基本概念熱力學第一定律

基本概念熱力學第一定律第一頁，共二十一頁，2022年，8月28日1.5狀態(tài)方程式和狀態(tài)參數(shù)坐標圖

基本狀態(tài)參數(shù)之間的熱力學函數(shù)又稱狀態(tài)方程如：

壓容圖和溫熵圖■狀態(tài)參數(shù)坐標圖狀態(tài)參數(shù)坐標圖，尤其是描述過程的圖，可以幫助我們理解過程的特性和計算，值得注意。第二頁，共二十一頁，2022年，8月28日1.6熱力過程、功和熱量

熱力系統(tǒng)的狀態(tài)變化過程稱熱力過程，簡稱過程

process

由一系列準平衡（靜態(tài)）狀態(tài)組成的過程稱為“準平衡過程”

quasiequilibrium如果系統(tǒng)完成某一熱力過程后，再沿原來路徑(pass)逆向進行時，能使系統(tǒng)和外部都返回原來狀態(tài)而不留下任何變化，則這一過程稱為可逆過程

(reversibleprocess)功(work,mechanicalwork)被定義為力與力方向上的位移的乘積在力F的作用下沿力的方向產(chǎn)生位移dx，則該力所作的功為

δW=Fdx

第三頁，共二十一頁，2022年，8月28日膨脹功的計算expansionwork

膨脹功的推導設(shè)氣缸內(nèi)氣體的壓力為p，活塞面積為A，當活塞移動dx時

δW=Fdx=pAdx=pdV

從狀態(tài)1到狀態(tài)2對每kg工質(zhì)，系統(tǒng)作功習慣規(guī)定：系統(tǒng)對外作功時功取正，而外界對系統(tǒng)作功時功取負第四頁，共二十一頁，2022年，8月28日熱量Transfer

of

HeatEnergy定義：熱量是指熱力過程中系統(tǒng)與外界之間因溫差的原因而傳遞的能量

Bringingthesystemanditssurroundingsincontact,iftheyareindifferenttemperatures,Theinteractionbetweenthemwillbeoccurred,thisinteractionisheattransferofenergy與熱能的差別：雖然兩者都是能量，但熱能是指物質(zhì)內(nèi)所含有的以分子的微觀運動為特征的能量；熱量則是這種能量在傳遞過程中的大小度量與功也有區(qū)別：無論是傳遞過程中的熱量還是物質(zhì)所具有的熱能，能量的大小是微觀粒子的熱運動能量；功則是一種宏觀形態(tài)的能量。第五頁，共二十一頁，2022年，8月28日例題1.1假設(shè)圖1.7氣缸內(nèi)為氣體，氣缸和活塞絕熱，兩者間無摩擦。若將a中的重物突然移去，b中的小球依次移去，試分析氣缸內(nèi)氣體所經(jīng)歷的狀態(tài)是準平衡過程？可逆過程？

ab圖1.7例題1.1附圖結(jié)論：a為非平衡過程，但有時近似處理為平衡過程（一定誤差）b為準平衡過程，近似為可逆過程第六頁，共二十一頁，2022年，8月28日熱力學中有關(guān)的功量

軸功：所謂軸功是指熱力系統(tǒng)通過軸和外界之間交換的功量或機械功

Shaftworkorrotationalmechanicalwork流動功Flowwork

：維持工質(zhì)流動所必須支付的功稱為流動功

Whenmassentersorleavesacontrolvolume,workisrequiredtopushthefluidintooroutofthesystem.

