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）開口系統(tǒng)能量方程5）開口系統(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)儲存能，簡稱內(nèi)能）與系統(tǒng)本身的狀態(tài)有關(guān)的能量外儲存能

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、外儲存能

重力位能：系統(tǒng)工質(zhì)與重力場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。外儲存能的實(shí)質(zhì)：機(jī)械能

三、系統(tǒng)的總能E

=

U

+

Ek

+

Ep對于無宏觀運(yùn)動(dòng)，且高度為零的系統(tǒng)

E=U

或e=u內(nèi)儲存能和外儲存能之和

§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)與外界通過邊界傳遞的能量。規(guī)定:特點(diǎn):與熱力過程特性有關(guān)的過程量系統(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)對外作功為正，外界對系統(tǒng)作功為負(fù)。系統(tǒng)通過機(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: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)式某一熱力過程系統(tǒng)總儲存能的變化QW△U能量守恒或單位質(zhì)量工質(zhì)JJ/kg微元熱力過程J/kg或J適用條件：閉口系統(tǒng)、任何工質(zhì)、任何過程?？赡孢^程適用條件：可逆過程熱力學(xué)第一定律的基本方程式二、熱力學(xué)第一定律在循環(huán)過程中的應(yīng)用pv1234過程1-2過程2-3過程3-4過程4-1或閉口系統(tǒng)循環(huán)過程的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式“第一類永動(dòng)機(jī)”是不可能被制造出來的！三、理想氣體熱力學(xué)能（內(nèi)能）變化計(jì)算定容過程理想氣體或適用條件：理想氣體一切過程實(shí)際氣體定容過程兩狀態(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.簡化

絕熱、剛性容器

Q=0,W=0

△U=0

△UA+△UB=0設(shè)空氣終溫為TmAcv(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對于mkg工質(zhì)：

焓的定義：焓=內(nèi)能+流動(dòng)功

對于1kg工質(zhì)：h=u+pv回顧與提問閉口系統(tǒng)能量方程：閉口系統(tǒng)循環(huán)過程的熱力學(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）外儲存能系統(tǒng)儲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．門窗緊閉的房間內(nèi)有一臺電冰箱正在運(yùn)行,若敞開冰箱的大門就有一股涼氣撲面,感到?jīng)鏊Ｓ谑怯腥司拖胪ㄟ^敞開冰箱大門達(dá)到降低室內(nèi)溫度的目的,你認(rèn)為這種想法可行嗎?

2.

既然敞開冰箱大門不能降溫，為什么在門窗緊閉的房間內(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，對否？2．對工質(zhì)加熱，其溫度反而降低，有否可能？3．對空氣邊壓縮邊進(jìn)行冷卻，如空氣的放熱量為1kJ，對空氣的壓縮功為6kJ，則此過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．試分析下列過程中氣體是吸熱還是放熱(按理想氣體可逆過程考慮)1）壓力遞降的定溫過程。2)容積遞減的定壓過程。3)壓力和容積均增大兩倍的過程。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)歷的過程無關(guān)。√2．由于Q和W都是過程量,故(Q-W)也是過程量?！?/p>

3．系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)可逆定溫過程，由于溫度沒有變化，故不能與外界交換熱量?！?．無論過程可逆與否，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理想氣體可逆過程 B理想氣體絕熱過程；C任何工質(zhì)定容過程 D任何工質(zhì)絕熱過程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)沒有摩擦。當(dāng)溫度降低到15℃時(shí),問活塞下降多少距離。對外作了多少功。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)功對于開口系統(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開口系統(tǒng)能量方程對于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．對流動(dòng)工質(zhì)(開口系統(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：對于理想氣體

h=f(T)

，為什么？對于1kg工質(zhì)：h=u+pv

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

Ws

Q

m1u1c1p1v1

m2u2c2p2v22dmdEcV不穩(wěn)定流動(dòng)過程：控制體內(nèi)的質(zhì)量和能量隨時(shí)間變化的過程如儲氣罐的充氣或排空過程穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程：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開口系統(tǒng)能量方程能量守恒:進(jìn)入控制體的能量-離開控制體的能量=控制體中儲存能的增量進(jìn)入控制體的能量離開控制體的能量控制體中儲存能的增量:dEcV質(zhì)量守恒:進(jìn)入控制體的質(zhì)量-離開控制體的質(zhì)量=控制體中質(zhì)量的增量開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式1

Ws

Q

m1u1c1p1v1

m2u2c2p2v22dmdEcV對于閉口系統(tǒng)系統(tǒng)動(dòng)能、位能不變例題［例3-3］有一儲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。儲氣罐與總管相連的管段上有配氣閥門。充氣前，閥門關(guān)閉著而儲氣罐內(nèi)是真空。閥門開啟后，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，充氣過程中儲罐內(nèi)氣體狀態(tài)均勻變化。求充氣后儲氣罐內(nèi)空氣的溫度。［解］1.取系統(tǒng)取儲氣罐為控制體，開口系統(tǒng)2.列方程3.簡化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)能與位能沒有變化，dEcV=dUcV=d(mu)cVK回顧開口系統(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-離開控制體的能量=控制體中儲存能的增量§3-5開口系統(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)量微元熱力過程——開口系統(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，是在熱力過程中可被直接利用來作功的能量，統(tǒng)稱為技術(shù)功。微元熱力過程穩(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)算定壓過程理想氣體或適用條件：理想氣體一切過程實(shí)際氣體定壓過程兩狀態(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)壓縮過程中對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簡化