第二章 熱力學(xué)第一定律

第二章熱力學(xué)第一定律第1頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2—1熱力系統(tǒng)的儲(chǔ)存能儲(chǔ)存能：儲(chǔ)存在熱力系統(tǒng)的能量。（1）內(nèi)部?jī)?chǔ)存能———熱力學(xué)能（2）外部?jī)?chǔ)存能———宏觀動(dòng)能，宏觀位能。1.熱力學(xué)能：組成物質(zhì)的微觀粒子所具有的能量。熱力學(xué)能（internalenergy)主要包括（1）內(nèi)動(dòng)能：物質(zhì)內(nèi)部分子，原子等微觀粒子不停地作熱運(yùn)動(dòng)的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，是溫度的函數(shù)。（2）內(nèi)位能：由于分子間相互作用力的存在所具有的位能，與氣體的比體積有關(guān)?；瘜W(xué)能，原子核能，電磁能。第2頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三單位：焦耳J，符號(hào)U比熱力學(xué)能：?jiǎn)挝毁|(zhì)量物質(zhì)的熱力學(xué)能，u,J/kg2.熱力學(xué)能是溫度和比體積的函數(shù)，是狀態(tài)參數(shù)。3.熱力學(xué)能的大小是相對(duì)的。二.宏觀動(dòng)能和宏觀位能1.宏觀動(dòng)能：由于宏觀運(yùn)動(dòng)速度而具有的動(dòng)能。EK2.宏觀位能：由于其在重力場(chǎng)中的位置而具有的位能。EP三.總儲(chǔ)存能（storedenergy)總儲(chǔ)存能：系統(tǒng)的熱力學(xué)能，宏觀動(dòng)能，宏觀位能之和，用E表示，單位J，KJ。比儲(chǔ)存能e=u+ek+ep第3頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2—2熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)

(Thefirstlawofthermodynamics)幾種表述表述1：在熱能和其他形式能的互相轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能的總量始終不變。表述2：不花費(fèi)能量就能產(chǎn)生功的第一類永動(dòng)機(jī)（perpetualmotionmachineofthefirstkind)是永遠(yuǎn)不可能制造出來(lái)的。方程表達(dá)式對(duì)于任意熱力系統(tǒng)（開(kāi)口，閉口）進(jìn)入系統(tǒng)的能量—離開(kāi)系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的變化第4頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2—3閉口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式一.閉口系統(tǒng)的能量方程（energyequation)選熱力系統(tǒng)：汽缸活塞系統(tǒng)中的工質(zhì)假設(shè)：工質(zhì)由平衡態(tài)1變化到平衡態(tài)2，從外界吸熱Q，對(duì)外作功W，忽略工質(zhì)狀態(tài)變化過(guò)程中的動(dòng)能，位能變化依據(jù)：進(jìn)入系統(tǒng)能量–離開(kāi)系統(tǒng)能量=系統(tǒng)儲(chǔ)存能變化量推導(dǎo)：Q–W=UQ=W+U=W+U2-U1——閉口系統(tǒng)能量方程式（熱一解析式）第5頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三幾點(diǎn)說(shuō)明：（1）意義：加給工質(zhì)的熱量a:一部分用于增加工質(zhì)的熱力學(xué)能，b:另一部分以作功的方式傳遞到外界。（2）對(duì)1kg工質(zhì)：q=w+u（3）適用條件：a:可逆過(guò)程，不可逆過(guò)程b:理想氣體。實(shí)際氣體c:工質(zhì)初，終態(tài)為平衡態(tài)第6頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三.幾種形式表達(dá)式任意過(guò)程Q=U+Wq=u+w任意微元過(guò)程Q=dU+Wq=du+w可逆過(guò)程Q=U+12pdV

