動力熱力學(xué) 第一定律

1、動力熱力學(xué) 第一定律第1頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一2-2 熱力學(xué)能和總能一、熱力學(xué)能 （內(nèi)能）(internal energy)定義：物體內(nèi)部的能量。微觀上，內(nèi)能包括分子動能（平動、轉(zhuǎn)動、振動）分子間勢能化學(xué)能核能本課程不涉及第2頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一二、內(nèi)能是狀態(tài)參數(shù)一個(gè)抽象的閉系（代表各種具體情況）如圖，經(jīng)一個(gè)微元過程：第3頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一對系統(tǒng)，第一定律能律守恒關(guān)系為：進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)內(nèi)部能量的增量即第4頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一對任何循

2、環(huán)：此結(jié)論來自第一定律或經(jīng)驗(yàn)。則結(jié)論：U是狀態(tài)參數(shù)。這是因?yàn)?，在?shù)學(xué)上，如果則，z為點(diǎn)函數(shù)。對點(diǎn)函數(shù) z 有，與路徑無關(guān)。這是狀態(tài)參數(shù)具有的性質(zhì)。即狀態(tài)參數(shù)只與狀態(tài)有關(guān)，而與達(dá)到該狀態(tài)的過程無關(guān)。內(nèi)能的單位是：J(焦耳)；工程中關(guān)心的是U。第5頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一三、總能量（total stored energy of system）總=內(nèi)+動+勢第6頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一2-3 能量的傳遞和轉(zhuǎn)化能量傳遞的兩種方式：作功熱傳遞功和熱的不同點(diǎn)和相同點(diǎn)：功和熱均為系統(tǒng)和外界通過邊界傳遞的能量，都是過程量；功的傳遞改變宏觀運(yùn)動狀態(tài)

3、；熱的傳遞改變微觀的運(yùn)動狀態(tài)。第7頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一介紹幾種功：1.容積變化功，是容積變化或邊界移動產(chǎn)生的功；熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，只能通過容積變化（膨脹）功實(shí)現(xiàn)。膨脹是熱變功的根本方式。（以后的講解可以理解）第8頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一x活塞右移，工質(zhì)進(jìn)入氣缸。實(shí)質(zhì)是外界壓力p把工質(zhì)壓入氣缸，故推動功為：p，v推動功作用在質(zhì)量m上。m被推入系統(tǒng)內(nèi)，所以推動功隨質(zhì)量m一起進(jìn)入系統(tǒng)。推動功的意義：工質(zhì)m流入系統(tǒng)帶入的功(外界對系統(tǒng)作功)； 工質(zhì)m流出系統(tǒng)帶出的功(系統(tǒng)對外界作功)。2.推動功(flow work; flow ene

4、rgy)：推動工質(zhì)移動所作的功；或因工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動而傳遞的功。第9頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一3. 流動功(flow work; flow energy)：入口1出口2意義：維持開系流動，工質(zhì)所作的功；出口和進(jìn)口推動功之差便是流動功。第10頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一4. 技術(shù)功：式中：維持流動工質(zhì)所作的功?？梢姡杭夹g(shù)功 = 膨脹功 - 流動功，它是膨脹功的一部分。技術(shù)功的意義：是開系對外界作的功。 這是因?yàn)椋汗べ|(zhì)作功是膨脹功W，它一部份用于維持開系流動Wf,剩下的部分才是開系作的功。故：開系作的功，不是膨脹功，而是技術(shù)功。定義：工

5、質(zhì)由入口1流動到出口2所作的膨脹功；第11頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一pV12bacd膨脹功：面積12ba1；技術(shù)功：面積12cd1。進(jìn)一步分析：示功圖：第12頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一2-4 焓(enthalpy)定義：H=U+pV叫焓 h=u+pv叫比焓單位：J(焦耳)焓是狀態(tài)參數(shù)。因?yàn)椋簝?nèi)能U和pV推動功都隨m流動帶走。流動工質(zhì)攜帶的總能：工質(zhì)宏觀運(yùn)動決定焓的物理意義是：隨工質(zhì)移動而轉(zhuǎn)移的能量； 或：流動工質(zhì)攜帶的由熱力狀態(tài)決定的能量。單位：J/kg(焦耳/千克)第13頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一進(jìn)入系

6、統(tǒng)的能量總和 離開系統(tǒng)的能量總和= 系統(tǒng)總儲存能的增量EE+dE2-5 熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式第14頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一進(jìn)入：離開：內(nèi)部貯能的增量：dE帶入基本能量方程式并整理得：基本能量方程式熱變功的基本關(guān)系：工質(zhì)吸熱Q，一部分增加內(nèi)能dU，另一部分對外作W。忽略宏觀動能Uk和位能Up，第一定律定第一表達(dá)式第15頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一有關(guān)焓的關(guān)系式：注意：正負(fù)的規(guī)定工質(zhì)吸熱，Q0；工質(zhì)放熱Q0；外界對工質(zhì)作功W0。參考下面式子自己推導(dǎo)。H=U+pV第一定律定第二表達(dá)式第16頁，共35頁，2022年，5月20日，15

