能量與熱力學(xué)第一定律

第一部分熱力學(xué)基本定律

第一章能量與熱力學(xué)第一定律

本章提要:

本章闡明熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)一一能量守恒，給出了熱力學(xué)第一定律的基本表達(dá)式及其對(duì)開口系統(tǒng)的表達(dá)式，導(dǎo)出了工程上具有重要意義的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式，簡(jiǎn)單介紹了非穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程，舉例說明了熱力學(xué)第一定律在不同工程問題上的具體應(yīng)用。第一部分熱力學(xué)基本定律

第一章能量與熱力學(xué)第一定律

本章要求:1．

深刻認(rèn)識(shí)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)——能量守恒。

2．了解熱和功是系統(tǒng)與外界交換能量的兩種方式，知道其定義、特性及計(jì)算方法。3．掌握熱力學(xué)第一定律能量方程的基本表達(dá)式及穩(wěn)定流動(dòng)能量方程，并對(duì)非穩(wěn)定流動(dòng)能量方程有初步的認(rèn)識(shí)。4．了解熱力學(xué)第一定律對(duì)工程實(shí)踐的指導(dǎo)作用，能靈活運(yùn)用能量方程對(duì)實(shí)際工程中的能量轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行分析、計(jì)算和研究。

2－1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)

一能量轉(zhuǎn)換與守恒定律

自然界一切物質(zhì)都具有能量。能量不可能創(chuàng)造也不可能消滅，而只能在一定條件下從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在轉(zhuǎn)換中能量總量恒定不變

2－1熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)

二幾種說法在任何發(fā)生能量傳遞和轉(zhuǎn)換的熱力過程中，傳遞和轉(zhuǎn)換前后能量的總量維持恒定熱功可以互相轉(zhuǎn)換，但轉(zhuǎn)換前后總量不變永動(dòng)機(jī)是不可能制造成功的

2－2功一功的定義和性質(zhì)1在力學(xué)中的定義物體所受的力及其沿力的方向所產(chǎn)生的位移的乘積功量是過程量，與狀態(tài)量不同，說某狀態(tài)下具有多少功量是毫無意義的。功用W

表示

2－2功一功的定義和性質(zhì)2在熱力學(xué)里的定義功是物系間相互作用而傳遞的能量。當(dāng)系統(tǒng)完成功時(shí)，其對(duì)外界的作用可用在外界舉起重物的單一效果來代替3功的單位和符號(hào)4比功w＝W/m

2－2功三氣體的容積變化功

2－2功三氣體的容積變化功活塞移動(dòng)dx時(shí)所作的功量為

§W=pAdx＝pdV

準(zhǔn)平衡過程體積變化功W＝∫pdV

2－2功三氣體的容積變化功幾點(diǎn)說明：1適用于任意準(zhǔn)平衡過程，與熱力系的幾何形狀無關(guān)2系統(tǒng)在準(zhǔn)平衡過程中完成的功量亦可稱為準(zhǔn)靜功。準(zhǔn)靜功可以僅通過系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)來描述

3必須知道過程方程式P＝f(V)，才能算出該過程的功量4P－V

圖上可以用面積表示功量，故p-V圖又稱為示功圖5功量是過程量而不是狀態(tài)量6氣體膨脹，dV＞0，功量為正，系統(tǒng)對(duì)外做功

2－3熱1定義：熱力系與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱。2熱的傳遞不能像功的傳遞那樣，可以折合為外界重物高度變化的單一效果3是過程量而不是狀態(tài)量，因此說“物體具有多少熱量”及“物體具有多少功量”都是錯(cuò)誤的4熱力系吸熱時(shí)熱量取正號(hào)，放熱時(shí)取負(fù)號(hào)

2－4

循環(huán)的第一定律表達(dá)式焦耳實(shí)驗(yàn)表明：熱力系經(jīng)歷一循環(huán)過程回到初態(tài)時(shí)，系統(tǒng)在整個(gè)循環(huán)中從外界吸入(或放出)的熱量等于其對(duì)外完成的(或得到的)功量。

2－5

狀態(tài)參數(shù)熱力學(xué)能∮(§Q-§W)=01-A-2和1-C-2是由1到2任意選擇的不同途徑積分的結(jié)果與積分途徑無關(guān)被積函數(shù)必定是某一個(gè)態(tài)函數(shù)的全微分用U

