第3章熱力學(xué)第一定律.ppt

1、第三章 熱力學(xué)第一定律,本章基本要求 深刻理解熱量、儲(chǔ)存能、功的概念，深刻理解內(nèi)能、焓的物理意義 理解膨脹（壓縮）功、軸功、技術(shù)功、流動(dòng)功的聯(lián)系與區(qū)別,本章重點(diǎn) 熟練應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解決具體問(wèn)題,3-1系統(tǒng)的儲(chǔ)存能,分子動(dòng)能（移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)） 分子位能（相互作用） 核能 化學(xué)能（一般不考慮）,一、熱力學(xué)能（內(nèi)能）,1、分子動(dòng)能與溫度T有關(guān)； 2、分子位能與比容v有關(guān)； 3、熱力學(xué)能與溫度T和比容v有關(guān)；,說(shuō)明： 1、內(nèi)能是狀態(tài)量 2、U : 廣延參數(shù) kJ u : 比參數(shù) kJ/kg 3、內(nèi)能總以變化量出現(xiàn)，內(nèi)能零點(diǎn)人為定,注意： 對(duì)理想氣體u=f (T),二、外儲(chǔ)存能,系統(tǒng)工質(zhì)與外力場(chǎng)的

2、相互作用 所具有的能量，如：重力位能,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，如：宏觀動(dòng)能,組成,外部?jī)?chǔ)存能,宏觀動(dòng)能 Ek= mc2/2 宏觀位能 Ep= mgz,機(jī)械能,系統(tǒng)總能,E = U + Ek + Ep J,1kg的物質(zhì)：e = u + ek + ep J/kg,一般與系統(tǒng)同坐標(biāo)，常用U, dU, u, du,3-2 系統(tǒng)與外界傳遞的能量,功,隨物質(zhì)傳遞的能量,熱量,外界熱源,外界功源,外界質(zhì)源,系 統(tǒng),熱量,kJ 或 kcal 且l kcal=4.1868kJ,定義：,在溫差作用下,系統(tǒng)與外界通過(guò)界面?zhèn)鬟f的能量。,規(guī)定:,特點(diǎn):,是傳遞過(guò)程中能量的一種形式，與熱力過(guò)程有關(guān),系

3、統(tǒng)吸熱熱量為正，系統(tǒng)放熱熱量為負(fù),單位：,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W：,2 軸功W:,在力差作用下，通過(guò)系統(tǒng)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)。,通過(guò)軸系統(tǒng)與外界傳遞的機(jī)械功,定義:,單位：l J=l Nm,膨脹功是熱變功的源泉,剛性閉口系統(tǒng)軸功不可能為正，軸功來(lái)源于能量轉(zhuǎn)換。,種類:,注意:,隨物質(zhì)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)、 出控制體時(shí)需功,注意:,取決于控制體進(jìn)出口界面工質(zhì)的熱力狀態(tài),由泵風(fēng)機(jī)等提供,思考：與

4、其它功區(qū)別,流動(dòng)工質(zhì)傳遞的總能量,焓,對(duì)于m千克工質(zhì)：,焓的定義式：,焓=內(nèi)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：特別的對(duì)理想氣體 h= f (T),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),3-3 閉口系能量方程,對(duì)于簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)，系統(tǒng)吸收的熱量，一部分用于對(duì)外作功，一部分用于改變系統(tǒng)的內(nèi)能。,Q-W=U Q=W+U q=du+w,備注：在此不計(jì)系統(tǒng)宏觀動(dòng)能和重力位能的變化，即 E=U=U2-U1,閉口系能量方程的通式,q = du + w,思考：若在地球上研究飛行器，就要考慮宏觀動(dòng)能與重力勢(shì)能

5、 q = de + w = du + dek + dep + w,準(zhǔn)靜態(tài)和可逆閉口系能量方程,簡(jiǎn)單可壓縮系準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,w = pdv,簡(jiǎn)單可壓縮系可逆過(guò)程, q = Tds,q = du + pdv,q = u + pdv,熱一律解析式之一,Tds = du + pdv, Tds = u + pdv,熱力學(xué)恒等式,理想氣體內(nèi)能變化計(jì)算考慮熱力學(xué)第一定律的定容熱力變化過(guò)程,qv = du v+ pdv dv=0 qv = duv,對(duì)于理想氣體 du v=f(T),適用于理想氣體一切過(guò)程或者實(shí)際氣體定容過(guò)程,用定值比熱計(jì)算:,用平均比熱計(jì)算 :,理想氣體組成的混合氣體的內(nèi)能：,熱力學(xué)一定律在循環(huán)過(guò)

6、程1-2-3-4-1的應(yīng)用,例題：有一絕熱容器，有隔板將它分成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)到平衡時(shí)的溫度和壓力。,A,B,隔板, 3-4 開(kāi)口系能量方程,兩條基本原則,質(zhì)量守恒原則 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)量的變化 能量守恒原則 進(jìn)入控制體的能量-離開(kāi)控制體的能量=控制體儲(chǔ)存能量的變化,Wnet,Q,推進(jìn)功的引入,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + g

7、z)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,這個(gè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不符!,少了推進(jìn)功,推進(jìn)功的表達(dá)式,推進(jìn)功（流動(dòng)功、推動(dòng)功）,p,A,p,V,dl,W推 = p A dl = pV w推= pv,注意： 不是 pdv v 沒(méi)有變化,對(duì)推進(jìn)功的說(shuō)明,1、與宏觀流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)停止，推進(jìn)功不存在,2、作用過(guò)程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，無(wú)狀態(tài)變化,3、w推pv與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量,4、并非工質(zhì)本身的能量（動(dòng)能、位能）變化引起, 而由外界做出，流動(dòng)工質(zhì)所攜帶的能量,可理解為：由于工質(zhì)的進(jìn)出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機(jī)械功，表現(xiàn)為流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)出系統(tǒng)使所攜帶和所傳遞的

8、一種能量,開(kāi)口系能量方程的推導(dǎo),Wnet,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,min,pvout,開(kāi)口系能量方程微分式,Q + min(u + pv+c2/2 + gz)in - Wnet - mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv,工程上常用流率,開(kāi)口系能量方程微分式,當(dāng)有多條進(jìn)出口：,流動(dòng)時(shí)，總一起存在,3-5開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,穩(wěn)定流動(dòng)條件,Steady State Steady Flow(SSSF),1、,2、,3、,軸功Shaft work,每截面狀態(tài)不變,4、,穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo),穩(wěn)定流動(dòng)條件,0,穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo),1kg工質(zhì),穩(wěn)定流動(dòng)能量方程,適用條件：,任何流動(dòng)工質(zhì),任何穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程,幾種功的關(guān)系,w,wt,(pv), c2/2,ws,gz,做功的根源,ws,準(zhǔn)靜態(tài)下的技術(shù)功,準(zhǔn)靜態(tài),準(zhǔn)靜態(tài),熱一律解析式之一,熱一律解析式之二,技術(shù)功在示功圖上的表示,機(jī)械能守恒,對(duì)于流體流過(guò)管道，,壓力能 動(dòng)能 位能,機(jī)械能守