第三章熱力學(xué)第一定律1VIP

第三章

熱力學(xué)第一定律本章主要內(nèi)容1）熱力學(xué)能和總能2）系統(tǒng)與外界傳遞的能量3）閉口系統(tǒng)能量方程4）開口系統(tǒng)能量方程5）開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程6）穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程的應(yīng)用熱力學(xué)能（內(nèi)儲存能，簡稱內(nèi)能）與系統(tǒng)本身的狀態(tài)有關(guān)的能量外儲存能

與外界有關(guān)的能量§3-1熱力學(xué)能和總能什么是系統(tǒng)的儲存能？系統(tǒng)所具有的能量，是狀態(tài)參數(shù)。內(nèi)動能（移動、轉(zhuǎn)動、振動）與溫度有關(guān)內(nèi)位能（克服分子間相互作用力所形成的）

與比體積有關(guān)一、熱力學(xué)能（內(nèi)能）熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)U:

廣延性參數(shù)[J]

u:

比參數(shù)[J/kg]熱力系統(tǒng)處于宏觀靜止?fàn)顟B(tài)時系統(tǒng)內(nèi)所有微觀粒子所具有的能量之和。思考：對于理想氣體，熱力學(xué)能可認(rèn)為是溫度的單值函數(shù)為什么？因為：理想氣體，分子間不存在相互作用力，沒有內(nèi)位能，熱力學(xué)能僅為內(nèi)動能。注意：計算中熱力學(xué)能總是以變化量出現(xiàn)，熱力學(xué)能的零點可人為定。二、外儲存能

重力位能：系統(tǒng)工質(zhì)與重力場的相互作用所具有的能量。

宏觀動能：以外界為參考坐標(biāo)的系統(tǒng)宏觀運動所具有的能量。外儲存能的實質(zhì)：機械能

三、系統(tǒng)的總能E

=

U

+

Ek

+

Ep對于無宏觀運動，且高度為零的系統(tǒng)

E=U

或e=u內(nèi)儲存能和外儲存能之和

§3-2系統(tǒng)與外界傳遞的能量

功交換(隨物質(zhì)流傳遞的能量)

熱交換系統(tǒng)外界質(zhì)交換(功)

(熱量)

一、熱量

J

定義：在溫差作用下,系統(tǒng)與外界通過邊界傳遞的能量。規(guī)定:特點:與熱力過程特性有關(guān)的過程量系統(tǒng)吸熱熱量為正，系統(tǒng)放熱熱量為負(fù)單位：二、功除溫差以外的其它不平衡勢差所引起的系統(tǒng)與外界傳遞的能量。1、膨脹功W2、軸功Ws在壓差作用下，通過系統(tǒng)工質(zhì)容積變化與外界傳遞的能量。規(guī)定:

系統(tǒng)對外作功為正，外界對系統(tǒng)作功為負(fù)。系統(tǒng)通過機械軸與外界傳遞的機械功定義:膨脹功是熱變功的源泉種類:規(guī)定:

系統(tǒng)輸出軸功為正，外界輸入軸功為負(fù)。熱能轉(zhuǎn)換為機械能通常都是靠軸功實現(xiàn)的§3-3閉口系統(tǒng)能量方程一、閉口系統(tǒng)能量方程表達式某一熱力過程系統(tǒng)總儲存能的變化QW△U能量守恒或單位質(zhì)量工質(zhì)JJ/kg微元熱力過程J/kg或J適用條件：閉口系統(tǒng)、任何工質(zhì)、任何過程?？赡孢^程適用條件：可逆過程熱力學(xué)第一定律的基本方程式二、熱力學(xué)第一定律在循環(huán)過程中的應(yīng)用pv1234過程1-2過程2-3過程3-4過程4-1或閉口系統(tǒng)循環(huán)過程的熱力學(xué)第一定律表達式“第一類永動機”是不可能被制造出來的！三、理想氣體熱力學(xué)能（內(nèi)能）變化計算定容過程理想氣體或適用條件：理想氣體一切過程實際氣體定容過程兩狀態(tài)間內(nèi)能變化混合氣體內(nèi)能例題［例3-1］一定質(zhì)量工質(zhì)，經(jīng)歷一個由四個過程組成的循環(huán)，試填充下表中所缺數(shù)據(jù)，并判斷該循環(huán)是正循環(huán)還是逆循環(huán)。過程Q(kJ)W(kJ)△U(kJ)1-2139002-30-3953-4-100004-10［解］1390395-10005-5kJ>0正循環(huán)［例3-2］有一絕熱剛性容器，有隔板將其分成A、B兩部分，開始時，A中盛有TA=300K，pA=0.1MPa，VA=0.5m3的空氣，B中盛有TB=350K，pB=0.5MPa，VB=0.2m3的空氣。求打開隔板后兩容器達到平衡的溫度和壓力。［解］1.取系統(tǒng)