表示這個(gè)態(tài)函數(shù)dU＝§Q-§W以一定方式儲(chǔ)存于熱力系內(nèi)部的能量叫做系統(tǒng)的熱力學(xué)能(亦稱內(nèi)能)熱力學(xué)能是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，可用其它獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)表示出來

2－6熱力系與外界的物質(zhì)交換

一質(zhì)量守恒方程式穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定流動(dòng)過程：流道內(nèi)各點(diǎn)流體的熱力狀態(tài)及流動(dòng)情況不隨時(shí)間變化

min=mout

2－6熱力系與外界的物質(zhì)交換

二流動(dòng)功1

推擠功克服某種作用力，使氣體發(fā)生宏觀位置移動(dòng)所消耗的功

2

流動(dòng)功使流體從截面1流入到截面2流出的流動(dòng)過程中，系統(tǒng)付諸于質(zhì)量遷移所作的功Wf=p2V2-p1V1=△(pV)

2－7熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式一基本表達(dá)式

Q＝⊿U＋W1適用于閉系內(nèi)進(jìn)行的一切過程(包括各種非平衡過程及準(zhǔn)平衡過程)2只涉及到熱力學(xué)能、熱、功的相互轉(zhuǎn)換，是熱力學(xué)的主要研究對(duì)象，所以稱基本表達(dá)式

2－7熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式二開系能量方程式最一般的形式：

dEcv=§Q+∑§min(u+pv+1/2c2+gz)in

-∑§mout(u+pv+1/2c2+gz)out-§wnet

dEcv=§Q+∑§min(h+1/2c2+gz)in

-∑§mout(h+1/2c2+gz)out-§wnet

適用于任何工質(zhì)任何過程任何流動(dòng)

2－7熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式二開系能量方程式焓的說明：1定義：h=u+pv2物理意義：流動(dòng)工質(zhì)的熱力學(xué)能和推擠功之和，可以認(rèn)為是流動(dòng)工質(zhì)所攜帶的能量3性質(zhì)：是狀態(tài)參數(shù)，是狀態(tài)量4目的：為了計(jì)算方便

2－7熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式三穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式穩(wěn)定流動(dòng)過程系統(tǒng)與外界的功量和熱量交換情況不隨時(shí)間改變，系統(tǒng)內(nèi)各處流體的熱力狀態(tài)和流動(dòng)情況也不隨時(shí)間變化能量方程式Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

適用于任何工質(zhì)，任何過程，穩(wěn)定流動(dòng)的開系

2－7熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式四用技術(shù)功Wt表示的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式

Wt＝1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Q=⊿H+Wt

因?yàn)镼＝⊿U＋WQ=⊿H+Wt＝⊿U＋Wf＋Wt

所以Wt＝W－Wf

2－7熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式五穩(wěn)定流動(dòng)開系各種功之間的關(guān)系1

Wt＝1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

2W＝Wt＋Wf3對(duì)簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)：4對(duì)準(zhǔn)平衡過程：§Wt＝§W－§Wf＝pdv－d（pv）=－vdp

2－8能量方程式的應(yīng)用1熱力發(fā)動(dòng)機(jī)Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Wnet=－⊿H＝H1–H2

輸出凈功等于焓的降落

2－8能量方程式的應(yīng)用2噴管

噴管是使氣流加速的設(shè)備。它通常是一個(gè)變截面的流道Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

1/2m⊿cf2=－⊿H＝H1–H2

動(dòng)能增加等于焓的降落

2－8能量方程式的應(yīng)用3氣輪機(jī)葉輪氣流流經(jīng)氣輪機(jī)葉輪上的動(dòng)葉柵，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪回轉(zhuǎn)對(duì)外作功Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Wne

＝1/2m（cf12－cf22）

2－8能量方程式的應(yīng)用4熱交換器電廠中鍋爐、加熱器等換熱設(shè)備均屬于熱交換器Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Q=⊿H＝

H2–H1

得到的熱量等于焓的增加

2－8能量方程式的應(yīng)用5壓氣機(jī)壓氣機(jī)是消耗外功而使氣體升壓的設(shè)備Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

－Wnet=

H