技術(shù)功：技術(shù)功是指在工程上可資利用的功

有用功：將膨脹功中無法加以利用的一部分除去之后的功稱為有用功

無用功：膨脹功中無法加以利用的功第七頁，共二十一頁，2022年，8月28日1.7熱力循環(huán)

cycle指工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)經(jīng)歷一系列熱力狀態(tài)變化后又回到原來初態(tài)的熱力過程

aprocessforwhichtheendstateisidenticaltotheinitialstate

1)正向循環(huán)：對外作功的循環(huán)稱為正向循環(huán)powercycle;directcycle2)逆向循環(huán)：消耗功的循環(huán)稱為逆向循環(huán)reversecycle3)循環(huán)經(jīng)濟性：循環(huán)經(jīng)濟性代表能量利用的經(jīng)濟性，指通過循環(huán)收到的效益和所付代價的比值

第八頁，共二十一頁，2022年，8月28日第2章熱力學基本定律

theFirstLawofThermodynamics主要討論在熱能和機械能的轉(zhuǎn)換過程中必須遵守的兩個基本定律熱力學第一定律：規(guī)定了轉(zhuǎn)換過程中的數(shù)量守恒關(guān)系熱力學第二定律：說明轉(zhuǎn)換過程中能量的品質(zhì)問題能量守恒定律用于具有熱現(xiàn)象的能量轉(zhuǎn)換過程，稱為熱力學第一定律對于一個系統(tǒng)，外界通過邊界向系統(tǒng)交換的各種形態(tài)的能量總和恰好等于系統(tǒng)內(nèi)部的能量改變量。這是我們所熟知的基本原理第九頁，共二十一頁，2022年，8月28日2.1熱力學第一定律

本節(jié)分熱力系統(tǒng)本身能量表示方法和變化情況、外界作用于系統(tǒng)的熱和功三方面討論熱力學第一定律的關(guān)系

2.1.1熱力學能

InternalEnergy定義：系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)所具有的各種形式能量的總和稱熱力學能，過去稱為內(nèi)能。它包含有：1）分子熱運動能量，這是分子移動、轉(zhuǎn)動、分子內(nèi)部振動等能量2）分子間力形成的內(nèi)位能，與分子間的平均距離有關(guān)3）化學能、原子核能、電磁能等以后系統(tǒng)所具有的總能量用符號Esys

表示熱力學能用符號U表示每kg物質(zhì)的熱力學能用小寫符號u表示稱比熱力學能第十頁，共二十一頁，2022年，8月28日熱力學能的特征：熱力學能為微觀粒子的能量——

符號U

單位（J）比熱力學能：單位kg物質(zhì)的熱力學能

u=U/mJ/kg當不考慮化學能、核能、電磁能等時，熱力學能U只與溫度、壓力等有關(guān)

U=U（T，v）

當系統(tǒng)屬性和狀態(tài)確定后，該能量是一定的，所以它是一個狀態(tài)量，但不是基本狀態(tài)量

第十一頁，共二十一頁，2022年，8月28日2.1.2總能量

總能量——指系統(tǒng)內(nèi)微觀粒子能量、系統(tǒng)本身宏觀能量之和

Esys＝U＋Ep＋Ek

系統(tǒng)的動能Ek

＝1/2mc2系統(tǒng)的位能Ep＝

mgz當系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變由狀態(tài)1過渡到狀態(tài)2后，系統(tǒng)的總能量改變?yōu)?/p>

ΔE＝E2－E1＝（U2－U1）＋（Ep2－Ep1）＋（Ek2－Ek1）

第十二頁，共二十一頁，2022年，8月28日2.1.3熱力學第一定律的一般表達式

當系統(tǒng)由狀態(tài)1經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化達到終狀態(tài)2時，系統(tǒng)總能量的變化如何？ΔEsys＝Ein－Eout＝（minein＋Q）－（mouteout＋W）當系統(tǒng)處于宏觀上靜止時

ΔU＝（minein＋Q）－（mouteout＋W）

moutminQWΔEsys

能量守恒參見圖：考慮外界作用：第十三頁，共二十一頁，2022年，8月28日閉口系統(tǒng)能量方程

總體（熱力過程）

ΔU＝Q

－W

或

Q＝ΔU＋W

或

q＝Δu＋w微元（熱力過程）

δQ＝dU＋δW

或

δq＝du＋δw

功的計算：可逆過程

這里功的數(shù)量并不等于可以利用的功無物質(zhì)進入和離開系統(tǒng)思考一下：為什么？第十四頁，共二十一頁，2022年，8月28日開口系統(tǒng)的能量方程

