2熱力學(xué)第一定律

1、第二章熱力學(xué)第一定律,The First Law of Thermodynamics,2-1 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì), 1909年，C. Caratheodory最后完善熱一律,本質(zhì)：能量轉(zhuǎn)換及守恒定律在熱過(guò)程中的應(yīng)用, 18世紀(jì)初，工業(yè)革命，熱效率只有1%, 1842年，J.R. Mayer闡述熱一律，但沒(méi)有 引起重視, 1840-1849年，Joule用多種實(shí)驗(yàn)的一致性 證明熱一律，于1950年發(fā)表并得到公認(rèn),焦耳實(shí)驗(yàn),1、重物下降，輸 入功，絕熱容 器內(nèi)氣體 T ,2、絕熱去掉，氣 體 T ，放出 熱給水，T 恢復(fù) 原溫。,焦耳實(shí)驗(yàn),水溫升高可測(cè)得熱量， 重物下降可測(cè)得功,工質(zhì)經(jīng)歷循環(huán):,

2、封閉系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程的熱力學(xué)第一定律,熱功當(dāng)量,閉口系循環(huán)的熱一律表達(dá)式,要想得到功，必須化費(fèi)熱能或其它能量,熱一律又可表述為“第一類永動(dòng)機(jī)是 不可能制成的”,Perpetual motion machine of the first kind,Q,Perpetual motion machine of the first kind,鍋 爐,汽輪機(jī),發(fā)電機(jī),給水泵,凝汽器,Wnet,Qout,電加熱器,2-2 熱一律的推論熱力學(xué)能,熱力學(xué)能的導(dǎo)出,閉口系循環(huán),熱力學(xué)能的導(dǎo)出,對(duì)于循環(huán)1a2c1,對(duì)于循環(huán)1b2c1,狀態(tài)參數(shù),p,V,1,2,a,b,c,熱力學(xué)能及閉口系熱一律,定義 dU = Q -

3、 W 熱力學(xué)能U 狀態(tài)函數(shù),Q = dU + W Q = U + W,閉口系熱一律表達(dá)式,！兩種特例 絕功系 Q = dU 絕熱系 W = - dU,熱力學(xué)能U 的物理意義,dU = Q - W, W, Q,dU 代表某微元過(guò)程中系統(tǒng)通過(guò)邊界交換的微熱量與微功量?jī)烧咧钪?，也即系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化。,U 代表儲(chǔ)存于系統(tǒng)內(nèi)部的能量 內(nèi)儲(chǔ)存能（內(nèi)能、熱力學(xué)能）,熱力學(xué)能的微觀組成,分子動(dòng)能 分子位能 binding forces 化學(xué)能 chemical energy 核能 nuclear energy,熱力學(xué)能,移動(dòng) translation,轉(zhuǎn)動(dòng) rotation,振動(dòng) vibration,系統(tǒng)總

4、能 total energy,外部?jī)?chǔ)存能macroscopic forms of energy,宏觀動(dòng)能 kinetic Ek= mc2/2 宏觀位能 potential Ep= mgz,機(jī)械能,系統(tǒng)總能,E = U + Ek + Ep,e = u + ek + ep,熱力學(xué)能的說(shuō)明, 熱力學(xué)能是狀態(tài)量 state property,U : 廣延參數(shù) kJ u : 比參數(shù) kJ/kg, 熱力學(xué)能總以變化量出現(xiàn)，熱力學(xué)能零點(diǎn)人為定,熱一律的文字表達(dá)式,熱一律: 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律,2-3 閉口系能量方程, W, Q,一般式,Q = dU + W Q = U + W,q = du + w q =

5、u + w,單位工質(zhì),適用條件： 1）任何工質(zhì) 2) 任何過(guò)程,Energy balance for closed system,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)基本 微分方程式,門窗緊閉房間用電冰箱降溫,以房間為系統(tǒng),絕熱閉口系,閉口系能量方程,T,電冰箱,Refrigerator Icebox,門窗緊閉房間用空調(diào)降溫,以房間為系統(tǒng),閉口系,閉口系能量方程,T,空調(diào),Q,Air-con

6、ditioner, 2-4 開(kāi)口系能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,能量守恒原則 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,Energy balance for open system,開(kāi)口系能量方程的推導(dǎo),Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)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 = p

7、V w推= pv,注意： 不是 pdv v 沒(méi)有變化,Flow work,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（泵與風(fēng)機(jī)）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/

8、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,焓Enthalpy的引入,定義：焓 h = u + pv,h,h,開(kāi)口系能量方程,焓Enthalpy的 說(shuō)明,定義：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ ,1、焓是狀態(tài)量 state property,2、H為廣延參數(shù) H=U+pV= m(u+pv)= mh h為比參

