工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)熱力學(xué)第一定律實(shí)質(zhì)

工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)熱力學(xué)第一定律實(shí)質(zhì)1第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一2-1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)、內(nèi)能一、熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)（一）能量守恒定律能量無處不在，能量轉(zhuǎn)化無時(shí)不有。那么：⑴常見的能量有那些形式呢？⑵能量的轉(zhuǎn)化是如何實(shí)現(xiàn)的？⑶能量轉(zhuǎn)化遵循什么規(guī)律呢？2第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一能量形式實(shí)例機(jī)械能流動的河水、被拉開的弓、聲音等電能電器設(shè)備所消耗的的能量都是電能熱能熱源廠、廚房、火電廠等化學(xué)能巧克力、燃料等都儲存有化學(xué)能1.各種各樣的能量3第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一1.汽艇在海上行駛——化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能2.用電照明——電能轉(zhuǎn)化為光能（電磁能）3.篝火燃燒——化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能4.原子彈爆炸——核能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能2.能量之間的轉(zhuǎn)化4第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一3.能量轉(zhuǎn)化與守恒定律能量轉(zhuǎn)化與守恒定律自然界一切物質(zhì)都具有能量。能量既不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅，但能夠從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)（一些）物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)（一些）物體，在轉(zhuǎn)化或傳遞的過程中能量的總和始終保持不變?！咀⒁狻?.分析物理過程、求解實(shí)際問題時(shí)，對減少的某種能量，要追蹤它的去向；對增加的能量，要能查尋它的來源?？梢园凑铡翱偟臏p少量=總的增加量”列出數(shù)學(xué)方程。2.能源利用實(shí)際就是不同形式能量之間的轉(zhuǎn)換，把不便于人們利用的能量形式轉(zhuǎn)變成便于利用的形式。5第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一（二）熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律實(shí)質(zhì)就是能量守恒和轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象上的應(yīng)用。表述1：熱可以變?yōu)楣Γσ部梢宰優(yōu)闊?；一定量的熱消滅，必產(chǎn)生一定量的功；消耗一定量的功時(shí)，必出現(xiàn)與之相應(yīng)數(shù)量的熱。6第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一FirstLawofThermodynamics7第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一表述2：第一類永動機(jī)是造不成的8第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一熱一定律在熱力循環(huán)中的應(yīng)用熱力循環(huán)中工質(zhì)接受的凈熱量應(yīng)該等于工質(zhì)對外界所做的凈功：對于1kg工質(zhì)而言9第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一例2-1一臺柴油發(fā)動機(jī)，功率7.35kW，燃油消耗率為272.1g/(kW.h)，試求它的廢氣每小時(shí)所排出的熱量。（柴油的發(fā)熱量為43961.4kJ/kg）10第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一從這個(gè)例題我們可以學(xué)到什么？功率燃油消耗量（率）發(fā)熱量單位統(tǒng)一采用國際單位，注意不同單位制的換算11第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一二、內(nèi)能（internalenergy）定義：工質(zhì)內(nèi)部所具有的各種微觀能量實(shí)質(zhì)：組成物質(zhì)的微觀粒子所具有的能量符號：U，單位：J或kJ12第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一主要包括：（1）內(nèi)動能：物質(zhì)內(nèi)部的分子，原子等微觀粒子不停地作熱運(yùn)動的熱運(yùn)動動能。是溫度的函數(shù)。（2）內(nèi)位能：由于分子間相互作用力的存在所具有的位能，與氣體的比體積有關(guān)。13第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一不考慮內(nèi)動能+內(nèi)位能+化學(xué)能+原子核能+電磁能內(nèi)動能+內(nèi)位能內(nèi)能（3）化學(xué)能，原子核能，電磁能。14第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一15第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一比內(nèi)能：單位質(zhì)量工質(zhì)的能。符號：u；單位：J/kg

或kJ/kg。內(nèi)能是溫度和比體積的函數(shù)，即取決于工質(zhì)所處的狀態(tài)，是狀態(tài)參數(shù)。16第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一熱力學(xué)能的大小是相對的。氣體工質(zhì)的比內(nèi)能可表示為任何狀態(tài)下系統(tǒng)內(nèi)能的數(shù)值不可能為零。由于在工程內(nèi)中只計(jì)算工質(zhì)在狀態(tài)變化中的內(nèi)能的變化量，因此內(nèi)能的零點(diǎn)可以人為地規(guī)定，例如，通常取0K時(shí)氣體的內(nèi)能為零。17第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一三、熱力系統(tǒng)的儲存能熱力系統(tǒng)的儲存能：儲存于熱力系統(tǒng)的能量。（1）內(nèi)部儲存能———熱力學(xué)能（2）外部儲存能———宏觀動能，宏觀位能。18第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一2.宏觀位能：Ep，單位為J或kJ

3.儲存能：E

，單位為J

或kJ

比儲存能：e，單位為J/kg

或kJ/kg1.宏觀動能：Ek

，單位為J或kJ

19第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一2-2熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式能量平衡方程式討論閉口系統(tǒng)、穩(wěn)定流動、開口系統(tǒng)三種系統(tǒng)的能量方程20第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一一、閉口系統(tǒng)的能量方程（energyequation）熱力系統(tǒng)：取封閉在汽缸活塞系統(tǒng)中的工質(zhì)假設(shè)：氣缸內(nèi)有1kg工質(zhì)從外界吸熱q工質(zhì)由平衡態(tài)1變化到平衡態(tài)2，對外作功w，忽略工質(zhì)宏觀動能，位能的變化21第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一推導(dǎo)

q–w=u=u2-u1或q=w+u對于m工質(zhì)，可寫為：

Q=U+W對于微元過程，可寫為：以上三式都可以稱為閉口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律解析式22第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一意義：工質(zhì)吸收的熱量a:一部分用于改變工質(zhì)的內(nèi)能b:另一部分以機(jī)械能的形式傳遞給外界。適用條件：a:可逆過程，不可逆過程b:理想氣體，實(shí)際氣體c:工質(zhì)初，終態(tài)為平衡狀態(tài)23第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一膨脹功的概念在狀態(tài)變化過程中，由熱轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的部分始終是q-△u。閉口系統(tǒng)工質(zhì)所做的機(jī)械功也稱為容積變化功或膨脹功24第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一注意能量方程中的熱量、功量、內(nèi)能的變化量都是代數(shù)值，根據(jù)熱工轉(zhuǎn)化的實(shí)際情況，可為正值、零、負(fù)值。工程上統(tǒng)一規(guī)定：吸熱為正、作膨脹功為正、內(nèi)能增加為正放熱為負(fù)、作壓縮功為負(fù)、內(nèi)能減少為負(fù)25第25頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一對于單位質(zhì)量工質(zhì),

對于單位質(zhì)量