第二章 熱力學(xué)第一定律

第二章熱力學(xué)第一定律第二章熱力學(xué)第一定律1第1頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三關(guān)于永動(dòng)機(jī)問(wèn)題的思考各種永動(dòng)機(jī)問(wèn)題長(zhǎng)期困擾著科技界與社會(huì)第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)—不消耗能量而能對(duì)外連續(xù)作功的機(jī)器。第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)—從單一熱源取熱，并將其全部轉(zhuǎn)變機(jī)械功的機(jī)器（或：熱效率等于100%的機(jī)器）[有關(guān)問(wèn)題在第五章中將詳細(xì)討論]。長(zhǎng)期以來(lái)一直有人在追求、研究各種形式的永動(dòng)機(jī)，無(wú)一有所收獲。希望同學(xué)們樹(shù)立正確的思想方法，不要誤入歧途。幾個(gè)永動(dòng)機(jī)的例子：第2頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三壓力容器壓氣機(jī)從大氣中取氣取回部分功量驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)wp大氣機(jī)第3頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三？？機(jī)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)水分解裝置取回部分功量驅(qū)動(dòng)水分解裝置wH2水某人的永動(dòng)機(jī)構(gòu)思第4頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三課后作業(yè)（小論文，兩個(gè)題目選一）①收集一個(gè)或兩個(gè)永動(dòng)機(jī)例子，說(shuō)明其“設(shè)計(jì)思想和原理”，分析其錯(cuò)誤所在，談?wù)勊斐捎绊懞臀：?。②在閱讀有關(guān)永動(dòng)機(jī)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，寫(xiě)出一篇關(guān)于永動(dòng)機(jī)問(wèn)題的小綜述報(bào)告。通過(guò)這樣一個(gè)活動(dòng)，深刻理解永動(dòng)機(jī)的危害，進(jìn)一步樹(shù)立正確的、科學(xué)的思想方法。第5頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2-2閉口系統(tǒng)能量方程式

能量方程式—熱力過(guò)程中，系統(tǒng)與外界交換的能量及系統(tǒng)本身總能量之間的關(guān)系式。

熱力學(xué)能U/J：系統(tǒng)內(nèi)部各種形式能量的總和。包括：內(nèi)部動(dòng)能—包括分子的移動(dòng)動(dòng)能、轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，分子中原子的振動(dòng)動(dòng)能，溫度越高，內(nèi)部動(dòng)能越大。內(nèi)部位能—由分子間相互作用力形成。大小取決于分子件的距離?；瘜W(xué)能、原子能等。在沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)、核反應(yīng)的物理過(guò)程中，熱力學(xué)能的變化只包括內(nèi)部動(dòng)能和內(nèi)部位能的變化。熱力學(xué)能是個(gè)狀態(tài)參數(shù)。TheenergyequationforControlMass第6頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

比熱力學(xué)能u/(J/kg)：系統(tǒng)的總能量E/J：

比熱力學(xué)能可由任意兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)確定：宏觀動(dòng)能宏觀位能第7頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

閉口系統(tǒng)與外界間可能發(fā)生的能量交換：熱量和功量

一般不作整體位移，Ek與Ep的變化均為零，因此與外界交換能量（功量W、熱量Q）的結(jié)果只是導(dǎo)致熱力學(xué)能U的變化。對(duì)于熱力過(guò)程1-2,有：對(duì)1kg工質(zhì)，有：

式中各項(xiàng)的正負(fù)號(hào)規(guī)定為：系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負(fù)；系統(tǒng)對(duì)外作功為正，外界對(duì)系統(tǒng)作功為負(fù)。上式既適用于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，也適用于非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。對(duì)于微元過(guò)程，有：即：第8頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三對(duì)于無(wú)耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，因此上述諸式可寫(xiě)為：對(duì)1kg工質(zhì)，有：第9頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2-3開(kāi)口系統(tǒng)能量方程物理模型physicsmodelTheenergyequationforControlVolumesTimeτ0Timeτ0＋dτ引起系統(tǒng)內(nèi)部能量變化的原因：質(zhì)量交換和能量交換。第10頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三經(jīng)歷dτ時(shí)間后，系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量變化：由此可得：

該式稱(chēng)為連續(xù)性方程式，它說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)開(kāi)口系統(tǒng)中工質(zhì)質(zhì)量增加的數(shù)量等于流入和流出系統(tǒng)的流量之差。

