《工程熱力學》課件-5 熱力學第一定律的實質(zhì)

熱力學第一定律的實質(zhì)010203了解熱力學第一定律的實質(zhì)掌握熱力學能、外部儲存能的定義掌握總儲存能的表達式及其含義課程要求熱力系統(tǒng)的儲存能能量是物質(zhì)運動的量度，運動有各種不同的形態(tài)，相應(yīng)的就有各種不同的能量。系統(tǒng)儲存的能量稱為儲存能，它有內(nèi)部儲存能與外部儲存能之分。系統(tǒng)的內(nèi)部儲存能即為熱力學能。2熱力學能－u熱力學能:用U表示，單位是J或kJ。比熱力學能(1kg工質(zhì)的熱力學能):用u表示，單位是J/kg或kJ/kg。

熱力系統(tǒng)的儲存能增加熱力學能(內(nèi)能）的兩種方法:做功和傳熱2熱力學能－u熱力系統(tǒng)的儲存能2熱力學能－u熱力系統(tǒng)的儲存能熱力系統(tǒng)的儲存能2熱力學能－u熱力系統(tǒng)中與物質(zhì)內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)以及分子運動形式有關(guān)的微觀能量的總和，統(tǒng)稱為熱力學能，單位J組成：內(nèi)位能（分子間相互作用力產(chǎn)生的能量）內(nèi)動能（分子的移動動能、轉(zhuǎn)動動能和分子內(nèi)部原子的振動動能）什么是內(nèi)能？熱力系統(tǒng)的儲存能2內(nèi)動能定義：內(nèi)動能是指物體內(nèi)部微觀粒子（如分子、原子等）做無規(guī)則熱運動所具有的能量。簡單來說，就是這些微觀粒子因為在物體內(nèi)部“亂跑”而具有的能量。熱力系統(tǒng)的儲存能2內(nèi)動能類比：可以把物體內(nèi)的分子想象成一群在操場上亂跑的小朋友。每個小朋友（分子）跑來跑去的這種運動就帶有能量，這就類似于內(nèi)動能。而且分子運動得越劇烈，內(nèi)動能就越大。例如，加熱一杯水，水的溫度升高，水分子運動就會加快，它的內(nèi)動能也就增加了。熱力系統(tǒng)的儲存能2內(nèi)動能與溫度的關(guān)系：溫度是物體內(nèi)部分子熱運動劇烈程度的標志。溫度越高，分子的熱運動越劇烈，內(nèi)動能也就越大。所以，內(nèi)動能和溫度密切相關(guān)。內(nèi)能是溫度的函數(shù)熱力系統(tǒng)的儲存能2內(nèi)動能內(nèi)能是溫度的函數(shù)熱力系統(tǒng)的儲存能3內(nèi)位能

內(nèi)位能（也稱為分子勢能或內(nèi)能中的勢能部分）是由于物體內(nèi)部微粒（分子、原子等）之間的相互作用而具有的能量。這些微粒之間存在著引力和斥力，內(nèi)位能的大小取決于微粒之間的相對位置。

熱力系統(tǒng)的儲存能3內(nèi)位能從宏觀到微觀的類比在宏觀上，我們知道彈簧的彈性勢能公式為

，

，其中是彈簧的勁度系數(shù)，是彈簧的形變量?？梢园堰@個概念類比到微觀粒子上。以固體為例，固體中的原子就像被微小的“彈簧”連接著。當固體受到外力擠壓或拉伸時，原子間的距離發(fā)生變化，就如同彈簧被壓縮或拉伸一樣。這種由于原子間相對位置變化而產(chǎn)生的能量就是內(nèi)位能。熱力系統(tǒng)的儲存能3內(nèi)位能在微觀層面，固體中的原子（或分子）之間存在相互作用力，就像彈簧連接著一樣。當固體受到外力作用時，原子間的距離會發(fā)生變化。例如，對一塊金屬施加壓力，金屬原子之間的距離會減小；當拉伸金屬時，原子之間的距離會增大。這種原子間相對位置的變化導致了能量的儲存或釋放，這就是微觀內(nèi)位能的變化。熱力系統(tǒng)的儲存能3內(nèi)位能物態(tài)變化中的內(nèi)位能函數(shù)關(guān)系（以水為例）在水的物態(tài)變化過程中，內(nèi)位能會發(fā)生明顯的變化。在冰（固態(tài)）中，水分子之間通過氫鍵形成規(guī)則的四面體結(jié)構(gòu)，分子間距離相對固定。當冰吸收熱量融化成水（液態(tài)）時，氫鍵部分斷裂，水分子間的距離和排列方式發(fā)生變化。熱力系統(tǒng)的儲存能

內(nèi)位能從能量角度看，這個過程中內(nèi)位能增加。假設(shè)用表示內(nèi)位能，T表示溫度，在冰融化過程中，溫度T保持在0℃（在標準大氣壓下），但內(nèi)位能隨著冰的融化而增大。雖然很難用一個簡單的函數(shù)精確描述這個過程中的內(nèi)位能變化，但可以定性地知道在物態(tài)變化區(qū)間內(nèi)，內(nèi)位能是隨著物態(tài)從固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變而增加的，而且這個變化與分子間作用力的改變以及分子間相對位置的變化密切相關(guān)。課堂練習【多選題】實際氣體的內(nèi)能就是()與()的函數(shù)A、溫度B、熱量C、熵D、比體積E、功

