第1-熱力學(xué)第一定律

1-1系統(tǒng)和平衡狀態(tài)?系統(tǒng)人為分割出來，作為熱力學(xué)研究對象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。?

外界與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。?邊界系統(tǒng)與外界的分界面（線）。1.1.1熱力系統(tǒng)(系統(tǒng)、體系)和外界1）系統(tǒng)與外界的人為性

2）外界與環(huán)境介質(zhì)的關(guān)系

3）邊界可以是：

a）剛性的或可變形的或有彈性的

b）固定的或可移動的

c）實際的或虛擬的注意：1?汽缸-活塞裝置（移動和固定邊界）2?移動和虛構(gòu)邊界31.1.2熱力系分類

按組元數(shù)

單元系多元系按相數(shù)單相系復(fù)相系注意：1）不計恒外力場影響；

2）復(fù)相系未必不均勻—濕蒸汽；單元系未必均勻—氣液平衡分離狀態(tài)。

1.按組元和相4

閉口系（控制質(zhì)量CM）

—沒有質(zhì)量越過邊界

開口系（控制體積CV）

—通過邊界與外界有質(zhì)量交換2.按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換5

1）閉口系與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別；

2）開口系與絕熱系的關(guān)系；

3）孤立系與絕熱系的關(guān)系。注意：4.簡單可壓縮系

—由可壓縮物質(zhì)組成，無化學(xué)反應(yīng)、與外界有交換容積變化功的有限物質(zhì)系統(tǒng)。絕熱系

—與外界無熱量交換;

孤立系

—與外界無任何形式的質(zhì)能交換。3.按能量交換65.熱力系示例1．剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側(cè)設(shè)有電熱絲

紅線內(nèi)——閉口絕熱系黃線內(nèi)不包含電熱絲——閉口系黃線內(nèi)包含電熱絲——閉口絕熱系藍線內(nèi)——孤立系72．剛性絕熱噴管取噴管為系統(tǒng)—開口系絕熱系81.1.3平衡狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)

熱力學(xué)狀態(tài)

—系統(tǒng)宏觀物理狀況的綜合。

1.熱力學(xué)狀態(tài)

無外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)不隨時間而改變的狀態(tài)?熱平衡：在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處溫度相等。?力平衡：在無外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處壓力相等。?熱力平衡的充要條件—系統(tǒng)同時達到熱平衡和力平衡。2.平衡狀態(tài)9討論：1）系統(tǒng)平衡與均勻2）平衡與穩(wěn)定—平衡可不均勻—穩(wěn)定未必平衡102)狀態(tài)的單值函數(shù)。物理上—與過程無關(guān)；數(shù)學(xué)上—其微量是全微分。3)狀態(tài)參數(shù)分類

廣延量

強度量又：廣延量的比性質(zhì)具有強度量特性，如比體積工程熱力學(xué)約定用小寫字母表示單位質(zhì)量參數(shù)。

1)狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的統(tǒng)計平均效應(yīng)，只有平衡態(tài)才有狀參，系統(tǒng)有多個狀態(tài)參數(shù)，如3.狀態(tài)參數(shù)的特性和分類114.系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必要條件

系統(tǒng)兩個狀態(tài)相同的充要條件：

所有狀態(tài)參數(shù)一一對應(yīng)相等簡單可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件：

兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)相等5.狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖

簡單可壓縮系只有兩個獨立參數(shù)，故可用平面坐標(biāo)上一點確定其狀態(tài)，反之任一狀態(tài)可在平面坐標(biāo)上找到對應(yīng)點：pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3OOO121.1.4準(zhǔn)靜態(tài)過程

定義：偏離平衡態(tài)無窮小，隨時恢復(fù)平衡的狀態(tài)變化過程。進行條件：

破壞平衡的勢—

過程進行無限緩慢工質(zhì)有恢復(fù)平衡的能力準(zhǔn)靜態(tài)過程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實線表示無窮小

