第三章熱力學(xué)第一定律1

第三章

熱力學(xué)第一定律本章主要內(nèi)容1）熱力學(xué)能和總能2）系統(tǒng)與外界傳遞的能量3）閉口系統(tǒng)能量方程4）開(kāi)口系統(tǒng)能量方程5）開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程6）穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程的應(yīng)用熱力學(xué)能（內(nèi)儲(chǔ)存能，簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)能）與系統(tǒng)本身的狀態(tài)有關(guān)的能量外儲(chǔ)存能

與外界有關(guān)的能量§3-1熱力學(xué)能和總能什么是系統(tǒng)的儲(chǔ)存能？系統(tǒng)所具有的能量，是狀態(tài)參數(shù)。內(nèi)動(dòng)能（移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)）與溫度有關(guān)內(nèi)位能（克服分子間相互作用力所形成的）

與比體積有關(guān)一、熱力學(xué)能（內(nèi)能）熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)U:

廣延性參數(shù)[J]

u:

比參數(shù)[J/kg]熱力系統(tǒng)處于宏觀靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)所有微觀粒子所具有的能量之和。思考：對(duì)于理想氣體，熱力學(xué)能可認(rèn)為是溫度的單值函數(shù)為什么？因?yàn)椋豪硐霘怏w，分子間不存在相互作用力，沒(méi)有內(nèi)位能，熱力學(xué)能僅為內(nèi)動(dòng)能。注意：計(jì)算中熱力學(xué)能總是以變化量出現(xiàn)，熱力學(xué)能的零點(diǎn)可人為定。二、外儲(chǔ)存能

重力位能：系統(tǒng)工質(zhì)與重力場(chǎng)的相互作用所具有的能量。

宏觀動(dòng)能：以外界為參考坐標(biāo)的系統(tǒng)宏觀運(yùn)動(dòng)所具有的能量。外儲(chǔ)存能的實(shí)質(zhì)：機(jī)械能

三、系統(tǒng)的總能E

=

U

+

Ek

+

Ep對(duì)于無(wú)宏觀運(yùn)動(dòng)，且高度為零的系統(tǒng)

E=U

或e=u內(nèi)儲(chǔ)存能和外儲(chǔ)存能之和

§3-2系統(tǒng)與外界傳遞的能量

功交換(隨物質(zhì)流傳遞的能量)

熱交換系統(tǒng)外界質(zhì)交換(功)

(熱量)

一、熱量

J

定義：在溫差作用下,系統(tǒng)與外界通過(guò)邊界傳遞的能量。規(guī)定:特點(diǎn):與熱力過(guò)程特性有關(guān)的過(guò)程量系統(tǒng)吸熱熱量為正，系統(tǒng)放熱熱量為負(fù)單位：二、功除溫差以外的其它不平衡勢(shì)差所引起的系統(tǒng)與外界傳遞的能量。1、膨脹功W2、軸功Ws在壓差作用下，通過(guò)系統(tǒng)工質(zhì)容積變化與外界傳遞的能量。規(guī)定:

系統(tǒng)對(duì)外作功為正，外界對(duì)系統(tǒng)作功為負(fù)。系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械軸與外界傳遞的機(jī)械功定義:膨脹功是熱變功的源泉種類(lèi):規(guī)定:

