02第二章熱力學(xué)第一定律

1、1第二章熱力學(xué)第一定律第二章熱力學(xué)第一定律（火力發(fā)電廠外貌（火力發(fā)電廠外貌）2第二章第二章 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律（First law of thermodynamics) 2.1 第一定律的實(shí)質(zhì)第一定律的實(shí)質(zhì) 2.2 熱力學(xué)能和總能熱力學(xué)能和總能 2.3能量的轉(zhuǎn)遞和轉(zhuǎn)化能量的轉(zhuǎn)遞和轉(zhuǎn)化 2.4 焓焓 2.5第一定律的基本能量方程式第一定律的基本能量方程式 2.6 開口系統(tǒng)能量方程式開口系統(tǒng)能量方程式 2.7 能量方程式的應(yīng)用能量方程式的應(yīng)用3熟練掌握熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)及其在工程熱力學(xué)中應(yīng)用。能量方程式的推導(dǎo)方法。4正確理解 熱力學(xué)第一定律的普遍適用性。 容積變化功、推動(dòng)功、技術(shù)功的區(qū)

2、別。系統(tǒng)能量與內(nèi)能的區(qū)別。 焓定義式中pv這一項(xiàng)不是儲(chǔ)藏在工質(zhì)內(nèi)部的能量 52-1 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì) 一、能量守恒與轉(zhuǎn)換定律：自然界中的自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量不可能被創(chuàng)一切物質(zhì)都具有能量，能量不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅；但能量可以從一造，也不可能被消滅；但能量可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)，且在能量的種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)，且在能量的轉(zhuǎn)化過程中能量的總量保持不變。轉(zhuǎn)化過程中能量的總量保持不變。二、熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)二、熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在換定律在熱現(xiàn)象熱現(xiàn)象中的應(yīng)用，它確定了中的應(yīng)用，它確定了熱力過程中熱力系與外界進(jìn)行能量交熱力過程中熱力系與外界進(jìn)行

3、能量交換時(shí)，換時(shí)，各種能量數(shù)量上的守恒關(guān)系各種能量數(shù)量上的守恒關(guān)系6三、能量守恒定律在熱力學(xué)中的表述方法 熱是能的一種，機(jī)械能變熱能，或熱能變機(jī)械能，它們之間的比值是一定的。 熱可以變成功，功也可以變成熱。一定量的熱消失時(shí)必產(chǎn)生相應(yīng)量的功；消耗一定量的功時(shí)必出現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)的一定量的熱。熱力學(xué)第一定律是熱現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化與守恒熱力學(xué)第一定律是熱現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化與守恒的定律。它適用于任何熱力學(xué)系統(tǒng)的任何過程的定律。它適用于任何熱力學(xué)系統(tǒng)的任何過程（非準(zhǔn)靜態(tài)過程亦成立）。（非準(zhǔn)靜態(tài)過程亦成立）。7四、熱功當(dāng)量 熱能和機(jī)械能之間的當(dāng)量關(guān)系式：Q=AJW 消耗的熱能熱功當(dāng)量完成的功與熱和功的單位相關(guān)，而與

4、能量轉(zhuǎn)化時(shí)的條件無關(guān)熱的單位：千卡（kcal）功的單位：公斤力米（kgfm）工程制AJ=1/426.9kcal/(kgfm）1千卡=4.1868千焦耳=426.935公斤力米8 熱力學(xué)第一定律是熱現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)熱力學(xué)第一定律是熱現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化與守恒的定律?；c守恒的定律。 熱力學(xué)第一定律適用于熱力學(xué)第一定律適用于任何系統(tǒng)的任任何系統(tǒng)的任何過程何過程（非準(zhǔn)靜態(tài)過程亦成立）。（非準(zhǔn)靜態(tài)過程亦成立）。92-2 熱力學(xué)能和總能 內(nèi)動(dòng)能：分子熱運(yùn)動(dòng)而具有的能量，是溫度的函數(shù)（分子平移運(yùn)動(dòng)、分子旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)運(yùn)動(dòng)）； 內(nèi)位能：分子間相互作用力的存在，它決定于氣體的比體積和溫度； 化學(xué)能：維持一定分子結(jié)構(gòu)所需

