0=△+耕(适用于一般过程)可得q=zVz—J]vdp(适用于可逆过程)2-5稳定流动能量方程式的应用工程上,除了喷管、扩压管外,常见热工设备的进出口动、位能的变化一般都可以忽略不计0=幼+戏热交换器(嗥=0)0=-4动力机械(0=0)绝热节流11ha二o=oh^—h2=0注意绝热节流过程不是定培过程第二章热力学第一定律热力系统的储存能热力学第一定律的实质迁移能一一功量和热量体积变化功W、轴功Ws、流动功Wf、技术功Wt闭口系统的热力学第一定律表达式开口系统的稳定流动能量方程式稳定流动必要条件稳定流动能量方程式的应用体积变化功系统体积变化所完成的膨胀功或压缩功统称为体积变化功由于热能和机械能的可逆转换总是和工质的膨胀或压缩联系在一起的,所以体积变化功是热变功的源泉轴功系统通过轴与外界交换的功量流动功开口系因工质流动而传递的功相当于一假想活塞为把前方的工质推进(或推出)系统所做的功,此量随工质进入(或离开)系统而成为带入(或带出)系统的能量技术功技术上可以利用的功称为技术功,它是稳定流动系统动能、位能的增量与轴功三项之和过程2AJW/kJAU/kJ1-21390013902-30395-3953-4-10000-10004-10-55。