9、數(shù),3、對(duì)流動(dòng)工質(zhì)，焓代表能量(熱力學(xué)能+推進(jìn)功) 對(duì)靜止工質(zhì)，焓不代表能量,4、物理意義：開(kāi)口系中隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶的、取決 于熱力狀態(tài)的能量。,2-5 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,1、,2、,3、,軸功Shaft work,4、,Energy balance for steady-flow systems,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,Energy balance for steady-flow system

10、s,技術(shù)功 Technical work,動(dòng)能,工程技術(shù)上可以直接利用,軸功,機(jī)械能,位能,單位質(zhì)量工質(zhì)的開(kāi)口與閉口,ws,q,穩(wěn)流開(kāi)口系,閉口系(1kg),容積變化功,等價(jià),技術(shù)功,穩(wěn)流開(kāi)口與閉口的能量方程,容積變化功w,技術(shù)功wt,閉口,穩(wěn)流開(kāi)口,等價(jià),軸功ws,推進(jìn)功(pv),幾種功的關(guān)系？,幾種功的關(guān)系,w,wt,(pv), c2/2,ws,gz,做功的根源,ws,對(duì)功的小結(jié),2、開(kāi)口系，系統(tǒng)與外界交換的功為軸功ws,3、一般情況下忽略動(dòng)、位能的變化,1、閉口系，系統(tǒng)與外界交換的功為容積變化功w,wswt,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

11、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)械能守恒,柏努利方程,Bernoullis equation, 2-6 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例,熱力學(xué)問(wèn)題經(jīng)?？珊雎詣?dòng)、位能變化,例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kg,z1 = 0 m z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg,1bar下, 0 oC水的 h1 = 84 kJ/kg 100 oC水蒸氣的 h2 = 2676 kJ/kg,例1：透平(Turbine)機(jī)械,火力發(fā)電 核電,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 輪船發(fā)動(dòng)機(jī) 移動(dòng)電站,燃?xì)鈾C(jī)

12、,蒸汽輪機(jī),Steam turbine,透平(Turbine)機(jī)械,1) 體積不大,2）流量大,3）保溫層,q 0,ws = -h = h1 - h20,輸出的軸功是靠焓降轉(zhuǎn)變的,例2：壓縮機(jī)械 Compressor,火力發(fā)電 核電,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 輪船發(fā)動(dòng)機(jī) 移動(dòng)電站,壓氣機(jī),水泵,制冷 空調(diào),壓縮機(jī),壓縮機(jī)械,1) 體積不大,2）流量大,3）保溫層,q 0,ws = -h = h1 - h20,輸入的軸功轉(zhuǎn)變?yōu)殪噬?例3：換熱設(shè)備Heat Exchangers,火力發(fā)電：,鍋爐、凝汽器,核電：,熱交換器、凝汽器,制冷 空調(diào),蒸發(fā)器、冷凝器,換熱設(shè)備,熱流體放熱量：,沒(méi)有作功部件,熱流體,冷流體

13、,h1,h2,h1,h2,冷流體吸熱量：,焓變,例4：絕熱節(jié)流Throttling Valves,管道閥門,制冷 空調(diào),膨脹閥、毛細(xì)管,絕熱節(jié)流,絕熱節(jié)流過(guò)程，前后h不變，但h不是處處相等,h1,h2,沒(méi)有作功部件,絕熱,例5：噴管和擴(kuò)壓管,火力發(fā)電,蒸汽輪機(jī)靜葉,核電,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 輪船發(fā)動(dòng)機(jī) 移動(dòng)電站,壓氣機(jī)靜葉,Nozzles and Diffusers,噴管和擴(kuò)壓管,噴管目的：,壓力降低，速度提高,擴(kuò)壓管目的：,動(dòng)能與焓變相互轉(zhuǎn)換,速度降低，壓力升高,動(dòng)能參與轉(zhuǎn)換，不能忽略,第二章 小結(jié) Summary,1、本質(zhì)：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律,第二章 小結(jié),通用式,2、熱一律表達(dá)式：,第二章 小結(jié)

14、,穩(wěn)流：,dEcv / = 0,通用式,第二章 小結(jié),閉口系：,通用式,第二章 小結(jié),孤立系：,通用式,第二章 小結(jié),3、熱力學(xué)第一定律表達(dá)式和適用條件,任何工質(zhì)，任何過(guò)程,任何工質(zhì)，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,任何工質(zhì)，任何穩(wěn)流過(guò)程,第二章 小結(jié),4、準(zhǔn)靜態(tài)下兩個(gè)熱力學(xué)微分關(guān)系式,適合于閉口系統(tǒng)和穩(wěn)流開(kāi)口系統(tǒng),后續(xù)很多式子基于此兩式,第二章 小結(jié),5、u與 h,U, H 廣延參數(shù) u, h 比參數(shù),U 系統(tǒng)本身具有的內(nèi)部能量,H 不能看成系統(tǒng)本身具有的能量， 開(kāi)口系中隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶的，取 決于狀態(tài)參數(shù)的能量,第二章 小結(jié),6、四種功的關(guān)系,準(zhǔn)靜態(tài)下,閉口系過(guò)程,開(kāi)口系過(guò)程,第二章 討論課 Discussi

