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哈工大工程热力学(2)热力学第一定律PPT课件

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(精品)工程热力学课件：热力学第一定律

(精品)工程热力学课件：热力学第一定律

恒定流量
流过系统任何断面的质量相等
m1 m2 m
恒定参数
进入的能量与离开的能量相等
dEcv 0
开口系统稳态稳流能量方程
dEcv
Q
(h1
1 2
c12
gz1) m1
(h2
1 2
c22
gz2 ) m2
Ws
稳态稳流 m1 m2 m
dEcv 0
Q
(h2
1 2
c22
gz2
)
m
(h1
( Q W ) ( Q W ) 0
1b 2
2 c1
( Q W ) ( Q W )
1a 2
1b 2
p1
b
a c
2
V
与路径无关
用dU表示
是某状态函数的全微分
热力学能的物理意义
dU = Q - W
Q
W
dU 代表某微元过程中系统通过边界交换 的微热量与微功量两者之差值，也即系统内 部能量的变化。
气轮机 1.5MPa 320℃
0.6m3
例题
大储气罐蒸汽状态稳定，管道
气轮机
内的蒸汽量可忽略。 绝热，忽略动、位能，没有质
1.5MPa 320℃
0.6m3
量流出。
dEcv
Q
(h1
1 2
c12
gz1) m1
(h2
1 2
c22
gz2 ) m2
Ws
2
2
2
1 dEcv 1 h1 m1 1 Ws
Q
2
可逆过程的技术功
w ( pv) wt
w d ( pv) wt
可逆过程 pdv d ( pv) wt

工程热力学(第2章--热力学第一定律)

工程热力学(第2章--热力学第一定律)
第一篇 工程热力学
第二章 热力学第一定律
本章主要内容
热力学第一定律的实质 系统储存能 闭口系能量方程 状态参数焓 开口系能量方程及其应用
2
2-1 热力学第一定律的实质
➢19世纪30-40年代，迈尔·焦耳（德国医生） 发现并确定了能量转换与守恒定律。恩格斯 将其列为19世纪三大发现之一（细胞学说、 达尔文进化论）。
5
永动机设想？
Q
电
锅 炉
加 热 器
汽轮机 发电机
凝
给水泵
汽
器
Wnet
Qout
6
2-2 系统储存能
➢ 能量是物质运动的度量，运动有各种不同的形 态，相应的就有各种不同的能量。
➢ 系统储存的能量称为储存能，它有内部储存能 与外部储存能之分。
系统储存能
内部储存能 （热力学能）
外部储存能 （宏观机械能）
➢能量转换与守恒定律指出：一切物质都具有 能量。能量既不可能被创造，也不可能被消 灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变 为另一种形式。而在转换过程中，能的总量 保持不变。
3
实质：热力学第一定律是能量转换与守恒 定律在热力学中的具体应用。
热功转换可归结为两种运动形式之间的转化：
宏观物体的机械运动 微观分子的热运动
说明：由计算结果可知，将汽轮机的散热量忽略不计时，对汽轮机
功率的影响并不大。所以，将汽轮机内蒸汽的膨胀作功过程看成是绝热 过程来分析是合理的。
30
例2-3 某300MW机组，锅炉的出力为qm=1024×103kg/h，出口蒸
汽锅每焓炉小为的时h效的2=率燃33煤η92量炉.=3B9K？2J%/，kg标，准锅煤炉发进热口量给q水煤=焓29为27h01=K1J1/9k7g.，3K求J/锅kg炉，

工程热力学 第二章 热力学第一定律

工程热力学 第二章 热力学第一定律

wt

1 2
cf22
cf21
gz2
z1 ws
(2-11)
将轴功的表达式代入上式，即有：
2
1 d ( pv)
2
2
1 pdv 1 vdp
wt 12 pdv p2v2 p1v1 12 vdp (2-11a)
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。
准静态 pdv d( pv) wt
wt pdv d( pv) pdv ( pdv vdp) vdp
wt vdp wt vdp
准静态
q du pdv
q dh vdp
热一律解析式之一 热一律解析式之二
技术功在示功图上的表示
q12 (u2 u1) w12
Q dU pdV (2-4)
2
Q12
(U2
U1)
pdV
1
(2-4a)
q du pdv (2-4b)
2
q12
(u2 u1)
pdv
1
(2-4c)
2-3 开口系统能量方程 Energy balance for open system
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。
对于无耗散的准静态过程， w pdv
因此上述诸式可写为：
Q dU W
Q12 (U2 U1) W12
对1kg工质，有：
q du w
所以有：
h1 h2