5、要的能量；（有化學(xué)反應(yīng)） 原子能：原子核內(nèi)部的能量；（有原子核反應(yīng)） 電磁能：電磁場(chǎng)作用下的電磁能。一、熱力學(xué)能的組成部分10 (1)分子熱運(yùn)動(dòng)的能量；分子熱運(yùn)動(dòng)的能量； (2)分子間勢(shì)能和分子內(nèi)的勢(shì)能；分子間勢(shì)能和分子內(nèi)的勢(shì)能； (3)分子內(nèi)部、原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的能量；分子內(nèi)部、原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的能量； (4)電場(chǎng)能、磁場(chǎng)能等。電場(chǎng)能、磁場(chǎng)能等。 T 不太大時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)的變化主要是不太大時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)的變化主要是 熱運(yùn)動(dòng)的能量變化熱運(yùn)動(dòng)的能量變化和和分子間的勢(shì)能變化分子間的勢(shì)能變化 其它形式的運(yùn)動(dòng)能量不改變。其它形式的運(yùn)動(dòng)能量不改變。氣體動(dòng)理論：氣體動(dòng)理論：從從微觀微觀上看，上看，系統(tǒng)的熱力學(xué)能（內(nèi)能

6、）包括：系統(tǒng)的熱力學(xué)能（內(nèi)能）包括：RTivU2理想氣體（剛性）11熱力學(xué)能的單位：焦耳，用符號(hào)J表示熱力學(xué)能的符號(hào)：U比熱力學(xué)能：1kg物質(zhì)的熱力學(xué)能，用u表示， 單位：J/kg分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說：熱力學(xué)能是熱力狀態(tài)的單值函數(shù) 在一定的熱力狀態(tài)下，分子有一定的均方根速度和平均距離，就有一定的熱力學(xué)能，而與達(dá)到這一熱力狀態(tài)的路徑無關(guān)，因而熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)),(vTfu ),(pTfu ),(vpfu 12一一.熱力學(xué)能（內(nèi)能熱力學(xué)能（內(nèi)能（internal energy）1212A絕熱絕熱A絕熱絕熱絕絕熱熱壁壁W絕 熱絕 熱 R水水絕絕熱熱壁壁W絕熱絕熱 RI水水13實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)驗(yàn)表明：III絕熱

7、絕熱WW由此可由此可定義定義系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)能內(nèi)能 U， （外界）絕熱2112WUU令令U的的增量增量滿足關(guān)系：滿足關(guān)系：),(VTUU 實(shí)驗(yàn)和理論都表明：實(shí)驗(yàn)和理論都表明：)(TUU理氣與過程無關(guān)與過程無關(guān)U 狀態(tài)量狀態(tài)量 ，只要只要1和和2狀態(tài)確定，則狀態(tài)確定，則14二、總能 內(nèi)部?jī)?chǔ)存能：熱力學(xué)能 外部?jī)?chǔ)存能：宏觀運(yùn)動(dòng)速度的動(dòng)能（Ek）和不同高度而具有的位能（Ep） 總能（總儲(chǔ)存能）：內(nèi)部?jī)?chǔ)存能和外部?jī)?chǔ)存能之和，用E表示1) 幾個(gè)概念152) 總能的表示方法 E=U+Ek+Ep 宏觀動(dòng)能：221fkmcE mgzEpmgzmcUEf221宏觀位能總能16思考題思考題1（P45）熱力學(xué)能的變化）熱