系統(tǒng)輸出軸功為正，外界輸入軸功為負(fù)。熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能通常都是靠軸功實(shí)現(xiàn)的§3-3閉口系統(tǒng)能量方程一、閉口系統(tǒng)能量方程表達(dá)式某一熱力過(guò)程系統(tǒng)總儲(chǔ)存能的變化QW△U能量守恒或單位質(zhì)量工質(zhì)JJ/kg微元熱力過(guò)程J/kg或J適用條件：閉口系統(tǒng)、任何工質(zhì)、任何過(guò)程。可逆過(guò)程適用條件：可逆過(guò)程熱力學(xué)第一定律的基本方程式二、熱力學(xué)第一定律在循環(huán)過(guò)程中的應(yīng)用pv1234過(guò)程1-2過(guò)程2-3過(guò)程3-4過(guò)程4-1或閉口系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式“第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)”是不可能被制造出來(lái)的！三、理想氣體熱力學(xué)能（內(nèi)能）變化計(jì)算定容過(guò)程理想氣體或適用條件：理想氣體一切過(guò)程實(shí)際氣體定容過(guò)程兩狀態(tài)間內(nèi)能變化混合氣體內(nèi)能例題［例3-1］一定質(zhì)量工質(zhì)，經(jīng)歷一個(gè)由四個(gè)過(guò)程組成的循環(huán)，試填充下表中所缺數(shù)據(jù)，并判斷該循環(huán)是正循環(huán)還是逆循環(huán)。過(guò)程Q(kJ)W(kJ)△U(kJ)1-2139002-30-3953-4-100004-10［解］1390395-10005-5kJ>0正循環(huán)［例3-2］有一絕熱剛性容器，有隔板將其分成A、B兩部分，開(kāi)始時(shí)，A中盛有TA=300K，pA=0.1MPa，VA=0.5m3的空氣，B中盛有TB=350K，pB=0.5MPa，VB=0.2m3的空氣。求打開(kāi)隔板后兩容器達(dá)到平衡的溫度和壓力。［解］1.取系統(tǒng)

取整個(gè)容器中的氣體為系統(tǒng)，為閉口系統(tǒng)。2.列方程

Q=△U+W

3.簡(jiǎn)化

絕熱、剛性容器

Q=0,W=0

△U=0

△UA+△UB=0設(shè)空氣終溫為T(mén)mAcv(T-TA)+mBcv(T-TB)=0代入數(shù)據(jù)T=332K求得p=0.214MPa作業(yè)：3-33-63-8對(duì)于mkg工質(zhì)：

焓的定義：焓=內(nèi)能+流動(dòng)功

對(duì)于1kg工質(zhì)：h=u+pv回顧與提問(wèn)閉口系統(tǒng)能量方程：閉口系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式理想氣體內(nèi)能變化量計(jì)算回顧熱力學(xué)能（內(nèi)能）外儲(chǔ)存能系統(tǒng)儲(chǔ)存能理想氣體宏觀動(dòng)能重力位能或內(nèi)動(dòng)能內(nèi)位能總能思考題1．門(mén)窗緊閉的房間內(nèi)有一臺(tái)電冰箱正在運(yùn)行,若敞開(kāi)冰箱的大門(mén)就有一股涼氣撲面,感到?jīng)鏊?。于是有人就想通過(guò)敞開(kāi)冰箱大門(mén)達(dá)到降低室內(nèi)溫度的目的,你認(rèn)為這種想法可行嗎?

2.

既然敞開(kāi)冰箱大門(mén)不能降溫，為什么在門(mén)窗緊閉的房間內(nèi)安裝空調(diào)器后卻能使溫度降低呢?練習(xí)題1．物質(zhì)的溫度愈高，所具有的熱量也愈多，對(duì)否？2．對(duì)工質(zhì)加熱，其溫度反而降低，有否可能？3．對(duì)空氣邊壓縮邊進(jìn)行冷卻，如空氣的放熱量為1kJ，對(duì)空氣的壓縮功為6kJ，則此過(guò)程中空氣的溫度是升高，還是降低。4．空氣邊吸熱邊膨脹，如吸熱量Q=膨脹功W，則空氣的溫度如何變化。6．試分析下列過(guò)程中氣體是吸熱還是放熱(按理想氣體可逆過(guò)程考慮)1）壓力遞降的定溫過(guò)程。2)容積遞減的定壓過(guò)程。3)壓力和容積均增大兩倍的過(guò)程。判斷題1．流動(dòng)功的大小取決于系統(tǒng)進(jìn)出口的狀態(tài),而與經(jīng)歷的過(guò)程無(wú)關(guān)?！?．由于Q和W都是過(guò)程量,故(Q-W)也是過(guò)程量?！?/p>