q=u+12pdv4.可逆微元過(guò)程Q=dU+pdV

q=du+pdv5.循環(huán)Qnet=wnet第7頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三同學(xué)們：上課鈴聲即將敲響，你們準(zhǔn)備好了嗎？！第8頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三同學(xué)們：現(xiàn)在開(kāi)始上課。請(qǐng)翻開(kāi)你們的書(shū)、筆記本，拿起筆。并請(qǐng)保持課堂安靜。謝謝！第9頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2—4開(kāi)口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動(dòng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式注意：（1）工質(zhì)的熱力狀態(tài)參數(shù)及速度在不同截面不同（2）開(kāi)口系統(tǒng)可以借助工質(zhì)的流動(dòng)轉(zhuǎn)移能量；（3）除了能量平衡外，還必須考慮質(zhì)量平衡；（4）系統(tǒng)與外界交換的功，除了體積變化功，還有流動(dòng)功一.穩(wěn)定流動(dòng)（steadyflow)1.穩(wěn)定流動(dòng)：熱力系統(tǒng)內(nèi)部及邊界上各點(diǎn)工質(zhì)的熱力參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間而改變第10頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三條件：（1）單位時(shí)間流入系統(tǒng)的工質(zhì)質(zhì)量等于流出系統(tǒng)的工質(zhì)質(zhì)量，保證系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量維持恒定；（2）單位時(shí)間內(nèi)加入系統(tǒng)的凈熱及系統(tǒng)對(duì)外做的凈功不隨時(shí)間改變，保證系統(tǒng)儲(chǔ)存能量維持不變；（3）工質(zhì)流過(guò)系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)及速度不隨時(shí)間改變。二.流動(dòng)功（flowwork)1.推動(dòng)功：推動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)外界所做的功。表示：外界所作的推動(dòng)功入口處：p1A1dx=p1dV1=p1v1dm1

出口處：p2A2dx=p2dV2=p2v2dm2

第11頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三幾點(diǎn)說(shuō)明：（1）是工質(zhì)在開(kāi)口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的能量；流動(dòng)功：系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動(dòng)所需的功。

（pv)=p2v2–p1v1（2）只有在工質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中才出現(xiàn)；（3）工質(zhì)在傳遞流動(dòng)功時(shí)，沒(méi)有熱力狀態(tài)的變化，也沒(méi)有能量形態(tài)的變化（4）流動(dòng)功并不是工質(zhì)本身的能量。是由泵（風(fēng)機(jī)）提供用來(lái)維持工質(zhì)流動(dòng)，伴隨工質(zhì)流入，流出系統(tǒng)的能量。第12頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三.焓（enthalpy)定義：焓H=U+pVJkJ比焓h=u+pvJ/kgkJ/kg2.幾點(diǎn)說(shuō)明：（1）物理意義：焓表示隨工質(zhì)流動(dòng)而轉(zhuǎn)移的總能量。（2）焓是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。（3）焓的基準(zhǔn)點(diǎn)可以人為確定。思考：什么條件下，熱力學(xué)能和焓可以同時(shí)為“零”第13頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四.開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式推導(dǎo)：選開(kāi)口系統(tǒng)；假設(shè)：在時(shí)間t內(nèi)流入：質(zhì)量m1,,cf1

流出：質(zhì)量m2,cf2

系統(tǒng)與外界：吸熱Q，對(duì)外做軸功Ws

完成過(guò)程：工質(zhì)質(zhì)量m,總儲(chǔ)存能ECV考察能量平衡：進(jìn)入系統(tǒng)的能量–離開(kāi)系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)儲(chǔ)存能的變化量

第14頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三分析：t時(shí)間內(nèi)流入系統(tǒng)的能量；t時(shí)間內(nèi)流出系統(tǒng)的能量；系統(tǒng)儲(chǔ)存能的增量：第15頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三整理：開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程式適用條件（1）穩(wěn)定流動(dòng)（2）可逆過(guò)程，不可逆過(guò)程第16頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的分析工質(zhì)機(jī)械能的變化為維持工質(zhì)流動(dòng)所需流動(dòng)功工質(zhì)對(duì)機(jī)器所作軸功工質(zhì)吸收熱量工質(zhì)熱力學(xué)能的變化比較：閉口系統(tǒng)能量方程式：第17頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三說(shuō)明：（1）無(wú)論開(kāi)口系統(tǒng)，閉口系統(tǒng)，其熱變?yōu)楣Φ膶?shí)質(zhì)是一樣的，都是通過(guò)工質(zhì)體積的膨脹將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，只不過(guò)對(duì)外表現(xiàn)形式不同。（2）不可利用：流動(dòng)功可以直接利用：工質(zhì)動(dòng)能，位能，工質(zhì)對(duì)機(jī)器所作軸功五.技術(shù)功定義：在熱力學(xué)中，將工程上可以直接利用的動(dòng)能增量，位能增量，軸功總和稱為----。第18頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.W，WS，WT，(pv),的關(guān)系