1 2

第二章 热力学第一定律Microsoft PowerPoint 演示文稿

第二章 热力学第一定律Microsoft PowerPoint 演示文稿

6.热力学第一定律
2-3 恒容热、恒压热、焓

1.恒容热 恒容热是系统在恒容且非体积功为零的过程中 与环境交换的热，其符号为QV
根据热力学第一定律： dU=δQ+δW 恒容，W＝0 QV＝U 或 δQV＝dU (dV=0, W′=0,封闭系统) 表明：在恒容且W′＝0的过程中，恒容热等于热力学 能的改变。
Z Z dz dx dy y x y x
以 V = f (p,T ) 为例
V V dV p dp T dT p T
6.热力学平衡态
定义：系统在一定条件下，经足够长的时间，
3.焓的单位：J 或 kJ
4.对于物质量恒定的系统，系统的焓可以表示为温度、压力 的函数 即H=f(T,P) 5.焓的绝对值无法确定
4.盖斯定律:一个化学反应，不管是一步完成还 是几步完成，反应的恒容热与恒压热只取决于
始末状态与途径无关。




例如(1) C(S)+O 2(g)= CO 2 (g) QP,1 (2) C(S) +1/2O 2(g)= CO (g) QP,2 (3) CO (g) +1/2O 2(g)= CO 2 (g) QP,3 QP,1与QP,3能从实验中测得，但QP,2却很难测得 由于QP,1 = △H 1 ， QP,2 =△H 2 ， QP,3 =△H 3 而状态函数 的改变只与始末状态有关，由反应方程得(2)= (1)- (3) 故△H 2 = △H 1 - △H 3 于是QP,2 = QP,1 - QP,3
第二章 热力学第一定律 2-1 热力学基本概念
1.系统和环境 系统: 热力学研究的对象。也称物系或体系。 环境: 与系统有直接联系的周围部分。

2热力学第一定律PPT课件

2热力学第一定律PPT课件
在热力过程中，系统与外界相互的作用而传递的 能量，若其全部效果可表现为使外界物体改变宏 观的运动状态，则这种能量被称为功。
系统
功量正 功量负
外界
气体膨胀是对外界做的功我们称为膨胀功，
气体压缩外界对气体所作的工称为压缩功，
两者统称为体积功或容积功。 Nhomakorabea2
W 1 δW
2
2
1 pAdx 1 pdV
功是过程量
（1）能作为一种能量形态，可以和其它能量形 态相互转换，转换中能量的总量守恒。 在各种能量转换中，热能和机械能的转换在人 类生产的历史上始终受到极大的关注。由热力学 第一定律可知，欲得到一定的机械功，必须要消 耗一定热量。 （2）在孤立系统中，能量的形式可以转换，能 量的总值不变。 （3）将热力学第一定律应用于热机，可以表述 为：第一类永动机是不可能制成的。
功和热量有一定的相似性
1.可逆过程中容积功的推动力是无限小的压力差， 而可逆过程热量的推动力是无限小的温度差，
2.容积功的微元变量是状态参数V，那么热量的微 元变量也应是一个广度状态参数，这个参数就是熵。
因此，可逆过程与外界交换的能量就有如下的表 达式
QTdS
熵（S）：状态参数，是可逆过程有无热量传递的 标志性参数。单位质量物质的熵称为比熵，用s表 示。比熵增大,系统吸热；比熵减小，系统放热。
温度的函数。 内位能：分子间的引力作用而所具有的能量。与分子
间的平均距离有关。 化学变化时才有化学内能发生，核能我们现在不研究。
这样我们就可以看出来内能是温度和比体积的函数，即 内能是状态函数。
4. 总（储存）能(total stored energy of system)
一般来说系统的总能量E除了由系统热力学状态 确定的系统本身的能量，即热力学能U外，还包括 由系统整体力学状态确定的系统宏观运动的动能 Ek及系统的重力位能Ep。于是有