能量的轉(zhuǎn)化通過工質(zhì)的狀態(tài)變化過程完成，過程是指系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)向另一個平衡狀態(tài)變化時全部狀態(tài)的總合。131.1.5可逆過程定義：系統(tǒng)可經(jīng)原途徑返回原來狀態(tài)而在外界不留下任何變化的過程?？赡孢^程與準(zhǔn)靜態(tài)過程的關(guān)系非準(zhǔn)靜態(tài)不可逆準(zhǔn)靜態(tài)可逆●單純傳熱過程14非準(zhǔn)靜態(tài)過程，不可逆準(zhǔn)靜態(tài)過程，不可逆準(zhǔn)靜態(tài)過程，可逆●作功過程pFfpb1.可逆=準(zhǔn)靜態(tài)+沒有耗散效應(yīng)

2.一切實際過程不可逆

3.可逆過程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實線表示

討論：151.1.6熱力循環(huán)1)

定義：封閉的熱力過程特性：一切狀態(tài)參數(shù)恢復(fù)原值，即2)可逆循環(huán)與不可逆循環(huán)3)

動力循環(huán)（正向循環(huán)）輸出凈功；在p－v圖及T－s圖上順時針進行；膨脹線在壓縮線上方；吸熱線在放熱線上方。164.逆向循環(huán)

▲制冷循環(huán)

▲熱泵循環(huán)

一般地講：輸入凈功；在狀態(tài)參數(shù)圖逆時針運行；吸熱小于放熱。17

動力循環(huán)：熱效率逆向循環(huán)：制冷系數(shù)供暖系數(shù)5.循環(huán)經(jīng)濟性指標(biāo)：181.2.1溫度和溫標(biāo)▲溫度的概念溫度是物質(zhì)的屬性，當(dāng)兩個溫度不同的物體相互接觸時，它們之間將發(fā)生熱量傳遞，若沒有其它物體影響，這兩個物體的溫度將趨于一致，最終將達到溫度相等（熱平衡）。

溫度是熱平衡的判據(jù)。

1-2基本狀態(tài)參數(shù)▲測溫的基礎(chǔ)—熱力學(xué)零定律

如果兩個物體分別與第三個物體處于熱平衡，則這兩個物體彼此也必處于熱平衡。熱力學(xué)第零定律是溫度測量的理論依據(jù)。19溫標(biāo)——溫度的數(shù)值表示法。

建立溫標(biāo)的三個要素：

a.選擇溫度的固定點，規(guī)定其數(shù)值；

b.確定溫度標(biāo)尺的分度方法和單位；

c.選擇某隨溫度變化的物性作為溫度測量的依據(jù)?！鵁崃W(xué)溫標(biāo)和國際攝氏溫標(biāo)

用熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度稱為熱力學(xué)溫度，用符號T

表示，單位為K（開）?！駸崃W(xué)溫標(biāo)（絕對溫標(biāo)）:

英國物理學(xué)家開爾文（Kelvin)在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上建立，也稱開爾文溫標(biāo)。

熱力學(xué)溫標(biāo)取水的三相點為基準(zhǔn)點，并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當(dāng)于水的三相點溫度的1/273.16。20●攝氏溫標(biāo):

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水的冰點溫度為0

℃

，純水的沸點溫度為100℃，純水的三相點（固、液、汽三相平衡共存的狀態(tài)點）溫度為0.01℃

。

瑞典人攝爾修斯（Celsius）于1742年建立。用攝氏溫標(biāo)確定的溫度稱為攝氏溫度，用符號t表示，單位為℃。

選擇水銀的體積作為溫度測量的物性，認(rèn)為其隨溫度線性變化，并將0～100℃溫度下的體積差均分成100份，每份對應(yīng)1℃。

●熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系：

1K=1℃t=T

–273.15K21華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo)華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)附：{T}°R={t}℉

+459.67{t}℃=5/9[{t}℉-32]{t}℉

=9/5{t}℃

+32221.2.2壓力絕對壓力p;表壓力pe（pg）;真空度pv當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b23常用壓力單位：24

如圖，已知大氣壓pb=101325Pa，U型管內(nèi)汞柱高度差H=300mm，氣體表B讀數(shù)為0.2543MPa，求：A室壓力pA及氣壓表A的讀數(shù)peA例題1：解：25261.2.3比體積和密度比體積單位質(zhì)量工質(zhì)的體積密度單位體積工質(zhì)的質(zhì)量兩者關(guān)系:271–3熱力學(xué)能、焓和熵1.3.1熱力學(xué)能和總能UchUnuUthUk平移動能轉(zhuǎn)動動能振動動能Up—▲總（儲存）能總能熱力學(xué)能，內(nèi)部儲存能外部儲存能宏觀動能宏觀位能▲熱力學(xué)能28▲熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)▲熱力學(xué)能單位