15、on,思考題,工質(zhì)膨脹是否一定對(duì)外作功？,做功對(duì)象和做功部件,定容過(guò)程是否一定不作功？,開(kāi)口系，技術(shù)功,定溫過(guò)程是否一定不傳熱？,相變過(guò)程（冰融化，水汽化）,水輪機(jī),第二章 討論課,氣體被壓縮時(shí)一定消耗外功,熱力學(xué)功指有用功,對(duì)外作功指有用功,第二章 討論課,氣體邊膨脹邊放熱是可能的,對(duì)工質(zhì)加熱，其溫度反而降低， 這種情況不可能,充氣問(wèn)題與取系統(tǒng),儲(chǔ)氣罐原有氣體m0,u0,輸氣管狀態(tài)不變，h,經(jīng)時(shí)間充氣，關(guān)閥,儲(chǔ)氣罐中氣體m,求：儲(chǔ)氣罐中氣體熱力學(xué)能u,忽略動(dòng)、位能變化，且管路、儲(chǔ)氣罐、閥門均絕熱,m0,u0,h,四種可取系統(tǒng),1）取儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng),開(kāi)口系,2）取最終罐中氣體為系統(tǒng),閉口系,3）

16、取將進(jìn)入儲(chǔ)氣罐的氣體為系統(tǒng),m0,u0,h,閉口系,4）取儲(chǔ)氣罐原有氣體為系統(tǒng),閉口系,1)取儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng)(開(kāi)口系),忽略動(dòng)位能變化,h,絕熱,無(wú)作功部件,無(wú)離開(kāi)氣體,1)取儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng)(開(kāi)口系),經(jīng)時(shí)間充氣，積分概念,h,h是常數(shù),四種可取系統(tǒng) 2）,1）取儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng),開(kāi)口系,2）取最終罐中氣體為系統(tǒng),閉口系,3）取將進(jìn)入儲(chǔ)氣罐的氣體為系統(tǒng),m0,u0,h,閉口系,4）取儲(chǔ)氣罐原有氣體為系統(tǒng),閉口系,2）取最終罐中氣體為系統(tǒng)(閉口系),h,m0,m-m0,絕熱,m-m0,四種可取系統(tǒng)3),1）取儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng),開(kāi)口系,2）取最終罐中氣體為系統(tǒng),閉口系,3）取將進(jìn)入儲(chǔ)氣罐的氣體為系統(tǒng),m0,u

17、0,h,閉口系,4）取儲(chǔ)氣罐原有氣體為系統(tǒng),閉口系,3）取將進(jìn)入儲(chǔ)氣罐的氣體為系統(tǒng)(閉口系),m0,h,m-m0,m0與m-m0有溫差傳熱Q1,m-m0對(duì)m0作功W1,?,?,m-m0,四種可取系統(tǒng) 4),1）取儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng),開(kāi)口系,2）取最終罐中氣體為系統(tǒng),閉口系,3）取將進(jìn)入儲(chǔ)氣罐的氣體為系統(tǒng),m0,u0,h,閉口系,4）取儲(chǔ)氣罐原有氣體為系統(tǒng),閉口系,4）取儲(chǔ)氣罐原有氣體為系統(tǒng)(閉口系),m0,h,m-m0,m0與m-m0有溫差傳熱Q1,m0對(duì)m-m0作功W1,?,?,4）取儲(chǔ)氣罐原有氣體為系統(tǒng)(閉口系),m0,h,m-m0,四種可取系統(tǒng),1）取儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng),開(kāi)口系,2）取最終罐中氣體為

18、系統(tǒng),閉口系,3）取將進(jìn)入儲(chǔ)氣罐的氣體為系統(tǒng),m0,u0,h,閉口系,4）取儲(chǔ)氣罐原有氣體為系統(tǒng),閉口系,利用熱一律的文字表達(dá)式,進(jìn) 出 熱力學(xué)能變化,h,熱力學(xué)能變化：,取儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng)(開(kāi)口系),進(jìn)：,出：,m0,u0,結(jié)果說(shuō)明,1）取系統(tǒng)不同， 考慮的角度不同,開(kāi)口系反映為質(zhì)量攜帶焓,2）若m00，,m0,u0,h,閉口系反映作功,充氣終溫的計(jì)算,已知：理想氣體,求：儲(chǔ)氣罐中氣體終溫,m0=0,h,t =15,影響終溫T的因素,說(shuō)明T與哪些因素有關(guān)？,m0,u0,p0,T0,h,p,T,m,u,p,T,已知：理想氣體,T的表達(dá)式,m0,u0,p0,T0,h,p,T,m,u,p,T,T的表達(dá)式分析,m