取整個容器中的氣體為系統(tǒng)，為閉口系統(tǒng)。2.列方程

Q=△U+W

3.簡化

絕熱、剛性容器

Q=0,W=0

△U=0

△UA+△UB=0設(shè)空氣終溫為TmAcv(T-TA)+mBcv(T-TB)=0代入數(shù)據(jù)T=332K求得p=0.214MPa作業(yè)：3-33-63-8對于mkg工質(zhì)：

焓的定義：焓=內(nèi)能+流動功

對于1kg工質(zhì)：h=u+pv回顧與提問閉口系統(tǒng)能量方程：閉口系統(tǒng)循環(huán)過程的熱力學(xué)第一定律表達式理想氣體內(nèi)能變化量計算回顧熱力學(xué)能（內(nèi)能）外儲存能系統(tǒng)儲存能理想氣體宏觀動能重力位能或內(nèi)動能內(nèi)位能總能思考題1．門窗緊閉的房間內(nèi)有一臺電冰箱正在運行,若敞開冰箱的大門就有一股涼氣撲面,感到?jīng)鏊?。于是有人就想通過敞開冰箱大門達到降低室內(nèi)溫度的目的,你認(rèn)為這種想法可行嗎?

2.

既然敞開冰箱大門不能降溫，為什么在門窗緊閉的房間內(nèi)安裝空調(diào)器后卻能使溫度降低呢?練習(xí)題1．物質(zhì)的溫度愈高，所具有的熱量也愈多，對否？2．對工質(zhì)加熱，其溫度反而降低，有否可能？3．對空氣邊壓縮邊進行冷卻，如空氣的放熱量為1kJ，對空氣的壓縮功為6kJ，則此過程中空氣的溫度是升高，還是降低。4．空氣邊吸熱邊膨脹，如吸熱量Q=膨脹功W，則空氣的溫度如何變化。6．試分析下列過程中氣體是吸熱還是放熱(按理想氣體可逆過程考慮)1）壓力遞降的定溫過程。2)容積遞減的定壓過程。3)壓力和容積均增大兩倍的過程。判斷題1．流動功的大小取決于系統(tǒng)進出口的狀態(tài),而與經(jīng)歷的過程無關(guān)。√2．由于Q和W都是過程量,故(Q-W)也是過程量?！?/p>

3．系統(tǒng)經(jīng)歷一個可逆定溫過程，由于溫度沒有變化，故不能與外界交換熱量?！?．無論過程可逆與否，閉口絕熱系統(tǒng)的膨脹功總是等于初、終態(tài)內(nèi)能差。√選擇題1．適用條件為＿＿＿。A理想氣體可逆過程 B理想氣體絕熱過程；C任何工質(zhì)定容過程 D任何工質(zhì)絕熱過程2．貯有空氣的絕熱剛性密閉容器中，安裝有電加熱絲，通電后，如取空氣為系統(tǒng)，則過程中的能量關(guān)系有______A

Q>0 ,ΔU>0,W>0 B

Q=0 ,ΔU>0,W<0C

Q>0 ,ΔU>0,W=0 D

Q=0 ,ΔU=0,W=0

1、在一直徑為50cm的氣缸中，有溫度為185℃、壓力為2.75bar的0.09m3的空氣。氣缸中的活塞承受一定的重量，且假設(shè)活塞移動時沒有摩擦。當(dāng)溫度降低到15℃時,問活塞下降多少距離。對外作了多少功。氣體向外放出多少熱量。(0.17m，-9.19kJ32kJ)

計算題隨物質(zhì)流傳遞的能量1．流動工質(zhì)本身具有的能量2．流動功(或推動功)為推動流體通過控制體界面而傳遞的機械功。推動1kg工質(zhì)進、出控制體所需凈流動功對于開口系統(tǒng)，包括兩部分：

注意:

流動功只取決于控制體進出口界面工質(zhì)的熱力狀態(tài)流動功由水泵、風(fēng)機等流體機械提供隨物質(zhì)流傳遞的總能量：§3-4開口系統(tǒng)能量方程對于mkg工質(zhì)：

焓的定義式：焓=熱力學(xué)能+流動功

焓的物理意義：1．對流動工質(zhì)(開口系統(tǒng))，表示沿流動方向傳遞的總能量中，取決于熱力狀態(tài)的那部分能量。思考：對于理想氣體

h=f(T)

