課件教程高等熱力學(xué)

1、第二章第二章 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 熱和功熱和功2 21 1 熱力學(xué)第一定律和系統(tǒng)的儲(chǔ)存能熱力學(xué)第一定律和系統(tǒng)的儲(chǔ)存能v熱力學(xué)第一定律的本質(zhì)：能量轉(zhuǎn)換及守恒定律熱力學(xué)第一定律的本質(zhì)：能量轉(zhuǎn)換及守恒定律在熱現(xiàn)象（熱過程）上的應(yīng)用。揭示出物質(zhì)運(yùn)在熱現(xiàn)象（熱過程）上的應(yīng)用。揭示出物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的不同形態(tài)可以相互轉(zhuǎn)化，但總量不變。動(dòng)的不同形態(tài)可以相互轉(zhuǎn)化，但總量不變。v焦耳實(shí)驗(yàn)：得到熱功當(dāng)量。（說明）焦耳實(shí)驗(yàn)：得到熱功當(dāng)量。（說明）v表述：（表述：（1 1）PoincarePoincare以功、熱和溫度作為基以功、熱和溫度作為基本變量，把熱力學(xué)第一定律表述為：閉口系統(tǒng)本變量，把熱力學(xué)第一定律表述為：

2、閉口系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)過程，系統(tǒng)與外界所交換的凈功經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)過程，系統(tǒng)與外界所交換的凈功等于凈熱量。等于凈熱量。WQv（2 2）系統(tǒng)經(jīng)絕熱過程由初態(tài)變化到終態(tài)，則）系統(tǒng)經(jīng)絕熱過程由初態(tài)變化到終態(tài)，則沿連接此兩個(gè)狀態(tài)的所有絕熱過程所作的功沿連接此兩個(gè)狀態(tài)的所有絕熱過程所作的功相等，亦即絕熱功是系統(tǒng)某種熱力性質(zhì)的度相等，亦即絕熱功是系統(tǒng)某種熱力性質(zhì)的度量，這個(gè)熱力性質(zhì)就是系統(tǒng)的儲(chǔ)存總能。量，這個(gè)熱力性質(zhì)就是系統(tǒng)的儲(chǔ)存總能。v以微分式表示：以微分式表示：addEW adQdEWWWv是系統(tǒng)處于某狀態(tài)的總能量，包括動(dòng)能、位能及內(nèi)能是系統(tǒng)處于某狀態(tài)的總能量，包括動(dòng)能、位能及內(nèi)能。內(nèi)能取決于物質(zhì)內(nèi)部分子、

3、原子、核子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)。內(nèi)能取決于物質(zhì)內(nèi)部分子、原子、核子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)。動(dòng)。v內(nèi)部?jī)?chǔ)存能：內(nèi)部?jī)?chǔ)存能：與物質(zhì)內(nèi)部粒子的微觀運(yùn)動(dòng)和粒子在空與物質(zhì)內(nèi)部粒子的微觀運(yùn)動(dòng)和粒子在空間的位置有關(guān)的能量，簡(jiǎn)稱內(nèi)能；具體包括內(nèi)動(dòng)能、間的位置有關(guān)的能量，簡(jiǎn)稱內(nèi)能；具體包括內(nèi)動(dòng)能、內(nèi)位能、化學(xué)能（有化學(xué)反應(yīng)）、核能（有原子核反內(nèi)位能、化學(xué)能（有化學(xué)反應(yīng)）、核能（有原子核反應(yīng)）。應(yīng)）。v外部?jī)?chǔ)存能：外部?jī)?chǔ)存能：物體作整體運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量，由物系的參物體作整體運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量，由物系的參考坐標(biāo)確定。宏觀動(dòng)能，宏觀位能考坐標(biāo)確定。宏觀動(dòng)能，宏觀位能v儲(chǔ)存能與遷移能（王補(bǔ)宣儲(chǔ)存能與遷移能（王補(bǔ)宣 書）書）2 22 2 功和熱量功和

4、熱量v一、功的熱力學(xué)定義一、功的熱力學(xué)定義v（1 1）系統(tǒng)與外界在邊界上發(fā)生的一種相互作）系統(tǒng)與外界在邊界上發(fā)生的一種相互作用，其唯一效果可歸結(jié)為外界用，其唯一效果可歸結(jié)為外界升降了一個(gè)重升降了一個(gè)重物物。v（2 2）功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，）功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推動(dòng)下，通過有序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能在力的推動(dòng)下，通過有序運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量量vWork is an energy interaction between a system and its surroundings, if the energy crossing the boundary of a close

5、d system is not heat, it must be work.v最常見的功：最常見的功：v容積變化功，拉伸功（固體中彈性力所作的容積變化功，拉伸功（固體中彈性力所作的功），表面功（液體表面張力所作的功），功），表面功（液體表面張力所作的功），電極化功（電介質(zhì)處于外電場(chǎng)），磁化功（電極化功（電介質(zhì)處于外電場(chǎng)），磁化功（磁性物質(zhì)處于外磁場(chǎng)）。磁性物質(zhì)處于外磁場(chǎng)）。v廣義功：廣義功：vF F為某種力或勢(shì)，稱為廣義力；為某種力或勢(shì)，稱為廣義力；x x為系統(tǒng)在廣為系統(tǒng)在廣義力作用下發(fā)生相應(yīng)變化的某種熱力學(xué)廣延義力作用下發(fā)生相應(yīng)變化的某種熱力學(xué)廣延參數(shù)，統(tǒng)稱為廣義位移。參數(shù)，統(tǒng)稱為廣義位移。