3.可逆過(guò)程中技術(shù)功表示：坐標(biāo)圖中的表示：第19頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三六.開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的幾種形式1.任意過(guò)程Q=H+Wtq=h+wt

2.任意微元過(guò)程Q=dH+Wtq=dh+wt3.可逆過(guò)程Q=H-12Vdp

q=h-12vdp4.可逆微元過(guò)程Q=dH-Vdp

q=dh-vdp第20頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三分析判斷：熱力過(guò)程中，工質(zhì)向外界放熱，其溫度必然降低。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，任何循環(huán)的凈熱量等于該循環(huán)的凈功量。工質(zhì)從同一初態(tài)出發(fā)，分別經(jīng)歷可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程達(dá)到相同的終態(tài)，則兩過(guò)程中工質(zhì)與外界交換的熱量相同。功不是狀態(tài)參數(shù)，則熱力學(xué)能與推動(dòng)功之和也不是狀態(tài)參數(shù)。焓是狀態(tài)參數(shù)，對(duì)于閉口系統(tǒng)，其沒(méi)有物理意義。流動(dòng)功的改變量，僅取決于系統(tǒng)進(jìn)出口處的狀態(tài)，而與工質(zhì)經(jīng)歷的過(guò)程無(wú)關(guān)。第21頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7.工質(zhì)所作的膨脹功與技術(shù)功，在某種條件下，兩者的數(shù)值會(huì)相等。封閉熱力系內(nèi)發(fā)生可逆定容過(guò)程，系統(tǒng)一定不對(duì)外做容積變化功。氣體膨脹時(shí)一定對(duì)外作功。工質(zhì)吸熱后一定會(huì)膨脹。自然界中發(fā)生的一切過(guò)程，都必須遵循能量守恒定律，反之則不然。第22頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2—5穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的應(yīng)用熱交換器（heatexchange)各種加熱器，冷卻器，散熱器，蒸發(fā)器，冷凝器等。主要表現(xiàn)（1）與外界只有熱量交換，無(wú)功量交換，ws=0;（2）動(dòng)能，位能的變化較小，可忽略cf2=0,z=0能量方程式：說(shuō)明：q等于換熱器進(jìn)出口工質(zhì)比焓的變化。第23頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三動(dòng)力機(jī)械各種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，如燃?xì)廨啓C(jī)，蒸汽輪機(jī)；主要表現(xiàn)（1）略散熱，近似絕熱過(guò)程,q=0;（2）動(dòng)能，位能的變化較小，可忽略cf2=0,z=0能量方程式：說(shuō)明（1）對(duì)外輸出的軸功等于工質(zhì)的焓降；（2）此時(shí)軸功就是技術(shù)功。第24頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三壓氣機(jī)泵，風(fēng)機(jī)。主要表現(xiàn)：（1）略散熱，q為負(fù)，近似絕熱過(guò)程;（2）動(dòng)能，位能的變化較小，可忽略cf2=0,z=0能量方程式：說(shuō)明：工質(zhì)流經(jīng)泵或風(fēng)機(jī)時(shí)，消耗的軸功等于工質(zhì)焓的增加。第25頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三絕熱節(jié)流閥門，孔板流量計(jì)等。主要表現(xiàn)：（1）流動(dòng)是絕熱的；（2）不對(duì)外作功；（3）前后兩個(gè)截面的動(dòng)能，位能的變化較小，可忽略cf2=0,z=0。能量方程式：說(shuō)明（1）節(jié)流前后焓值相等；（2）節(jié)流過(guò)程是典型的不可逆過(guò)程。第26頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三噴管收縮型噴管，縮放型噴管（拉瓦爾噴管）主要表現(xiàn)：（1）流經(jīng)噴管時(shí)，速度大，時(shí)間短，散熱很小流動(dòng)近似是