穩(wěn)定流動系統(tǒng)（系統(tǒng)內(nèi)總質(zhì)量不變，狀態(tài)變化）

ΔEsys＝Q－W＋m（ein－eout）穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流系統(tǒng)（系統(tǒng)內(nèi)總質(zhì)量不變，狀態(tài)不變化）

Q＝W＋m（eout

－ein

）質(zhì)量在進入和離開系統(tǒng)時帶有的能量

功：系統(tǒng)輸出功與可以獲得并利用的功在數(shù)量上相同注意：上述能量中

u

由狀態(tài)所確定

pv

同樣由狀態(tài)所確定能不能將兩者合并？熱力學能

u動能

ek

位能

ep推動功

pv第十五頁，共二十一頁，2022年，8月28日定義：焓=熱力學能+推動功

狀態(tài)參數(shù)焓的定義：H=U+pV

或h=u+pv這也是一個狀態(tài)參數(shù)，單位與熱力學能的單位相同，分別為：J、J/kg第十六頁，共二十一頁，2022年，8月28日例題2.1氣缸內(nèi)儲有定量的CO2氣體，初態(tài)p1＝300kPa，T1＝200℃，V1＝0.2m3。經(jīng)歷一可逆過程后溫度下降至T2＝100℃。如果過程中壓力和比容間的關(guān)系滿足pv1.2＝常數(shù)，試確定該過程中CO2氣體所作的功、比功、熱力學能變化量，氣體與外界之間的熱量交換。解：取CO2氣體為系統(tǒng)（閉口系統(tǒng)）1)功：可逆δw＝pdv第十七頁，共二十一頁，2022年，8月28日續(xù)解W＝mw＝0.671×94500＝63425J因氣體體積變化，故此功稱為膨脹功。W>0，為氣體對外做功。在終態(tài)，氣體體積為V2＝0.656m3，所以(ΔE)W<0。2)系統(tǒng)內(nèi)熱力學能的變化：(ΔE)sys＝ΔU＝mcv(T2－T1)查表取cv＝0.656kJ/kg·K所以ΔU＝0.671×103×(100－200)＝－44018J（說明系統(tǒng)的熱力學能是減少的）3)Q的計算：Q＝ΔU＋W＝63425＋（－44018）＝19407J該例題中氣體對外作出的功量大于氣體熱力學能的減少量，減少的部分由外界對氣體的加熱量所補充。另外此處能量的單位用焦耳顯得不方便，用kJ則好些。第十八頁，共二十一頁，2022年，8月28日例題2.2已知汽輪機進口水蒸氣參數(shù)為p1＝9MPa，t1＝500℃，流速cf1＝50m/s；出口水蒸氣參數(shù)為p2＝0.5MPa，t2＝180℃，流速cf2＝120m/s。蒸氣的質(zhì)量流量qm＝330t/h。蒸氣在汽輪機中進行穩(wěn)定的絕熱流動，求汽輪機的功率。解：取系統(tǒng)如下圖所示（穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流）分析：Q=0ΔU=0ein＝u1＋p1v1＋c12/2＋gz1ein＝u2＋p2v2＋c22/2＋gz2

系統(tǒng)對外作功：Wt＝m[（u1－u2）＋（p1v1－p2v2）＋（c12/2－c22/2）＋（gz1－gz2）]

＝m[（h1－h(huán)2）＋（c12－c22）/2

＋g（z1－z2）]例題2.2附圖moutminws第十九頁，共二十一頁，2022年，8月28日續(xù)解：對每kg工質(zhì)，功可以表示為：

wt＝（h1－h(huán)2）＋（c12－c22）/2＋g（z1－z2）略去其中位能差，可計算得：wt＝（h1－h(huán)2）＋（c12－c2