第二章-熱力學(xué)第一定律

第二章熱力學(xué)第一定律第一節(jié)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)、內(nèi)能第二節(jié)熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式第三節(jié)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的應(yīng)用第一節(jié)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)、內(nèi)能一、熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)（一）.能量守恒定律

能量無處不在，能量轉(zhuǎn)化無時(shí)不有。那么：⑴常見的能量有那些形式呢？⑵能量的轉(zhuǎn)化是如何實(shí)現(xiàn)的？⑶能量轉(zhuǎn)化遵循什么規(guī)律呢？能量形式實(shí)例機(jī)械能流動(dòng)的河水、被拉開的弓、聲音等電能電器設(shè)備所消耗的的能量都是電能熱能熱源廠、廚房、火電廠等化學(xué)能巧克力、燃料等都儲(chǔ)存有化學(xué)能1.各種各樣的能量1.汽艇在海上行駛——化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能2.用電照明——電能轉(zhuǎn)化為光能（電磁能）3.篝火燃燒——化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能4.原子彈爆炸——核能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能2.能量之間的轉(zhuǎn)化3.能量轉(zhuǎn)化與守恒定律能量轉(zhuǎn)化與守恒定律

自然界一切物質(zhì)都具有能量。能量既不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅，但能夠從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)（一些）物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)（一些）物體，在轉(zhuǎn)化或傳遞的過程中能量的總和始終保持不變?！咀⒁狻浚?）.分析物理過程、求解實(shí)際問題時(shí)，對減少的某種能量，要追蹤它的去向；對增加的能量，要能查尋它的來源?？梢园凑铡翱偟臏p少量=總的增加量”列出數(shù)學(xué)方程。（2）.能源利用實(shí)際就是不同形式能量之間的轉(zhuǎn)換，把不便于人們利用的能量形式轉(zhuǎn)變成便于利用的形式。（二）熱力學(xué)第一定律

熱力學(xué)第一定律實(shí)質(zhì)就是能量守恒和轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象上的應(yīng)用。

表述1：熱可以變?yōu)楣Γσ部梢宰優(yōu)闊?；一定量的熱消滅，必產(chǎn)生一定量的功；消耗一定量的功時(shí)，必出現(xiàn)與之相應(yīng)數(shù)量的熱。

表述2：第一類永動(dòng)機(jī)是造不成的FirstLawofThermodynamicsIn1843,attheageof25,JamesPrescottJouledidaseriesofcarefulexperimentstoprovetheequivalenceofheatandwork.熱一定律在熱力循環(huán)中的應(yīng)用熱力循環(huán)中工質(zhì)接受的凈熱量應(yīng)該等于工質(zhì)對外界所做的凈功：對于1kg工質(zhì)而言例題（P18）一臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，功率7.35kW，燃油消耗率為272.1g/(kW.h)，試求它的廢氣每小時(shí)所排出的熱量。（柴油的發(fā)熱量為43961.4kJ/kg）二、內(nèi)能（internalenergy）定義：工質(zhì)內(nèi)部所具有的各種微觀能量實(shí)質(zhì)：組成物質(zhì)的微觀粒子所具有的能量符號：U，單位：J

或kJ主要包括：（1）內(nèi)動(dòng)能：物質(zhì)內(nèi)部的分子，原子等微觀粒子不停地作熱運(yùn)動(dòng)的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能。是溫度的函數(shù)。（2）內(nèi)位能：由于分子間相互作用力的存在所具有的位能，與氣體的比體積有關(guān)。不考慮內(nèi)動(dòng)能+內(nèi)位能+化學(xué)能+原子核能+電磁能內(nèi)動(dòng)能+內(nèi)位能內(nèi)能（3）化學(xué)能，原子核能，電磁能。

比內(nèi)能：

單位質(zhì)量工質(zhì)的能。符號：u；單位：J/kg

或kJ/kg。

內(nèi)能是溫度和比體積的函數(shù)，即取決于工質(zhì)所處的狀態(tài)，是狀態(tài)參數(shù)。

熱力學(xué)能的大小是相對的。氣體工質(zhì)的比內(nèi)能可表示為

任何狀態(tài)下系統(tǒng)內(nèi)能的數(shù)值不可能為零。由于在工程內(nèi)中只計(jì)算工質(zhì)在狀態(tài)變化中的內(nèi)能的變化量，因此內(nèi)能的零點(diǎn)可以人為地規(guī)定，例如，通常取0K時(shí)氣體的內(nèi)能為零。三、總能熱力系統(tǒng)的儲(chǔ)存能：儲(chǔ)存于熱力系統(tǒng)的能量。

（1）內(nèi)部儲(chǔ)存能———熱力學(xué)能

（2）外部儲(chǔ)存能———宏觀動(dòng)能，宏觀位能。2.宏觀位能：Ep，單位為J或kJ

3.儲(chǔ)存能（總能）：E

，單位為J

或kJ

比儲(chǔ)存能：e，單位為J/kg

或kJ/kg1.宏觀動(dòng)能：Ek

，單位為J或kJ

第二節(jié)熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式能量平衡方程式討論閉口系統(tǒng)、穩(wěn)定流動(dòng)、開口系統(tǒng)三種系統(tǒng)的能量方程一、閉口系統(tǒng)的能量方程（energyequation）熱力系統(tǒng)：取封閉在汽缸活塞系統(tǒng)中的工質(zhì)假設(shè)：

氣缸內(nèi)有1kg工質(zhì)