▲工程中關(guān)心▲宏觀動能與內(nèi)動能的區(qū)別1.3.2焓1.推動功和流動功推動功：系統(tǒng)引進或排除工質(zhì)傳遞的功量。pvp1v11o29流動功：系統(tǒng)維持流動所花費的代價。推動功在p-v圖上：302.焓定義：H=U+pV

h=u+pv單位：J（kJ）J/kg（kJ/kg）焓是狀態(tài)參數(shù)。物理意義：引進或排出工質(zhì)而輸入或排出系統(tǒng)的總能量。1.3.3熵1.定義2.

熵是狀態(tài)參數(shù)311.4.1功和可逆過程的功

1．功的力學(xué)定義

2．功的熱力學(xué)定義：通過邊界傳遞的能量其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。3．可逆過程功的計算▲功是過程量▲功可以用p-v圖上過程線與v軸包圍的面積表示1-4功和熱量

32

系統(tǒng)對外作功為“+”

外界對系統(tǒng)作功為“-”5．功和功率的單位：附：4．功的符號約定：膨脹：dv>0,w>0壓縮：dv<

0,w<033346．討論有用功概念其中:

W—膨脹功(compression/expansionwork)；

Wl—摩擦耗功；

Wp＿排斥大氣功。pbf例2例3例2：

1kg某種氣態(tài)工質(zhì)，從初態(tài)1可逆膨脹到達終態(tài)2的過程中分別遵循：（2）求：兩過程中各作功多少（a、b、c為常數(shù)）解：（1）（2）（1）可用面積1A2MN1表示可用面積1B2MN1表示功與初、終態(tài)及中間過程有關(guān)！返回35例3：

有一橡皮氣球，當(dāng)其內(nèi)部壓力為0.1MPa（和大氣壓相同）時是自由狀態(tài)，其容積為0.3m3。當(dāng)氣球受太陽照射而氣體受熱時，其容積膨脹一倍而壓力上升到0.15MPa。設(shè)氣球壓力的增加和容積成正比。試求：（1）該膨脹過程的p~f（v）關(guān)系；（2）該過程中氣體作的功；（3）用于克服橡皮球彈力所作的功。1236氣球受太陽照射而升溫必較緩慢，可假定其

，所以關(guān)鍵在于求出p~f（v）解:(1)由題意37（3）（2）返回3839用外部參數(shù)計算不可逆過程的功?401.4.2熱量1．定義：僅僅由于溫差而通過邊界傳遞的能量。2．符號約定：系統(tǒng)吸熱“+”；放熱“-”3．單位：

4．計算式及狀態(tài)參數(shù)圖熱量是過程量（T-s圖上）表示系統(tǒng)吸熱；

，，系統(tǒng)放熱。

，，絕熱，定熵過程。

，，411.4.3熱量與功的異同：

1、均為通過邊界傳遞的能量；3、功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標(biāo)志；熱量傳遞由溫差推動，比熵變化是傳熱的標(biāo)志；

4、功是物系間通過宏觀運動發(fā)生相互作用傳遞的能量；熱是物系間通過紊亂的微粒運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。功2、均為過程量；熱是無條件的；熱功是有條件、限度的。1-5熱力學(xué)第一定律及其解析式一、第一定律的實質(zhì)

能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的應(yīng)用。二、第一定律的表述

熱是能的一種，機械能變熱能，或熱能變機械能的時候，他們之間的比值是一定的?；颍簾峥梢宰?yōu)楣Γσ部梢宰優(yōu)闊?；一定量的熱消失時必定產(chǎn)生相應(yīng)量的功；消耗一定量的功時，必出現(xiàn)與之相應(yīng)量的熱。42三、熱力學(xué)第一定律的解析式

加入系統(tǒng)的能量總和－熱力系統(tǒng)輸出的能量總和=熱力系總儲存能的增量43EE+dE流入：流出：內(nèi)部貯能的增量：dE44或EE+dE45

閉口系，

忽略宏觀動能Ek和位能Ep，第一定律第一解析式—功的基本表達式熱46討論：

1）對于可逆過程2）對于循環(huán)