8、力學(xué)能的變化1、抽調(diào)隔板、抽調(diào)隔板 1）過程描述）過程描述：抽掉隔：抽掉隔 板氣體沖進(jìn)真空容器板氣體沖進(jìn)真空容器 中。中。 2）過程特點(diǎn)）過程特點(diǎn)：非準(zhǔn)靜：非準(zhǔn)靜 態(tài)過程；由于絕熱壁，態(tài)過程；由于絕熱壁， Q=0；由于剛性壁、向；由于剛性壁、向 真空膨脹，真空膨脹，W=0。因此。因此真空真空剛性絕熱壁剛性絕熱壁隔板隔板2T1T1U2U由熱力學(xué)第一定律知：系統(tǒng)的熱力學(xué)能保持不變，由熱力學(xué)第一定律知：系統(tǒng)的熱力學(xué)能保持不變，21UU 21TT 172-3 能量的傳遞和轉(zhuǎn)化 1)能量傳遞的兩種方式：一、作功和傳熱作功（有位移）傳熱（高溫到低溫）2)作功的結(jié)果：機(jī)械能（動(dòng)能）工質(zhì)的部分能量活塞和飛輪熱

9、力學(xué)能3)傳熱的結(jié)果: (1)沒有能量形式的變化； (2)不需要有物體宏觀移動(dòng)184)熱能變機(jī)械能的過程(1)能量轉(zhuǎn)換的熱力學(xué)過程(2)單純的機(jī)械過程(1)能量轉(zhuǎn)換的熱力學(xué)過程第一步 熱能傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)楣べ|(zhì)的熱力學(xué)能第二步 工質(zhì)膨脹把熱力學(xué)能變成機(jī)械能汽油燃燒燃料燃燒能量形式發(fā)生了表化(2)單純的機(jī)械過程活塞和飛輪的動(dòng)能機(jī)械能動(dòng)能19二、推動(dòng)功和流動(dòng)功 推動(dòng)功：工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功，推動(dòng)功只在工質(zhì)移動(dòng)位置時(shí)才起作用。V0?lBp2,v2p1,v120開口系統(tǒng)和外界之間功的交換 流動(dòng)功：推動(dòng)功之差是系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動(dòng)所需要的功1122)(vpvppv功的交換：1)不考慮工質(zhì)的動(dòng)能和位能時(shí)，

10、為膨脹功減去流動(dòng)功)(1122vpvpw熱能和機(jī)械能的可逆轉(zhuǎn)換總是與工質(zhì)的膨脹和壓縮聯(lián)系在一起的212-4 焓 HUpV 單位：J 比焓：1kg工質(zhì)的焓稱為比焓，用h表示，即：hupv 單位：J/kg焓的定義熱力學(xué)能推動(dòng)功焓是狀態(tài)參數(shù)，與路徑無關(guān)工質(zhì)的移動(dòng)熱力學(xué)能推動(dòng)功轉(zhuǎn)移的能量222-5 熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加一、基本原則二、閉口系統(tǒng)進(jìn)入進(jìn)出的能量熱量作功三、開口系統(tǒng)物質(zhì)交換帶進(jìn)帶出系統(tǒng)的能量進(jìn)入進(jìn)出的能量熱量作功23四、熱力學(xué)第一定律四、熱力學(xué)第一定律 基本能量方程式基本能量方程式 U1 U2WQWUWUUQ)(12對(duì)任意過程：對(duì)任意

11、過程： W 0 系統(tǒng)對(duì)外界作功系統(tǒng)對(duì)外界作功實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)驗(yàn)表明： Q 0 系統(tǒng)從外界吸熱系統(tǒng)從外界吸熱 Q 過程量過程量一般情況：一般情況： 系統(tǒng)從外界吸收的熱量等于系系統(tǒng)從外界吸收的熱量等于系 統(tǒng)內(nèi)能的增統(tǒng)內(nèi)能的增量和系統(tǒng)對(duì)外界作功之和。量和系統(tǒng)對(duì)外界作功之和。dQ=dU+dW熱力學(xué)第一定律的解析式24五、熱力學(xué)第一定律基本能量方程的微分形式五、熱力學(xué)第一定律基本能量方程的微分形式 熱力學(xué)第一定律：系統(tǒng)從外界吸收的熱量等于熱力學(xué)第一定律：系統(tǒng)從外界吸收的熱量等于AEAEEQ )(12式中式中A 0 ，系統(tǒng)對(duì)外正作功，系統(tǒng)對(duì)外正作功 ， Q 0 ，系，系統(tǒng)吸熱。功和熱量都是過程量。系統(tǒng)的內(nèi)能統(tǒng)