，為什么？對于1kg工質(zhì)：h=u+pv

2對不流動工質(zhì)(閉口系統(tǒng))，焓只是一個復(fù)合狀態(tài)參數(shù)，無明確物理意義。焓及其物理意義§3-4開口系統(tǒng)能量方程1

Ws

Q

m1u1c1p1v1

m2u2c2p2v22dmdEcV不穩(wěn)定流動過程：控制體內(nèi)的質(zhì)量和能量隨時間變化的過程如儲氣罐的充氣或排空過程穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程：控制體內(nèi)的質(zhì)量和能量不隨時間變化，各點參數(shù)保持一定§3-4開口系統(tǒng)能量方程能量守恒:進入控制體的能量-離開控制體的能量=控制體中儲存能的增量進入控制體的能量離開控制體的能量控制體中儲存能的增量:dEcV質(zhì)量守恒:進入控制體的質(zhì)量-離開控制體的質(zhì)量=控制體中質(zhì)量的增量開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達式1

Ws

Q

m1u1c1p1v1

m2u2c2p2v22dmdEcV對于閉口系統(tǒng)系統(tǒng)動能、位能不變例題［例3-3］有一儲氣罐從壓縮空氣總管充氣，總管內(nèi)壓縮空氣的參數(shù)恒定，分別為p1=1MPa，T1=300K。儲氣罐與總管相連的管段上有配氣閥門。充氣前，閥門關(guān)閉著而儲氣罐內(nèi)是真空。閥門開啟后，壓縮空氣進入罐內(nèi)，一直到罐內(nèi)壓力與總管壓力相等。如果罐壁是絕熱的，壓縮空氣認(rèn)為是理想氣體，充氣過程中儲罐內(nèi)氣體狀態(tài)均勻變化。求充氣后儲氣罐內(nèi)空氣的溫度。［解］1.取系統(tǒng)取儲氣罐為控制體，開口系統(tǒng)2.列方程3.簡化1)只進不出，δm2=02)絕熱，δQ=03)不作功，δWs=04)進入系統(tǒng)的動能、位能忽略不計，5)控制體內(nèi)動能與位能沒有變化，dEcV=dUcV=d(mu)cVK回顧開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達式1

Ws

Q

m1u1c1p1v1

m2u2c2p2v22dmdEcV能量守恒:進入控制體的能量-離開控制體的能量=控制體中儲存能的增量§3-5開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程什么是穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流工況？

工質(zhì)以恒定的流量連續(xù)不斷地進出系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部及界面上各點工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)和宏觀運動參數(shù)都保持一定，不隨時間變化，稱為穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流工況。一、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程表達式穩(wěn)流穩(wěn)態(tài)h、c、z不隨時間變化或單位質(zhì)量微元熱力過程——開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程表達式或二、技術(shù)功穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程中的動能變化、位能變化和軸功，是在熱力過程中可被直接利用來作功的能量，統(tǒng)稱為技術(shù)功。微元熱力過程穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程技術(shù)功等于膨脹功與流動功代數(shù)和技術(shù)功、膨脹功與流動功的關(guān)系可逆過程技術(shù)功在示功圖上的表示三、理想氣體焓的變化量計算定壓過程理想氣體或適用條件：理想氣體一切過程實際氣體定壓過程兩狀態(tài)間焓的變化混合氣體的焓［例3-4］氣體在某壓氣機中被壓縮，壓縮前氣體的參數(shù)是p1=100kPa，v1=0.845m3/kg，壓縮后的參數(shù)是p2=800kPa，V2=0.175m3/kg。設(shè)在壓縮過程中每千克氣體的內(nèi)能增加150kJ，同時向外界放出熱量50kJ，壓氣機每分鐘生產(chǎn)壓縮氣體10kg。試求：(1)壓縮過程中對每千克氣體所作的壓縮功；(2)每生產(chǎn)1kg壓縮氣體所需的軸功；(3)帶動此壓氣機要用多大功率的電動機；(4)壓縮前后氣體焓的變化。［解］1.求壓縮功（膨脹功），采用閉口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律。

w=q-△u=-50-150=-200kJ/kg

2.求軸功kJ/kg3.電動機功率kW4.壓縮前后氣體焓的變化△h=△u+△(pv)

=150+(800x0.175-100x0.845)=205.5kJ/kg

一、動力機§3-6穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程的應(yīng)用利用工質(zhì)在機器中膨脹獲得機械功的設(shè)備如，汽輪機12ws簡化