AD3外部儲存能熱力系統(tǒng)的儲存能需要用在系統(tǒng)外的參考坐標系測量的參數(shù)來表示的能量，稱為外部儲存能，它包括系統(tǒng)的宏觀動能和重力位能:宏觀動能：m—物體質(zhì)量;c—運動速度重力位能：m—物體質(zhì)量;g—重力加速度；z—相對于系統(tǒng)外的參考坐標系的高度4總儲存能熱力系統(tǒng)的儲存能熱力系統(tǒng)外部儲存能屬于機械能，內(nèi)部儲存能屬于熱能。雖然能量形式不同，都是熱力系統(tǒng)所具有的能量。系統(tǒng)總儲存能(E)=熱力學能(U)+外儲存能(Ek+Ep)單位質(zhì)量工質(zhì)的比儲存能:4總儲存能熱力系統(tǒng)的儲存能比儲存能為狀態(tài)參數(shù),對于沒有宏觀運動且相對高度為零的系統(tǒng)，總儲存能就等于熱力學能，即系統(tǒng)總儲存能(E)=熱力學能(U)單位質(zhì)量工質(zhì)的比儲存能:3儲存能外部儲存能內(nèi)部儲存能宏觀動能重力位能熱力學能內(nèi)動能內(nèi)位能熱力系統(tǒng)的儲存能課堂練習【例1-1】2kg工質(zhì)在某一可逆過程中吸收了84J的熱量，隨后停止運動損耗40J動能，又自由下落了2m，求該工質(zhì)的儲存能變化量。（g取10m/s2）△E=84-40-2X10X2=4J第一類永動機是指一種不需要外界輸入能量或者只需要一個初始能量就可以永遠對外做功的機器。第一類永動機第1類永動機熱力學第一定律1能量轉(zhuǎn)換與守恒定律自然界中一切物質(zhì)都具有能量，能量既不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅，而只能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在轉(zhuǎn)換中能量的總量恒定不變。熱力學第一定律1能量轉(zhuǎn)換與守恒定律18世紀初，工業(yè)革命，熱效率只有1%。1842年，J.R.Mayer(邁耶）闡述熱力學第一定律定律，但沒有引起重視。熱力學第一定律1能量轉(zhuǎn)換與守恒定律1840-1849年，Joule用多種實驗的一致性證明熱力學第一定律，于1850年發(fā)表并得到公認。1909年，卡拉西奧多里(C.Caratheodory)最后完善熱一律。熱力學第一定律1能量轉(zhuǎn)換與守恒定律自然界中一切物質(zhì)都具有能量，能量既不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅，而只能從一種形式轉(zhuǎn)變成另一種形式。在轉(zhuǎn)換中，能量的總量保持不變。熱力學第一定律1能量轉(zhuǎn)換與守恒定律在中國傳統(tǒng)文化體現(xiàn)熱力學第一定律1能量轉(zhuǎn)換與守恒定律實質(zhì)：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在研究與熱能相關(guān)的能量傳遞與轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用。表述：在熱能與其它形式的能量互相轉(zhuǎn)換時，能量的總量保持守恒。不花費能量就可以產(chǎn)生功的第一類永動機不可能制造成功。

進入系統(tǒng)的總能量—

離開系統(tǒng)的總能量系統(tǒng)儲存能量的變化量熱力學第一定律熱力學第一定律是能量守恒定律在熱現(xiàn)象中的具體形式。其中Q代表系統(tǒng)內(nèi)能的變化量，代表系統(tǒng)吸收的熱量，W代表外界對系統(tǒng)做的功。熱力學第一定律

熱量是在熱傳遞過程中系統(tǒng)吸收或放出的能量。當Q＞0系統(tǒng)吸收熱量時，；當Q＜0系統(tǒng)放出熱量時，。例如，在燒水的過程中，水（系統(tǒng)）從火焰（外界）吸收熱量，為正值，水溫升高，內(nèi)能增加。如果把熱的水杯放在冷空氣中，水會向周圍環(huán)境放出熱量，為負值，水溫降低，內(nèi)能減少。熱力學第一定律功是能量傳遞的另一種方式，它是通過宏觀的機械作用來實現(xiàn)的。外界對系統(tǒng)做功，W＞0；系統(tǒng)對外界做功，W＜0。以氣缸中的氣體為例，當活塞壓縮氣體時，外界（活塞）對系統(tǒng)（氣體）做功，為正值，氣體的內(nèi)能增加。如果氣體膨脹推動活塞，系統(tǒng)（氣體）對外界（活塞）做功，為負值，氣體的內(nèi)能減少。熱力學第一定律例如，對于一個封閉的物理系統(tǒng)（如一個帶有活塞的氣缸內(nèi)的氣體），如果有熱量從外界傳入氣缸（進入系統(tǒng)的能量），同時活塞被外力推動壓縮氣體，外界對氣體做功（也是進入系統(tǒng)的能量），而氣體可能會通過熱傳導向外界散失一部分熱量（離開系統(tǒng)的能量），并且氣體膨脹推動活塞對外做功（離開系統(tǒng)的能量）。最終氣體內(nèi)能的變化（系統(tǒng)儲存能量的變化）就等于進入系統(tǒng)的總能量減去離開系統(tǒng)的總能量。熱力學第一定律1能量轉(zhuǎn)換與守恒定律作用：熱力學第一定律是熱力學的基本定律，是熱力過程能量傳遞與轉(zhuǎn)換分析計算的基本依據(jù)。它普遍適用于任何工質(zhì)、任何過程。意義：確定了能量傳遞