能量转化过程需要哪些设备或系统

1.2　热力学第一定律

1.2.1　热量和功

热力学中，热力系统和外界间的能量传递可以由两种方式来实现，一种传递方式是做功，一种传递方式是传热。

借做功来传递能量时，总是和物体的宏观位移相联系。例如气缸中的工质膨胀对活塞做功，只有通过工质和活塞分界面的宏观位移才能实现。活塞的移动停止了，做功也就结束了。做功的结果是使工质的一部分能量传递给了活塞。在这个过程中传递能量的多少用作了多少功来度量。

借传热来传递能量时就不需要有物体的宏观移动。如一个热源与工质接触就把能量直接传给了工质。它是通过接触面上两个物体中杂乱运动的质点间相互碰撞实现能量传递的。传热的结果是高温物体把一部分能量传递给了低温物体。在这个过程中传递能量的多少用放出或吸收了多少热量来度量。

由此可见，热量和功都是能量传递的度量，它们是过程量。只有在能量传递过程中才能有热量和功，没有过程，也就根本不存在热量和功。

功和热量通常分别用符号W和Q表示，在法定计量单位中，单位是焦耳(J)。每千克工质做的功或传递的热量分别用符号w和q表示，单位是J/kg。

假设工质在气缸内进行一个可逆的膨胀过程1－2(图1－6)。当活塞位移量为dx时，工质做功的膨胀功为dW，则

dW= p·A·dx= p·dv

其中A是气缸的横截面积。

图1－6　工质在气缸内的膨胀做功

在整个过程1－2中做功的膨胀功

如果缸内工质为1kg，上述两式为

如果过程反方向进行(压缩)，则1－1过程中工质作的膨胀功

它是小于零的，故也叫压缩功，表示外界压缩工质做功。可见工质在可逆过程中所做功的大小，正好等于p－v图上曲线与横轴所包围的面积，如图1－7所示。

图1－7　可逆过程中的膨胀功

图1－8　可逆过程中的热量

图1－8是上述过程在图上的标示。对做功过程ds，根据熵的定义式有

则整个过程中，工质获得的热量

或

过程按1－1方向进行时，

因此时ds为负值，所以q亦为负值，表示此过程中工质对外放热。可见工质在可逆过程中所传递热量的大小正好等于T－s图下曲线与横轴所包围的面积。

对比式子

dw= pdv

dq= Tds

可以发现它们是相互对应的，w、q都是过程中传递的能量;p、T作为状态参数影响过程中能量传递的数量，而v、s是否变化就代表了能量传递过程是否进行，也就是说dv和ds是能量传递的动力，dv的正负代表了做功的正负，而ds的正负代表了传热的正负。

1.2.2　热力学第一定律

能量守恒及转换定律是自然界中最重要的普遍定律之一，它指出了自然界中物质所具有的能量，既不能创造也不能消灭，只能从一种能量形态转变为另一种形态，而且在转换的过程中两种能量在数量上相当。

热力学第一定律就是能量守恒和转换定律在热力学中的具体体现，它指出热能和其他形式的能量可以相互转化但总能量应该守恒。在工程热力学中，由于只研究热能和机械能之间的转化，因此热力学第一定律也可表述为:热和功可以相互转化，但系统热能与机械能的总和不变。

对于最一般的热力系统而言，系统与外界间既有功的交换，也有热的交换，同时系统的状态也在变化。也就是说，系统与外界间有能量的交换，系统本身也有能量的变化。因此把热力学第一定律应用于这个系统时，其能量关系可表示为:

式中，E₁为系统的初始能量，E₂为系统的最终能量，E _in为传入系统的能量，E _out为系统输出的能量。

下面，我们分闭口系统和开口系统两种情况来分别进行讨论:

1.闭口系统能量方程式

如图［1－9(a)］，设过程开始时工质的状态参数为p₁、V₁、T₁，此时工质具有的热力学能U₁，即为系统的初始能量。在过程中系统从外界吸热Q，同时工质因为膨胀，推动活塞对外做功W，最后状态参数变为p₂、V₂、T₂。此时工质所具有的热力学能U₂即为系统的最终能量。根据式1－10，则有

U₁+Q－W=U₂

Q=(U₂－U₁)+W

图1－9　闭口系统能量平衡

式(1－11)是热力学第一定律应用于闭口系统而得到的能量方程式，叫做热力学第一定律的第一解析式。它表明传给系统的全部能量一部分用于增加工质的热力学能，另一部分以做功的方式传给外界。

应该注意的是:式(1－11)中，Q、ΔU、W都是代数值，它们都可以为正值或负值。系统吸热时，热量Q为正;系统对外做功时，功W为正;系统热力学能增加时，热力学能差ΔU为正，反之则为负。

式(1－11)是直接由能量守恒及转换定律导出的，因此它是普遍适用的。可用于任何工质、任何过程的计算。

当过程为一可逆过程时，可以在p－v图上以一条连续曲线表示，如图1－9(b)。

此时，因有

所以有

2.开口系统能量方程式

如图1－10，设过程开始时系统内没有工质，其初始能量为零。1kg状态参数为p₁、v₁、T₁的工质，通过进口流入系统后，带给系统的能量应是其热力学能u₁与流动p₁ v₁功之和，即焓h₁。工质在系统内经过膨胀，状态参数变为p₂、v₂、T₂。排出系统时带走的能量，也应为工质的焓h₂= u₂+ p₂ v₂，在状态变化过程中，每kg工质从外界吸热q，对外界做功w_s。由于最后工质又排出了系统，因此系统的最终能量又为零。根据式(1－10)，则有

Q+(h₁+ q)－(h₂+w_s)= 0

即

q=(h₂－h₁)+ w_s

图1－10　开口系统能量平衡

对全部工质

此处的功W_s是系统实际输出的功，叫做轴功。

对于一个微元过程，则有

式(1－13)是热力学第一定律应用于开口系统的能量方程式，也叫做热力学第一定律第二解析式，它也是普遍适用的。式中的q、Δh、w_s也都可以为正值或负值。因为h₁+ u₁= p₁ v₁，h₂= u₂+ p₂ v₂，所以对于式(1－13a)，有

可见，在开口系统中，系统输出的轴功等于其膨胀功与流动净功之和。

当过程为一可逆过程时，其曲线如图1－10b所示，

可见w_s的绝对值，可以用p－v图上该过程的曲线与纵轴所包围的面积来表示。所以对可逆过程有

3.稳定流动能量方程式

对于更一般的情况，假设工质进入系统时，焓是h₁，流速是c₁，高度是z₁。流出系统时，焓是h₂，流速是c₂，高度是z₂。过程中每kg工质从外界吸热q，对外作轴功w_s。根据式(1－10)，则有

该式称为稳定流动能量方程式，适用于稳定流动的情况，即各状态参数仅为空间位置的函数，不随时间而变。当气体的宏观动、位能有变化时，其能量关系应由式(1－17)计算。式(1－17)右边后三项之和称为技术功w_s，属于机械能的范畴。

即