12、吸熱。功和熱量都是過程量。系統(tǒng)的內(nèi)能是狀態(tài)量，對(duì)理想氣體，內(nèi)能是溫度的函數(shù)是狀態(tài)量，對(duì)理想氣體，內(nèi)能是溫度的函數(shù)有有系統(tǒng)內(nèi)能的增量和系統(tǒng)對(duì)外界作功之和。對(duì)任系統(tǒng)內(nèi)能的增量和系統(tǒng)對(duì)外界作功之和。對(duì)任意元過程有：意元過程有：AEQddd )(TEE 理氣理氣熱力學(xué)第一定律是熱現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化與守恒熱力學(xué)第一定律是熱現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化與守恒的定律。它適用于任何熱力學(xué)系統(tǒng)的任何過程的定律。它適用于任何熱力學(xué)系統(tǒng)的任何過程（非準(zhǔn)靜態(tài)過程亦成立）。（非準(zhǔn)靜態(tài)過程亦成立）。25六、可逆過程 對(duì)于可逆過程：WpdV， 所以 Q=dU+pdV, 21pdVUQ或 q=du+pdv, 21pdvuq26思考思考下列

13、的靜電永動(dòng)機(jī)能否實(shí)現(xiàn)？下列的靜電永動(dòng)機(jī)能否實(shí)現(xiàn)？V U= 0O pW= QQ“第一類永動(dòng)第一類永動(dòng)機(jī)機(jī)”不存在。不存在。七、循環(huán)過程：七、循環(huán)過程：+-+-+絕緣桿絕緣桿絕緣桿絕緣桿帶電桿帶電桿帶電桿帶電桿272-6 開口系統(tǒng)能量方程式 進(jìn)入系統(tǒng)的能量：dE1+p1dV1+Q 離開系統(tǒng)的能量： dE2+p2dV2+Wi 控制容積的儲(chǔ)存能增量： dECV一、開口系統(tǒng)能量方程式iiinminfoutmoutjfCVPqgzchqgzchddE,2,222開口系統(tǒng)能量方程的一般表達(dá)式：熱流率質(zhì)流率內(nèi)部功率單位質(zhì)量的總能28二、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式 所謂穩(wěn)定流動(dòng)，是指熱力系統(tǒng)在任何截面上工質(zhì)的一切參數(shù)都

14、不隨時(shí)間而變。必須滿足下述條件： （1）進(jìn)出口處工質(zhì)的狀態(tài)不隨時(shí)間而變； （2）進(jìn)出口處工質(zhì)流量相等且不隨時(shí)間而變，滿足質(zhì)量守恒條件； （3）系統(tǒng)和外界交換的熱和功等一切能量不隨時(shí)間而變，滿足能量守恒條件。1) 穩(wěn)定流動(dòng)的條件29二、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的導(dǎo)出1、穩(wěn)定流動(dòng)的必要條件的數(shù)學(xué)描述0ddECVoutminmqq,必要條件一：狀態(tài)不變必要條件二：質(zhì)量守恒對(duì)于單股流體進(jìn)出時(shí)，有mmmqqq21單位時(shí)間單位質(zhì)量ifwzgchq221微量形式ifwgdzdcdhq2211kg工質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)從外界吸入的熱量1kg工質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)后在機(jī)器內(nèi)部作的功（2-16）（2-16a）30當(dāng)流入質(zhì)量為m的流體時(shí)，穩(wěn)