02 第二章 热力学第一定律共48页PPT资料

02 第二章 热力学第一定律共48页PPT资料
② Q、W不是状态函数，除了与始终态有关外，还 与变化途径有关。
③ W指总功，包括体积功和非体积功。
④ 第一定律只适用于封闭系统。
（五） 功、热、热力学能、焓
（五） 功、热、热力学能、焓 1. 热（heat）系统与环境之间因温差而传递的能量 称为热，用符号Q 表示, δQ = CdT。 Q的取号：
第二章 热力学第一定律及其应用
（二）状态函数（states function) 状态函数是描述系统状态的参数。其数值仅取决于
系统所处的状态，而与系统的历史无关；它的变化值仅 取决于系统的始态和终态，而与变化的途径无关。 1.状态函数的特点： （1）状态一定，状态函数一定。 （2）状态函数改变，状态改变。 （3）状态函数的改变值，只与始终态有关，与变化 的途径无关。 （4）状态函数在数学上具有全微分的性质。
（五） 功、热、热力学能、焓
3. 热力学能：热力学能是系统内部能量的总和，其 中包括平动能(t)、转动能(r)、振动能(υ)、电子能 (e)和核能(n)以及各种粒子之间的相互作用位能等。
热力学能的绝对值不可测，只能测出变化值，这 种能量以热与功的形式表现出来。
ΔU = Q + W
UTT 12CVd
(电功)
δW表面 = -γdA
(表面功)
功的一般表示式 Wp外 dV (Xd YxdZ ydz)
W eW f
从微观角度来说，功是大量质点以有序运动而传递的 能量，而热是大量质点以无序运动方式而传递的能量。
热和功的特点 （1）Q和W都不是状态函数，其数值与变化途径有关。
（2）Q和W的微变都不是全微分，用Q和W表示
2. 可逆过程
系统经过某一过程之后，如果使系统恢复原状的同 时，环境也能恢复到原状而未留下任何永久性的变化， 则该过程称为热力学可逆过程。否则为不可逆过程。

热力学第一定律PPT课件

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U = f ( T ) ——这称为Joule定律
原因：
T不变，U ＝ 0
理想g分子间无相互作用力。无分子间相互作用的 势能，U只是分子的平动、转动、分子内部各原子间的
振动、电子的运动、核的运动的能量之和，这些能量均
取决于T。
注意：
实际g分子间有相互作用力。U与T，V都有关。
7
§2.3 恒容热、恒压热及焓
已知：C p,m ( Ar(g) ) . J .mol-.K -
C p,m Cu(s) .J .mol-.K -
并假设其不随温度变化
始态
4mol Ar(g) 2mol Cu(s) T1 = 273.15K V1＝0.1m3
dV=0
求：Q、W、 U及H
末态
pamb 0 W 0
过程中水温未变：Q ＝0
U ＝ 0
5
§2.2 热力学第一定律
对于单相、均匀的单组成系统，若n一定，则热力 学能可表示为 p, V, T 中的任意两个变量的函数。
设 U f (T ,V ) dU U dV U dT
V T
如：在恒T、恒P, W = 0的条件下 CO(g) 的生成反应：
C 石墨 O2 g CO2 g 1 Qp可由实验
CO
g


1 2
O2

g


CO2

g

3
直接测定
C
石墨


1 2
O2

g


CO
g

(2) Qp不能直接测定
反应(1 ) - (3)＝(2) H2 = H1 －H3

热力学第一定律 哈工大

热力学第一定律 哈工大

等温线
( 1)
0
V
p nkT
{
等温： T 不变， n
绝热： T ， n
p p
V1
V2
C绝 0
五、多方过程
14
实际的热工过程中，严格的等温或严格的绝热过程难以实现， 对气体加以压缩或使气体膨胀时，气体经历的过程常常介于绝热 和等温之间的过程，而把此过程称为多方过程，写为：
M M Q C P T21 CV T32
5 3 ( P1V2 P1V1 ) ( P2V2 P1V2 ) 2 2
V
(3)
11 2 P1V1 5.6 10 J 2
A Q 5 .6 10 2 J
22.5 热机效率
一 循环过程 p Q吸
正循环
19
p
p
10ⅠΒιβλιοθήκη ⅡAV2V1
pdV p (V
2
V1 )
由 PV RT
V2
0 V 1 R (T2 T1 ) R T
V2
V
E CV , m T
Q E pdV CV , m T RT (CV , m R ) T

