高等工熱4能量與熱力學(xué)第一定律課件

4能量與熱力學(xué)第一定律4-1熱力學(xué)第一定律及系統(tǒng)的儲(chǔ)存能4-2功和熱4-3閉口系和開口系能量平衡方程4-4瞬變流動(dòng)分析4-1熱力學(xué)第一定律形成歷史

Carnot（1796-1832）：1832他先患猩紅熱，又得了腦膜炎最后死于霍亂，所以幾乎所有研究數(shù)據(jù)都被燒毀了。計(jì)算熱功當(dāng)量的數(shù)值，約365kgw.m/kcal，明確指出熱不是一種物質(zhì)而是一種能量的形成，最早有熱力學(xué)中能量守恒概念。

其弟于其死后46年（1878年）將其部份手稿交給法科學(xué)院。但由于晚了近50年，其間J.R.Mayer和焦耳提出功能互換的原理，不把Carnot視為能量守恒定律的創(chuàng)始人。

J.R.Mayer

J.R.Mayer是一名德國醫(yī)生，但對(duì)行醫(yī)興趣不大，喜歡搞自己的研究。1840年左右，Mayer的第一篇論文寄給德國物理年鑒，文中提出能量守恒和轉(zhuǎn)換的概念，認(rèn)為運(yùn)動(dòng)，熱、電等都可以歸結(jié)為一種力的現(xiàn)象，它們有一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換，但此論文被退回并未發(fā)表。

1842年Mayer不死心又投稿到化學(xué)和藥學(xué)年鑒上，除了重述能量守恒的概念，并提出熱可以作功，功也可以產(chǎn)生熱的能量等價(jià)的觀念，并根據(jù)比熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推出熱功當(dāng)量

1kcal=365kgw.m，此文也未受重視。

1845年自費(fèi)印發(fā)了第三篇論文，明確指出如何計(jì)算熱功當(dāng)量：氣體在等壓膨脹過程中所作的功等于定壓下所吸熱量與定容下所吸的熱量之差。即Cp-Cv=RMayer公式。

因?yàn)镸ayer所用推理方法無法為當(dāng)代人所習(xí)慣，同時(shí)又與焦耳發(fā)生誰是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)能量守恒的人的爭議，加上兩個(gè)小孩先后夭折，一連串打擊導(dǎo)致精神失常，在精神病院受盡折磨。J.P.Joule

花了將近40年的時(shí)間來證明由功轉(zhuǎn)換成熱時(shí)，功和所產(chǎn)生熱之比是一個(gè)恒定的值，即熱功當(dāng)量。從1843年發(fā)表了一系列論文描述

如何測熱功當(dāng)量（當(dāng)時(shí)并未得到重視），到1878年得到當(dāng)量值

423.85kgwm/kcal

=4.154Joule/cal

與現(xiàn)今的標(biāo)準(zhǔn)值誤差在1%之內(nèi)。

R.Clausius

德國科學(xué)家R.Clausius是第一位把熱力學(xué)第一運(yùn)動(dòng)定律用數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來的人。在1850年，Clausius提出

dQ＝du+AdW

熱量Q包括兩部分，其中之一為u，包括添加的自由熱和做內(nèi)功所耗去的熱（如果有內(nèi)功時(shí)）。U與總熱量一樣，是微觀粒子的速度和溫度的函數(shù)。A是熱功當(dāng)量，W是外功。

W.Thomson(LordKelvin)后來將u稱為內(nèi)能。4-1熱力學(xué)第一定律及系統(tǒng)的儲(chǔ)存能1能量轉(zhuǎn)換及守恒條件一切物質(zhì)具有能量能量不能創(chuàng)造也不能消亡，一種形式到另一種形式能量的總量保持不變2熱力學(xué)第一定律能量轉(zhuǎn)換與守恒定律在熱現(xiàn)象中的應(yīng)用3系統(tǒng)的儲(chǔ)存能E內(nèi)能：U

微觀動(dòng)能-分子熱運(yùn)動(dòng)微觀位能-分子吸引化學(xué)能-分子內(nèi)束縛原子原子內(nèi)部的束縛能外部儲(chǔ)存能宏觀動(dòng)能+重力勢能4-2功和熱1功（1）功的熱力學(xué)定義如果系統(tǒng)對(duì)外界的單一效果可歸結(jié)為提升一個(gè)重物，則系統(tǒng)作了功。（2）膨脹功流動(dòng)功系統(tǒng)付諸質(zhì)量遷移做的功（3）表面張力做功σ，表面張力，A表面積（4）可逆極化功

電介質(zhì)的點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)而沿一定方向排列E，電場強(qiáng)度，p，總電矩（5）可逆磁化功

磁偶極子定向H，磁場強(qiáng)度，I，總磁矩可不可以用表面張力的原理來利用太陽能？用廣義功來分析愛情？（6）廣義功（7）總功愛情＝喜歡x付出

喜歡產(chǎn)生動(dòng)力

愛情是過程量，不是狀態(tài)量2熱量熱學(xué)定義物系間由于溫差而傳遞的能量熱力學(xué)定義質(zhì)量不變系統(tǒng)，不做功而通過邊界傳遞的能量3功和熱是過程量4狀態(tài)公理組成不變的平衡閉口系統(tǒng)，

n+1獨(dú)立參數(shù)確定狀態(tài)

n：功交換的數(shù)目

1：熱交換4-3閉口系和開口系的能量方程1閉口系能量方程閉口系：與外界不交換質(zhì)量，控制質(zhì)量能量平衡方程一般形式

閉口系

火箭

燃?xì)鈨?nèi)能→動(dòng)能2開口系能量方程開口系：與外界有質(zhì)量交換，控制容積穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式單股流體非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)多股流體時(shí)3-4瞬變流動(dòng)分析瞬變流動(dòng)流動(dòng)過程中控制容積各處狀態(tài)隨時(shí)間變化單股流體開口系能量方程

忽略重力勢能：積分：充氣與放氣過程單獨(dú)分析不分析過程細(xì)節(jié)分析充放前的平衡態(tài)能量平衡、狀態(tài)方程、質(zhì)量平衡方程一充氣

1剛性容器絕熱充氣（快速充氣）即：（1）由：（2）(1)(2)→（3）積分（2）（3）聯(lián)立（4）若充氣前為真空，則由（4）式代入充氣后溫度為充氣前的K倍2剛性容器等溫充氣（慢速充氣）狀態(tài)方程：積分：能量方程:積分：3非等容絕熱充氣狀態(tài)方程：（a）能量方程（b）代入（a）積分：（a）（b）聯(lián)立：二剛性容器放氣