15、定流動(dòng)能量方程可寫成ifWzmgcmHQ221微量形式ifWmgdzmdcdHQ221以上公式是工程上常用的基本公式之一，除要求流動(dòng)穩(wěn)定以外，無任何附加條件，故而不論系統(tǒng)內(nèi)部如何改變，有無擾動(dòng)或摩擦，均能夠應(yīng)用。（2-17）（2-17a）31三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的分析由式（2-16），并把h= u+ (pv)代入可得：ifwpvzgcuq)(212工質(zhì)機(jī)械能的變化流動(dòng)功工質(zhì)對(duì)機(jī)器作的功容積變化功工質(zhì)狀態(tài)變化過程中通過膨脹實(shí)施的熱能轉(zhuǎn)變成的機(jī)械能式（2-18）說明工質(zhì)在狀態(tài)變化過程中從熱能轉(zhuǎn)變來的機(jī)械能 膨脹功（2-18）32四、技術(shù)功及其分析1)技術(shù)功的組成技術(shù)上可資利用的功，包括動(dòng)能、位能

16、和對(duì)機(jī)器作的功，即：)()(21122122zzgccwwffit由式（2-18）并考慮到q-u=w, 則)()(1122vpvpwpvwwt對(duì)可逆過程212121212211)(vdppvdpdvvpvppdvwt（2-20）對(duì)微元過程vdpwt33五、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的技術(shù)功表示法引進(jìn)技術(shù)功后，式（2-16）可以改寫為： （單位質(zhì)量）ttwhwhhq12（2-23）式（2-23）也可以由熱力學(xué)第一定律的解析式（2-11）直接導(dǎo)出vdpdhpdvvdppdvdhpdvpvhdpdvduq)(因此，熱力學(xué)第一定律的各種能量方程式在形式上雖有不同，但由熱變成功的實(shí)質(zhì)都是一致的，只是不同場(chǎng)所不同

17、應(yīng)用而已。342-7 能量方程式的應(yīng)用 一、動(dòng)力機(jī) h1h2wi動(dòng)力機(jī)能量平衡1)壓力降低，對(duì)機(jī)器作功；2)進(jìn)出口速度相差不大，動(dòng)能差很小，不計(jì)；3)對(duì)外界略有散熱損失，但數(shù)量不大，也不計(jì)；4)位能差極微，不計(jì)。wi=h1-h2=wt （單位質(zhì)量）由穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式（2-16）可得：35二、壓氣機(jī)h1h2wC壓氣機(jī)能量平衡1)機(jī)器對(duì)工質(zhì)作功，壓力升高；2)進(jìn)出口速度相差不大，動(dòng)能差很小，不計(jì)；3)對(duì)外界略有放熱，wi（習(xí)慣上壓氣機(jī)耗功用 wC表示，且令wCwi）和q都是負(fù)的；4)位能差極微，不計(jì)。wCwi=（h2-h1）（q)=wt （單位質(zhì)量）由穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式（2-16）可得：36三、

18、換熱器h1h2q換熱器能量平衡1)對(duì)外界有熱量交換而無功的交換2)進(jìn)出口速度相差不大，動(dòng)能差很小，不計(jì)；3)位能差極微，不計(jì)。qh2-h1 （單位質(zhì)量）由穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式（2-16）可得：37四、管道cf1h1cf2h2噴管能量平衡1)不對(duì)外界作功2)因管道短。流速大，來不及和外界交換熱量， 故熱量交換忽略不計(jì)；3)位能差極微，不計(jì)；4)進(jìn)出口速度相差很大，動(dòng)能差很大。（單位質(zhì)量）由穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式（2-16）可得：212122)(21hhccff38*三三. 節(jié)流過程節(jié)流過程（throttling process） 通常氣體是通過通常氣體是通過多孔塞多孔塞或或小孔小孔向壓強(qiáng)較低區(qū)向壓強(qiáng)較低區(qū)域膨脹域膨脹節(jié)流過程。節(jié)流過程。實(shí)際氣體通過節(jié)流過程溫度可以升高或降低，實(shí)際氣體通過節(jié)流過程溫度可以升高或降低，這稱為這稱為焦耳焦耳湯姆孫效應(yīng)湯姆孫效應(yīng)(Joule-Thoms