例
解:
1mol氧气作如图所示的循环.求循环效率.
22
M Qab C p (Tb Ta ) M Qbc CV (Tc Tb )
p
a
p0
0
M
等
Qab
温
b
V0 M Qca RTc ln 2V0
M M
Qbc
Qca
c
Q2 1 1 Q1
CV (Tb Tc )

热力学第一定律PPT课件

热力学第一定律PPT课件
解：
取杜瓦瓶及其中的物
质为系统，Q 0
例：绝热容器中盛有水，另有电源对浸于水中的电 热丝通电，见图。选取（1）水为系统；（2）水与 电热丝一起为系统，问 Q 0,Q 0,Q 0 ； W 0,W 0,W 0 解：
（1）取水为系统，则 系统边界是绝热壁及水 与电热丝交界处
Q 0, W 0
Qp ΔH
def
H U pV
dH dU d pV
dQp dH
不做非体积功时，恒压热等于系统焓的变化， 它只决定于系统的初终态
恒压过程的几点说明：
1 恒压过程只要求外压维持恒定，并且体系的初末 态压强等于外压，即可得到不做非体积功时，恒压 热等于焓变。
2 dQp dH 指的是一个微小恒压过程，并不是指 一个恒压过程中间的一个微元，因为实际过程的中
◆ 恒压(isobaric)过程——p1=p2 =p外 且p外维 持恒定
封闭系统 不做非体积功 恒压过程
Qp DU W DU p外(V2 V1 ) U2 U1 ( p2V2 p1V1 ) (U2 p2V2 ) (U1 p1V1 )
定义：焓 (enthalpy)H
DH DU D pV
（2）取水与电热丝一起为系统，则 Q 0, W 0
2.热力学第一定律(the first law of
thermodynamics)
W Q △U
U1
U2
△U = Q + W
以传热和做功的形式传递的能量，必定等于 系统热力学能的变化
△U = Q + W
◆ 一个过程的热和功 的代数和等于系统状态 函数U的变化，与途径 选择无关；
平衡体系的状态得以发生变化依赖环境的影 响，只有来自于体系外部的影响才能使处于平衡 态的体系发生变化。

热力学第一定律ppt课件

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变式训练
【例题】一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2 ×105J。问： ①是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？ ②如果气体吸收的热量仍为2.6×105J不变，但是内能只增加了1.6×105J，这一过 程做功情况怎样？
解：①根据ΔU = W + Q 得 W = ΔU － Q = 4.2 ×105J － 2.6×105J= 1.6×105J W为正值，外界对气体做功，做了1.6×105J 的功。 ②同理可得：W＇=ΔU＇－ Q＇=1.6 ×105J － 2.6×105J= － 1.0×105J W为负值，说明气体对外界做功（气体体积变大），做了1.0×105J 的功。
汽缸内有一定质量的气体，压缩气 体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的 变化会比单一方式（做功或传热）更明显。 这是为什么呢？
压缩气体，内能增大，给气体加热内能也 是增大。两者叠加所以就更明显。
一方面表明，以不同的方式对系统做功时，
只要系统始末两个状态是确定的，做功的数量就
是确定的；
单纯地对系统做功做功： ΔU=W 焦
分析： ①确定研究对象：汽缸中的气体。
②明确气体状态变化过程。
③正确选取W与Q的正负。
解析：
（2）气体膨胀过程中气体（系统）对外界所做功，W是负值：
W2= F2L2=-9×10²×0.1 J =-900 J
系统向外放热：Q=-30J
气体内能的变化量：ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J
【例题】如图，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m， 这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同 距离所做的功（图甲）。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传 递给汽缸的热量为25J。 ⑵燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1m，其做的功相当于9×103N的 恒力使活塞移动相同距离所做的功（图乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为30J， 求此做功过程气体内能的变化量。

