第二章 熱力學(xué)第一定律

第二章熱力學(xué)第一定律第二章熱力學(xué)第一定律1第1頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三關(guān)于永動機問題的思考各種永動機問題長期困擾著科技界與社會第一類永動機—不消耗能量而能對外連續(xù)作功的機器。第二類永動機—從單一熱源取熱，并將其全部轉(zhuǎn)變機械功的機器（或：熱效率等于100%的機器）[有關(guān)問題在第五章中將詳細討論]。長期以來一直有人在追求、研究各種形式的永動機，無一有所收獲。希望同學(xué)們樹立正確的思想方法，不要誤入歧途。幾個永動機的例子：第2頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三壓力容器壓氣機從大氣中取氣取回部分功量驅(qū)動壓氣機wp大氣機第3頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三？？機氫氣發(fā)動機水分解裝置取回部分功量驅(qū)動水分解裝置wH2水某人的永動機構(gòu)思第4頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三課后作業(yè)（小論文，兩個題目選一）①收集一個或兩個永動機例子，說明其“設(shè)計思想和原理”，分析其錯誤所在，談?wù)勊斐捎绊懞臀：?。②在閱讀有關(guān)永動機文獻的基礎(chǔ)上，寫出一篇關(guān)于永動機問題的小綜述報告。通過這樣一個活動，深刻理解永動機的危害，進一步樹立正確的、科學(xué)的思想方法。第5頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三2-2閉口系統(tǒng)能量方程式

能量方程式—熱力過程中，系統(tǒng)與外界交換的能量及系統(tǒng)本身總能量之間的關(guān)系式。

熱力學(xué)能U/J：系統(tǒng)內(nèi)部各種形式能量的總和。包括：內(nèi)部動能—包括分子的移動動能、轉(zhuǎn)動動能，分子中原子的振動動能，溫度越高，內(nèi)部動能越大。內(nèi)部位能—由分子間相互作用力形成。大小取決于分子件的距離。化學(xué)能、原子能等。在沒有化學(xué)反應(yīng)、核反應(yīng)的物理過程中，熱力學(xué)能的變化只包括內(nèi)部動能和內(nèi)部位能的變化。熱力學(xué)能是個狀態(tài)參數(shù)。TheenergyequationforControlMass第6頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三

比熱力學(xué)能u/(J/kg)：系統(tǒng)的總能量E/J：

比熱力學(xué)能可由任意兩個獨立參數(shù)確定：宏觀動能宏觀位能第7頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三

閉口系統(tǒng)與外界間可能發(fā)生的能量交換：熱量和功量

一般不作整體位移，Ek與Ep的變化均為零，因此與外界交換能量（功量W、熱量Q）的結(jié)果只是導(dǎo)致熱力學(xué)能U的變化。對于熱力過程1-2,有：對1kg工質(zhì)，有：

式中各項的正負號規(guī)定為：系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負；系統(tǒng)對外作功為正，外界對系統(tǒng)作功為負。上式既適用于準靜態(tài)過程，也適用于非準靜態(tài)過程。對于微元過程，有：即：第8頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三對于無耗散的準靜態(tài)過程，因此上述諸式可寫為：對1kg工質(zhì)，有：第9頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三2-3開口系統(tǒng)能量方程物理模型physicsmodelTheenergyequationforControlVolumesTimeτ0Timeτ0＋dτ引起系統(tǒng)內(nèi)部能量變化的原因：質(zhì)量交換和能量交換。第10頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三經(jīng)歷dτ時間后，系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量變化：由此可得：

該式稱為連續(xù)性方程式，它說明單位時間內(nèi)開口系統(tǒng)中工質(zhì)質(zhì)量增加的數(shù)量等于流入和流出系統(tǒng)的流量之差。

能量交換的情況：①加入系統(tǒng)的熱量：②系統(tǒng)對外所作的軸功：推動功—推動工質(zhì)流入、流出系統(tǒng)所消耗的功量第11頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三出口截面處，系統(tǒng)為推動微元工質(zhì)流出系統(tǒng)消耗的推動功為：

③于是開口系統(tǒng)對外界輸出的凈推動功為：

④過程中流入、流出系統(tǒng)的工質(zhì)所帶入系統(tǒng)的凈能量為：入口截面處，外界推動工質(zhì)流入系統(tǒng)所消耗的推動功：（外界對系統(tǒng)作功）（系統(tǒng)對外界作功）第12頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三由上述各項能量，可以得到開口系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系為：因：而:以及：將其代入上述開口系統(tǒng)能量方程式，即有：（2-6a）第13頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三2-4穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動能量方程式Theenergyequationforsteadyanduniformflow一般情況下，能量轉(zhuǎn)換裝置都是在穩(wěn)定條件下工作的。穩(wěn)定狀態(tài)：各點的狀態(tài)不隨時間變化；穩(wěn)定流動：系統(tǒng)內(nèi)各處及進出口截面，工質(zhì)的流量和流速不變。系統(tǒng)與外界交換的熱量和功量穩(wěn)定不變。過程特點：Characteristic:第14頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三將其代入式（2-6a）：取有第15頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三令則有將其稱為焓，也是一個狀態(tài)參數(shù)：

焓并不能看作是工質(zhì)儲存的能量，而是隨工質(zhì)流動跨越邊界而轉(zhuǎn)移的能量。熱力學(xué)能則是工質(zhì)內(nèi)部儲存能量的唯一形式。由，有：即熱力學(xué)第一定律的另一主要形式。第16頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三2-5軸功ShaftWork

由穩(wěn)定流動能量方程式，可得到軸功與其他形式能量之間的關(guān)系為：由：可得：上式說明：穩(wěn)定流動過程中開口系統(tǒng)所作軸功，是工質(zhì)的容積變化功，在扣除了凈推動功以及增加的流動動能、重力位能之后，通過邊界輸出的功。可逆過程第17頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三技術(shù)功wt—工程上可以直接利用的機械能將軸功的表達式代入上式，即有：忽略宏觀動能和位能，則有由上式可知，準靜態(tài)過程的技術(shù)功的大小可用過程線左邊的面積來表示。第18頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三2-6穩(wěn)定流動能量方程式應(yīng)用舉例一、加熱器或冷卻器heatexchanger二、渦輪機或壓氣機Turbines,compressorsandpumps特點：特點：所以有：所以有：Applicationoftheenergyequationofsteadyanduniformflow第19頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三三、噴管NozzlesandDiffusers四、絕熱節(jié)流ThrottlingDevices(adiabaticprocess)所以有：特點：特點：所以有：第20頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三2-1試說明熱力學(xué)能的定義及其物理意義。2-2按照熱力學(xué)第一定律能量方程式Q＝ΔU＋W設(shè)式中各項可任意改變其正負號，試說明相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，并舉一二個實例。2-3試說明下列三式的物理意義，dU＋δW，dU＋pdV，

dU＋d(pV)它們?nèi)呋蚱渲袃烧吒髟谑裁礂l件下可以彼此相等？2-4試說明焓的定義及應(yīng)用于開口系統(tǒng)時的物理意義。2-5何謂穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動過程？試分析該過程中工質(zhì)所經(jīng)歷的狀態(tài)變化過程，與閉口系統(tǒng)中工質(zhì)所經(jīng)歷的狀態(tài)變化過程的相似之處。思考題第21頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三2-6一個充氣的玩具橡皮氣球放置于一真空容器中。若氣球突然爆破