6、WFdxv二、熱量二、熱量v熱量定義：熱量是熱力系與外界相互作用的熱量定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度的推動(dòng)下，以另一種方式，在溫度的推動(dòng)下，以微觀無(wú)序微觀無(wú)序運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)方式傳遞的能量。傳遞的能量。( (遷移能遷移能) )v或者：當(dāng)兩個(gè)物系相互作用時(shí)，一物系由于或者：當(dāng)兩個(gè)物系相互作用時(shí)，一物系由于溫差而向另一溫度較低的物系傳遞的能量稱溫差而向另一溫度較低的物系傳遞的能量稱為熱量。為熱量。v根據(jù)熱力學(xué)原理：一個(gè)質(zhì)量不變的系統(tǒng)，不根據(jù)熱力學(xué)原理：一個(gè)質(zhì)量不變的系統(tǒng)，不作為功而通過邊界傳遞的能量。作為功而通過邊界傳遞的能量。23 熱力學(xué)第一定律應(yīng)用熱力學(xué)第一定律應(yīng)用v一、應(yīng)用

7、于閉口系統(tǒng)一、應(yīng)用于閉口系統(tǒng)v閉口系與外界不進(jìn)行物質(zhì)交換，總質(zhì)量不變閉口系與外界不進(jìn)行物質(zhì)交換，總質(zhì)量不變，稱為控制質(zhì)量；開口系物質(zhì)進(jìn)出的空間稱，稱為控制質(zhì)量；開口系物質(zhì)進(jìn)出的空間稱為控制容積。為控制容積。v進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)中進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加儲(chǔ)存能量的增加QUW v二、應(yīng)用于開口系統(tǒng)（流率）二、應(yīng)用于開口系統(tǒng)（流率）v應(yīng)用于穩(wěn)定流動(dòng)：應(yīng)用于穩(wěn)定流動(dòng)：22innetcvoutind/2/2outQEupvcgzmupvcgzmW212fiQHm cmg zW 2-4 瞬變流動(dòng)分析瞬變流動(dòng)分析v定義：流動(dòng)中控制容積內(nèi)各處狀態(tài)隨時(shí)間變定義：流動(dòng)中控制容

8、積內(nèi)各處狀態(tài)隨時(shí)間變化，稱為瞬變流動(dòng)?；?，稱為瞬變流動(dòng)。v以充氣和放氣過程為例加以說明。以充氣和放氣過程為例加以說明。v注意：注意：v1 1、充氣和放氣作兩種情況處理；、充氣和放氣作兩種情況處理；v2 2、平衡態(tài)熱力學(xué)只能分析計(jì)算充氣或放氣瞬、平衡態(tài)熱力學(xué)只能分析計(jì)算充氣或放氣瞬變流動(dòng)的結(jié)果如何，而不能回答過程隨時(shí)間變流動(dòng)的結(jié)果如何，而不能回答過程隨時(shí)間變化的細(xì)節(jié)；變化的細(xì)節(jié)；v3 3、瞬變流動(dòng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)的質(zhì)量是變量，要、瞬變流動(dòng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)的質(zhì)量是變量，要用三個(gè)獨(dú)立參數(shù)才能確定系統(tǒng)的狀態(tài)；用三個(gè)獨(dú)立參數(shù)才能確定系統(tǒng)的狀態(tài)；v4 4、所用的基本方程是能量平衡方程，狀態(tài)方、所用的基本方程是能量

9、平衡方程，狀態(tài)方程和質(zhì)量平衡方程；程和質(zhì)量平衡方程；v5 5、把氣體看作理想氣體，并采用理想氣體定、把氣體看作理想氣體，并采用理想氣體定值比熱容分析計(jì)算。值比熱容分析計(jì)算。v1 1、剛性容器絕熱充氣、剛性容器絕熱充氣v已知：已知： ，充氣前：，充氣前： ，充氣后：，充氣后：v求：終溫求：終溫v解：氣體的動(dòng)能相對(duì)焓很小，可假定解：氣體的動(dòng)能相對(duì)焓很小，可假定v對(duì)于能量平衡方程，對(duì)于能量平衡方程，v絕熱：絕熱： ；剛性容器：；剛性容器： v充氣：充氣：,LLLp T h111,p T m222,p T m2T0inc 22,()()22C VnetoutoutininccQdEWhmhm0Q0ne

10、tW2()02outoutchmv簡(jiǎn)化得到：簡(jiǎn)化得到：v整理得到整理得到,C VdEdULindUhm(),dUd mumduudminmdmLmduudmh dmLdmdumhu,pvLpLvcuc T hc T kcv所以：所以： v （a a）v理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 ，質(zhì)量有變化，質(zhì)量有變化v變質(zhì)量系統(tǒng)的理想氣體狀態(tài)方程的微分形式變質(zhì)量系統(tǒng)的理想氣體狀態(tài)方程的微分形式v其中，其中， ，所以，所以 （b b） vpLvLc dTdmdTmc Tc TkTTpVmRTdpdVdmdTpVmT0dV dpdmdTpmTv由由(a)(b)(a)(b)消去消去dm/mdm/m，得到，得到v積分上式得到：積分上式得到：v由由(a)(b)(a)(b)消去消去dT/TdT/T，v積分積分LLLkTdpdTdTdTpkTTTkTT T211112()LLkTTTTpkTTpLdmTdpmkTp21