3．系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)可逆定溫過(guò)程，由于溫度沒(méi)有變化，故不能與外界交換熱量。×4．無(wú)論過(guò)程可逆與否，閉口絕熱系統(tǒng)的膨脹功總是等于初、終態(tài)內(nèi)能差?！踢x擇題1．適用條件為＿＿＿。A理想氣體可逆過(guò)程 B理想氣體絕熱過(guò)程；C任何工質(zhì)定容過(guò)程 D任何工質(zhì)絕熱過(guò)程2．貯有空氣的絕熱剛性密閉容器中，安裝有電加熱絲，通電后，如取空氣為系統(tǒng)，則過(guò)程中的能量關(guān)系有______A

Q>0 ,ΔU>0,W>0 B

Q=0 ,ΔU>0,W<0C

Q>0 ,ΔU>0,W=0 D

Q=0 ,ΔU=0,W=0

1、在一直徑為50cm的氣缸中，有溫度為185℃、壓力為2.75bar的0.09m3的空氣。氣缸中的活塞承受一定的重量，且假設(shè)活塞移動(dòng)時(shí)沒(méi)有摩擦。當(dāng)溫度降低到15℃時(shí),問(wèn)活塞下降多少距離。對(duì)外作了多少功。氣體向外放出多少熱量。(0.17m，-9.19kJ32kJ)

計(jì)算題隨物質(zhì)流傳遞的能量1．流動(dòng)工質(zhì)本身具有的能量2．流動(dòng)功(或推動(dòng)功)為推動(dòng)流體通過(guò)控制體界面而傳遞的機(jī)械功。推動(dòng)1kg工質(zhì)進(jìn)、出控制體所需凈流動(dòng)功對(duì)于開(kāi)口系統(tǒng)，包括兩部分：

注意:

流動(dòng)功只取決于控制體進(jìn)出口界面工質(zhì)的熱力狀態(tài)流動(dòng)功由水泵、風(fēng)機(jī)等流體機(jī)械提供隨物質(zhì)流傳遞的總能量：§3-4開(kāi)口系統(tǒng)能量方程對(duì)于mkg工質(zhì)：

焓的定義式：焓=熱力學(xué)能+流動(dòng)功

焓的物理意義：1．對(duì)流動(dòng)工質(zhì)(開(kāi)口系統(tǒng))，表示沿流動(dòng)方向傳遞的總能量中，取決于熱力狀態(tài)的那部分能量。思考：對(duì)于理想氣體

h=f(T)

，為什么？對(duì)于1kg工質(zhì)：h=u+pv

2對(duì)不流動(dòng)工質(zhì)(閉口系統(tǒng))，焓只是一個(gè)復(fù)合狀態(tài)參數(shù)，無(wú)明確物理意義。焓及其物理意義§3-4開(kāi)口系統(tǒng)能量方程1

Ws

Q

m1u1c1p1v1

m2u2c2p2v22dmdEcV不穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程：控制體內(nèi)的質(zhì)量和能量隨時(shí)間變化的過(guò)程如儲(chǔ)氣罐的充氣或排空過(guò)程穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過(guò)程：控制體內(nèi)的質(zhì)量和能量不隨時(shí)間變化，各點(diǎn)參數(shù)保持一定§3-4開(kāi)口系統(tǒng)能量方程能量守恒:進(jìn)入控制體的能量-離開(kāi)控制體的能量=控制體中儲(chǔ)存能的增量進(jìn)入控制體的能量離開(kāi)控制體的能量控制體中儲(chǔ)存能的增量:dEcV質(zhì)量守恒:進(jìn)入控制體的質(zhì)量-離開(kāi)控制體的質(zhì)量=控制體中質(zhì)量的增量開(kāi)口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式1