7、點(diǎn)5分，星期一功的基本表達(dá)式第一定律第一解析式 熱討論： 1）對于可逆過程2）對于循環(huán)3）對于一定量的工質(zhì)，吸熱與升溫關(guān)系，還取決于W的 “+”，“”和大小。第17頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一例自由膨脹如圖，解：取氣體為熱力系 閉口系？開口系？強(qiáng)調(diào)：功是通過邊界傳遞的能量。抽去隔板，求?例題第二章A4302661.ppt 例題第二章A4303771.ppt 第18頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一一、一般表達(dá)式進(jìn)入系統(tǒng)的能量 離開系統(tǒng)的能量= 控制容積的儲存能增量2-6 開口系統(tǒng)能量方程第19頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星

8、期一d時(shí)間內(nèi): 進(jìn)入系統(tǒng)物質(zhì)離開系統(tǒng)物質(zhì)第20頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一1. 進(jìn)入系統(tǒng)的能量：熱量：Q2. 離開系統(tǒng)的能量：控制體積的容積變化微元功微元軸功微元內(nèi)部功微元摩擦功第21頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一3. 系統(tǒng)儲存能的增量：CV表示控制體內(nèi)部。帶入一般表達(dá)式，整理得：單位時(shí)間內(nèi)(上式是d時(shí)間內(nèi)的能量關(guān)系)令：=Q/d加熱率(熱流量)；=dm/d質(zhì)量流率(量)；Pi=Wi/d內(nèi)部功率。則：第22頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一二、穩(wěn)定流動能量方程式(steady-flow energy equation)

9、穩(wěn)定流動特征：1）各截面上參數(shù)不隨時(shí)間變化。2）ECV=0， SCV=0， mCV=0 穩(wěn)定流動：系統(tǒng)內(nèi)任何點(diǎn)上的一切參數(shù)都不隨時(shí)間變化。滿足條件：1. 進(jìn)出口狀態(tài)不變(熱力狀態(tài))； 2. 進(jìn)出口流量相等且不變(流動狀態(tài))； 3. 功和熱量不隨時(shí)間變化(能量狀態(tài))；注意：各截面之間的相應(yīng)參數(shù)可能不同。第23頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一準(zhǔn)穩(wěn)定流動：如內(nèi)燃機(jī)的氣體流動，雖時(shí)時(shí)在變，但有周期性，其平均流可看作穩(wěn)定。對（準(zhǔn)）穩(wěn)定流動，開口系統(tǒng)能量方程式中是流入1kg工質(zhì)的吸熱量；是流入1kg工質(zhì)的內(nèi)部功。第24頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一則得穩(wěn)定

10、流動能量方程：寫成微量的形式：質(zhì)量為m的工質(zhì)：寫成微量的形式：第25頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一A式可化為： 熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ牟糠謾C(jī)械能增量流動功內(nèi)部功三、技術(shù)功：技術(shù)上可資利用的功，用表示：定義：與本頁第一式比較得： （容積變化功或膨脹功 W）第26頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一工質(zhì)膨脹功 = 流動功 + 動能增量 + 勢能增量 + 內(nèi)部功即是說：維持開系流動的流動功，工質(zhì)動、勢能的增量，及工 質(zhì)的內(nèi)部功都是從工質(zhì)膨脹功轉(zhuǎn)化而來的。 或說：熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，只能通過膨脹功是實(shí)現(xiàn)。四、熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，只能通過容積變化（膨脹）功來實(shí)現(xiàn)。上頁第

11、一式變?yōu)椋?第27頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一歸納熱力學(xué)解題思路1）取好熱力系2）計(jì)算初、終態(tài)3）兩種解題思路從已知條件逐步推向目標(biāo)從目標(biāo)反過來缺什么補(bǔ)什么4）不可逆過程的功可嘗試從外部參數(shù)著手第28頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一穩(wěn)定流動：一、動力機(jī)(蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī) steam turbine, gas turbine)是因?yàn)樗鼈冞h(yuǎn)小于內(nèi)部功=焓降(工質(zhì)攜帶能量的減少)內(nèi)部儲能增量：02-7 能量方程式的應(yīng)用第29頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一2、壓氣機(jī)，水泵類(compressor、pump)圖設(shè)備圖壓氣機(jī).doc 與動力機(jī)過程相反：內(nèi)部儲能增量：0第30頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一3、換熱器（鍋爐、加熱器等） (heatexchanger;boiler、heater)第31頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一流入：流出：內(nèi)增：0若忽略動能差、位能差能量平衡關(guān)系式吸熱焓增放熱焓降第32頁，共35頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)5分，星期一四、管道流入：流出：內(nèi)增：0忽略位能差：管子短或保溫好 q0：第33頁，共35頁，2022年，5