能量交換的情況：①加入系統(tǒng)的熱量：②系統(tǒng)對(duì)外所作的軸功：推動(dòng)功—推動(dòng)工質(zhì)流入、流出系統(tǒng)所消耗的功量第11頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三出口截面處，系統(tǒng)為推動(dòng)微元工質(zhì)流出系統(tǒng)消耗的推動(dòng)功為：

③于是開(kāi)口系統(tǒng)對(duì)外界輸出的凈推動(dòng)功為：

④過(guò)程中流入、流出系統(tǒng)的工質(zhì)所帶入系統(tǒng)的凈能量為：入口截面處，外界推動(dòng)工質(zhì)流入系統(tǒng)所消耗的推動(dòng)功：（外界對(duì)系統(tǒng)作功）（系統(tǒng)對(duì)外界作功）第12頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三由上述各項(xiàng)能量，可以得到開(kāi)口系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系為：因：而:以及：將其代入上述開(kāi)口系統(tǒng)能量方程式，即有：（2-6a）第13頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2-4穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式Theenergyequationforsteadyanduniformflow一般情況下，能量轉(zhuǎn)換裝置都是在穩(wěn)定條件下工作的。穩(wěn)定狀態(tài)：各點(diǎn)的狀態(tài)不隨時(shí)間變化；穩(wěn)定流動(dòng)：系統(tǒng)內(nèi)各處及進(jìn)出口截面，工質(zhì)的流量和流速不變。系統(tǒng)與外界交換的熱量和功量穩(wěn)定不變。過(guò)程特點(diǎn)：Characteristic:第14頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三將其代入式（2-6a）：取有第15頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三令則有將其稱(chēng)為焓，也是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)：

焓并不能看作是工質(zhì)儲(chǔ)存的能量，而是隨工質(zhì)流動(dòng)跨越邊界而轉(zhuǎn)移的能量。熱力學(xué)能則是工質(zhì)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的唯一形式。由，有：即熱力學(xué)第一定律的另一主要形式。第16頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2-5軸功ShaftWork

由穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式，可得到軸功與其他形式能量之間的關(guān)系為：由：可得：上式說(shuō)明：穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程中開(kāi)口系統(tǒng)所作軸功，是工質(zhì)的容積變化功，在扣除了凈推動(dòng)功以及增加的流動(dòng)動(dòng)能、重力位能之后，通過(guò)邊界輸出的功?？赡孢^(guò)程第17頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三技術(shù)功wt—工程上可以直接利用的機(jī)械能將軸功的表達(dá)式代入上式，即有：忽略宏觀動(dòng)能和位能，則有由上式可知，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的技術(shù)功的大小可用過(guò)程線(xiàn)左邊的面積來(lái)表示。第18頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2-6穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式應(yīng)用舉例一、加熱器或冷卻器heatexchanger二、渦輪機(jī)或壓氣機(jī)Turbines,compressorsandpumps特點(diǎn)：特點(diǎn)：所以有：所以有：Applicationoftheenergyequationofsteadyanduniformflow第19頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、噴管NozzlesandDiffusers四、絕熱節(jié)流ThrottlingDevices(adiabaticprocess)所以有：特點(diǎn)：特點(diǎn)：所以有：第20頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2-1試說(shuō)明熱力學(xué)能的定義及其物理意義。2-2按照熱力學(xué)第一定律能量方程式Q＝ΔU＋W設(shè)式中各項(xiàng)可任意改變其正負(fù)號(hào)，試說(shuō)明相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，并舉一二個(gè)實(shí)例。2-3試說(shuō)明下列三式的物理意義，dU＋δW，dU＋pdV，

dU＋d(pV)它們?nèi)呋蚱渲袃烧吒髟谑裁礂l件下可以彼此相等？2-4試說(shuō)明焓的定義及應(yīng)用于開(kāi)口系統(tǒng)時(shí)的物理意義。2-5何謂穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程？試分析該過(guò)程中工質(zhì)所經(jīng)歷的狀態(tài)變化過(guò)程，與閉口系統(tǒng)中工質(zhì)所經(jīng)歷的狀態(tài)變化過(guò)程的相似之處。思考題第21頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2-6一個(gè)充氣的玩具橡皮氣球放置于一真空容器中。若氣球突然爆破