Ws

Q

m1u1c1p1v1

m2u2c2p2v22dmdEcV對(duì)于閉口系統(tǒng)系統(tǒng)動(dòng)能、位能不變例題［例3-3］有一儲(chǔ)氣罐從壓縮空氣總管充氣，總管內(nèi)壓縮空氣的參數(shù)恒定，分別為p1=1MPa，T1=300K。儲(chǔ)氣罐與總管相連的管段上有配氣閥門(mén)。充氣前，閥門(mén)關(guān)閉著而儲(chǔ)氣罐內(nèi)是真空。閥門(mén)開(kāi)啟后，壓縮空氣進(jìn)入罐內(nèi)，一直到罐內(nèi)壓力與總管壓力相等。如果罐壁是絕熱的，壓縮空氣認(rèn)為是理想氣體，充氣過(guò)程中儲(chǔ)罐內(nèi)氣體狀態(tài)均勻變化。求充氣后儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣的溫度。［解］1.取系統(tǒng)取儲(chǔ)氣罐為控制體，開(kāi)口系統(tǒng)2.列方程3.簡(jiǎn)化1)只進(jìn)不出，δm2=02)絕熱，δQ=03)不作功，δWs=04)進(jìn)入系統(tǒng)的動(dòng)能、位能忽略不計(jì)，5)控制體內(nèi)動(dòng)能與位能沒(méi)有變化，dEcV=dUcV=d(mu)cVK回顧開(kāi)口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式1

Ws

Q

m1u1c1p1v1

m2u2c2p2v22dmdEcV能量守恒:進(jìn)入控制體的能量-離開(kāi)控制體的能量=控制體中儲(chǔ)存能的增量§3-5開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程什么是穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流工況？

工質(zhì)以恒定的流量連續(xù)不斷地進(jìn)出系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部及界面上各點(diǎn)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)和宏觀運(yùn)動(dòng)參數(shù)都保持一定，不隨時(shí)間變化，稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流工況。一、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程表達(dá)式穩(wěn)流穩(wěn)態(tài)h、c、z不隨時(shí)間變化或單位質(zhì)量微元熱力過(guò)程——開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程表達(dá)式或二、技術(shù)功穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程中的動(dòng)能變化、位能變化和軸功，是在熱力過(guò)程中可被直接利用來(lái)作功的能量，統(tǒng)稱(chēng)為技術(shù)功。微元熱力過(guò)程穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程技術(shù)功等于膨脹功與流動(dòng)功代數(shù)和技術(shù)功、膨脹功與流動(dòng)功的關(guān)系可逆過(guò)程技術(shù)功在示功圖上的表示三、理想氣體焓的變化量計(jì)算定壓過(guò)程理想氣體或適用條件：理想氣體一切過(guò)程實(shí)際氣體定壓過(guò)程兩狀態(tài)間焓的變化混合氣體的焓［例3-4］氣體在某壓氣機(jī)中被壓縮，壓縮前氣體的參數(shù)是p1=100kPa，v1=0.845m3/kg，壓縮后的參數(shù)是p2=800kPa，V2=0.175m3/kg。設(shè)在壓縮過(guò)程中每千克氣體的內(nèi)能增加150kJ，同時(shí)向外界放出熱量50kJ，壓氣機(jī)每分鐘生產(chǎn)壓縮氣體10kg。試求：(1)壓縮過(guò)程中對(duì)每千克氣體所作的壓縮功；(2)每生產(chǎn)1kg壓縮氣體所需的軸功；(3)帶動(dòng)此壓氣機(jī)要用多大功率的電動(dòng)機(jī)；(4)壓縮前后氣體焓的變化。［解］1.求壓縮功（膨脹功），采用閉口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律。

w=q-△u=-50-150=-200kJ/kg

2.求軸功kJ/kg3.電動(dòng)機(jī)功率kW4.壓縮前后氣體焓的變化△h=△u+△(pv)

=150+(800x0.175-100x0.845)=205.5kJ/kg

一、動(dòng)力機(jī)§3-6穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程的應(yīng)用利用工質(zhì)在機(jī)器中膨脹獲得機(jī)械功的設(shè)備如，汽輪機(jī)12ws簡(jiǎn)化