工程热力学 第2章 热力学第一定律

工程热力学 第2章 热力学第一定律

6
可逆膨胀过程：
系统内部准静→系统的压力与外界压力相差只是无穷小 →可看作过程中P=Ps→微元过程中系统对外界所作的膨 胀功可完全用系统内部参数表示：
W PdV
对1kg工质的微元过程 对1→2的有限过程
m kg工质：
w Pdv
1 kg工质：
以上公式适用于任何简单可压缩物质可逆过程
2020/1/10
• 系统温度的变化与传热并无必然的联系 • 热能是微观粒子无序紊乱运动的能量；传热是微观粒
子间无序运动能量的传递
2020/1/10
12
⑵ 可逆过程的热量计算
①利用熵参数进行热量计算
热力学状态参数熵的定义
经历可逆的微元过程时，系统的熵变 量dS等于该微元过程中系统所吸入的热 量đQ与吸热当时的热源温度T之比
这时
E=U
2020/1/10
20
§2.5 控制质量(CM)能量分析
⑴热力学第一定律基本表达式
控制质量 热力过程中吸入热量Q， 对外界作功W，热力学能增加∆U 根据热力学第一定律
Q = ∆E + W W——广义功
输入能量 贮能增量 输出能量
若系统固定不动，U=E，则
Q = ∆U + W
对于微元能
⑴状态参数热力学能
物质内部拥有的能量统称为热力学能（内能）
分子平移运动、转动和振动的动能（内动能） 分子间因存在作用力而相应拥有的位能(内位能) 维持一定分子结构的化学能、分子的结合能 U 电偶极子和磁偶极子的偶极矩能 原子核能（原子能） ……（电子的运动能量等）
第2章 热力学第一定律
( The First Law of Thermodynamics )
主要内容
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w (p 2 v 2 p 1 v 1 ) 1 2 (c 2 2 c 1 2 ) g (z 2 z 1 ) w sh
29
总功（Ｗtot）、膨胀功（Ｗ）、技术功 （Ｗt）和轴功（Ｗsh ）之间的区别和内在
联系
膨胀功、技术功、轴功孰大孰小取决于
1 2
(c22
c12
)
、g(z2z1) 、 (p2v2p1v2)
dm m 1m 2
根据热力学第一定律可知： 加入热力系的能量的总和 - 热力系输出的 能量的总和 =热力系总能量的增量
（ Q e 1 m 1 ） ( W t o t e 2 m 2 ) ( E d E ) E
7
微分式
Q d E ( e 2m 2 e 1m 1 ) W tot
4
二、热力学第一定律表达式
１. 一般热力系能量方程
热力学第一定律基本表达式
热力系总能量为E (图2-1a)。它是热力学 能(U)、宏观动能 (EK) 和重力位能 (EP) 的 总和：
EUEkEp
5
热力系如图2-1中虚线 所包围的体积所示
6
根据质量守恒定律可知 热力系质量的变化等于流进和流出质量的差
ep2
p2v2
h2
c22 2
gz2
e1
p1v1
u1
ek1
ep1
p1v1
h1
c12 2
gz1
最后得 q(h2 h1)12(c22 c12)g(z2 z1)wsh
23
适用条件：稳定流动开口系、任何工质、
任何过程 对流动工质, 焓可以理解为流体向下游传
送的热力学能和推动功之和
24
5、能量方程之间的内在联系、热变功的本质
排气推动功和进气推动功的差值( p2v2-p1v1 ) 剩下的部分（即为技术功）可供输出
w (p2v2p 1 v1)w t
28
在稳定流动中，膨胀功除用于弥补排气推动功和进气推 动功的差值外，还要用于
增加流体的功能 增加流体的位能
[12（c22 c12）]
[g(z2z1)]
剩下的部分（即为轴功）才供输出
积分式
Q E ( )( e 2m 2 e 1m 1 ) W tot
适用条件：任何热力系、任何工质、任 何（无摩擦或有摩擦）过程
8
2、闭口系的能量方程
设一带活塞的气缸，取封闭在活塞气缸中 虚线包围的气体工质为闭口系
9
初态热力学能 - U1 吸热 - Q
对外界膨胀功 - W
终态热力学能 - U2
q(u2p2v2)(u1p1v1)w进气 ww排气 w进气 p1v1,w排气 p2v2 qu2u1w
26
归根结底,反映热能和机械能转换的是式 (2-6)，将其改写为
w(u1u2)q
在任何情况下,膨胀功都只能从热力系本 身的热力学能储备或从外界供给的热量 转变而来
27
在闭口系中 - 膨胀功(w)全部向外界输出 在开口系中 - 膨胀功中有一分要用来弥补
13
进气过程中
热力学能 – U1 进出口气体的重力位能基本不变
外界对的气体作了推动力 – p1V1
外界获得了进气功 – W
14
吸热膨胀作功
外界供给热量 – Q 膨 胀 功– W 热 力 学 能 – U2
15
排气过程中
外界消耗排气功 外界获得推动功
W排气 p2V2
排气后
质 量 m=0 总 能 量 E2 = 0
第二章 热力学第一定律
1
整体概况
概况一
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01
概况二
点击此处输入 相关文本内容02Fra bibliotek概况三
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03
2
2 - 1 热力学第一定律 的实质及表达式
3
一、热力学第一定律的实质
实质是能量守恒与转换原理在热力学中 的具体体现
在工程热力学中,热力学第一定律主要说 明热能和机械能在转移和转换时,能量的 总量必定守恒
动能和重力位能均无变化 Ek Ep 0
与外界无物质交换
m1m20
过程演示
10
积分式 每千克工质 微分式
Q U W U 2 U 1 W
qu2u1w
qduw
适用条件：闭口系、任何工质、任何（无 摩擦或有摩擦）过程
11
3、开口系的能量方程
12
进气前
质 量 m=0 总能量 E1 = 0
20
设有流体流过一复杂通道，虚线(界面)所包围的
开口系研究对象,假定进、出口截面上流体的各个
参数均匀一致,依次为：
进口截面：p1 ， v1 ， u1 ， c1 ， z1 ， e1
出口截面：p2 ， v2 ， u2 ， c2 ， z2 ， e2
21
取一段时间τ,设在这段时间内恰好有1kg流体流 过通道,同时有热量 q 传入又有轴功wsh作出。对 这样一个稳定流动的开口系,式 (2-4) 中各项为：
Qq
E 0（E 定值）
( ) (e2 m2 e1 m1 ) (e2 e1 ) ( ) m e2 e1
Wtot wsh p1v1 p2v2
22
根据式 (2-4) 可得
qe2 e1 wshp1v1 p2v2 (e2 p2v2)(e1 p1v1)wsh
式中
e2
p2v2
u2
ek2
如果把稳定流动能量方程中流体动能的增量和重力 位能的增量看作是暂存于流体(热力系)本身,并把它 们和轴功合并在一起,合并以后的功也就相当于开 口系能量方程中的技术功
这样,式(2-13)和式(2-11)也就完全一样了,即
qh2h1[12(c22c12)g(z2z1)wsh] h2h1wt
25
如果再把式 (2-14) 中的焓写为热力学能和推 动功之和，把技术功写为进气功、膨胀功及 排气功的代数和,便可以得到式(2-6)
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开口系在一个工作周期中的能量进出情况
QQ E 0
（）(e2m2 e1m1) U2 U1
Wtot p1V1 W进气 W W排气 p2V2
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根据式 (2-4) 可得
Q U 2 U 1 p 2 V 2 p 1 V 1 W 进 W 气 W 排气
动力机械在一个工作周期中获得的功
称为技术功,用 W t 表示 W t W 进气 W W 排气
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代入式 (2-8) 可得 每千克工质 微分式
QH 2H 1W t
qh2h1wt
qdhwt
适用条件：开口系、任何工质、任何(无 摩擦或摩擦)过程
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4、稳定流动的能量方程
稳定流动是指流道中任何位置上流体的流速及 其它状态参数 ( 温度、压力、比体积、比热力 学能等 ) 都不随时间而变化的流动