從外界吸熱q

工質(zhì)由平衡態(tài)1變化到平衡態(tài)2，

對外作功w，

忽略工質(zhì)宏觀動(dòng)能，位能的變化推導(dǎo)

q–w=u=u2-u1或q=w+u對于m工質(zhì)，可寫為：Q=U+W對于微元過程，可寫為：

以上三式都可以稱為閉口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律解析式意義：工質(zhì)吸收的熱量a:一部分用于改變工質(zhì)的內(nèi)能b:另一部分以機(jī)械能的形式傳遞給外界。適用條件：a:

可逆過程，不可逆過程b:

理想氣體，實(shí)際氣體c:

工質(zhì)初，終態(tài)為平衡狀態(tài)膨脹功的概念在狀態(tài)變化過程中，由熱轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的部分始終是q-△u。閉口系統(tǒng)工質(zhì)所做的機(jī)械功也稱為容積變化功或膨脹功注意能量方程中的熱量、功量、內(nèi)能的變化量都是代數(shù)值，根據(jù)熱工轉(zhuǎn)化的實(shí)際情況，可為正值、零、負(fù)值。工程上統(tǒng)一規(guī)定：

吸熱為正、作膨脹功為正、內(nèi)能增加為正

放熱為負(fù)、作壓縮功為負(fù)、內(nèi)能減少為負(fù)使用能量方程時(shí)應(yīng)注意單位的一致性。對于單位質(zhì)量工質(zhì)的可逆過程,

例題P21設(shè)有一定量氣體在氣缸內(nèi)壓縮，容積由1.4m3壓縮到0.9m3，過程中氣體壓力保持常數(shù)且p=100000N/m2。又設(shè)在壓縮過程中氣體的內(nèi)能減少12000J，求此過程中有多少熱量被氣體吸入或放出。二、開口系能量方程

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout能量守恒原則進(jìn)入系統(tǒng)的能量

-離開系統(tǒng)的能量

=系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的變化Energybalanceforopensystem開口系能量方程的推導(dǎo)

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout

Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv這個(gè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不符少了推進(jìn)功推進(jìn)功的表達(dá)式推進(jìn)功（流動(dòng)功、推擠功）pApVdl

W推=p

Adl=pV

w推=pv注意：

不是pdvv沒有變化Flowwork對推進(jìn)功的說明1、與宏觀流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)停止，推進(jìn)功不存在2、作用過程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，無狀態(tài)變化3、w推＝pv與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量4、并非工質(zhì)本身的能量（動(dòng)能、位能）變化引起，而由外界（泵與風(fēng)機(jī)）做出，流動(dòng)工質(zhì)所攜帶的能量可理解為：由于工質(zhì)的進(jìn)出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機(jī)械功，表現(xiàn)為流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)出系統(tǒng)使所攜帶和所傳遞的一種能量開口系能量方程的推導(dǎo)

Wnet

Qpvin

moutuinuoutgzingzout

Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv

minpvout開口系能量方程微分式

Q+min(u+pv+c2/2+gz)in-Wnet

-mout(u+pv+c2/2+gz)out=dEcv工程上常用流率開口系能量方程微分式當(dāng)有多條進(jìn)出口：流動(dòng)時(shí)，總一起存在焓Enthalpy的引入定義：焓h=u+pvhh開口系能量方程焓Enthalpy的說明P23

定義：h=u+pv[kJ/kg]H=U+pV[kJ]1、焓是狀態(tài)量stateproperty2、H為廣延參數(shù)H=U+pV=m(u+pv)=mh

h為比參數(shù)3、對流動(dòng)工質(zhì)，焓代表能量(熱力學(xué)能+推進(jìn)功)

對靜止工質(zhì)，焓不代表能量4、物理意義：開口系中隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶的、取決

于熱力狀態(tài)的能量。三、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout穩(wěn)定流動(dòng)條件（P22)1、2、3、軸功Shaftwork每截面狀態(tài)不變4、Energybalanceforsteady-flowsystems穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)穩(wěn)定流動(dòng)條件0穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的推導(dǎo)1kg工質(zhì)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程適用條件：任何流動(dòng)工質(zhì)任何穩(wěn)定流動(dòng)過程Energybalanceforsteady-flowsystems技術(shù)功Technicalwork動(dòng)能工程技術(shù)上可以直接利用軸功機(jī)械能位能單位質(zhì)量工質(zhì)的開口與閉口wsq穩(wěn)流開口系閉口系(1kg)容積變化功等價(jià)技術(shù)功穩(wěn)流開口與閉口的能量方程容積變化功w技術(shù)功wt閉口穩(wěn)流開口等價(jià)軸功ws推進(jìn)功

(pv)幾種功的關(guān)系？幾種功的關(guān)系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws對功的小結(jié)2、開口系，系統(tǒng)與外界交換的功為軸功ws3、一般情況下忽略動(dòng)、位能的變化1、閉口系，系統(tǒng)與外界交換的功為容積變化功wws

wt準(zhǔn)靜態(tài)下的技術(shù)功準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)熱一律解析式之一熱一律解析式之二技術(shù)功在示功圖上的表示第三節(jié)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程應(yīng)用舉例熱力學(xué)問題經(jīng)常可忽略動(dòng)、位能變化例：c1=1

m/sc2=30

m/s

(c22-c12)/

2=0.449

kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0

oC水的h1=84kJ/kg100oC水蒸氣的h2=2676kJ/kg例1：透平(Turbine)機(jī)械火力發(fā)電核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站燃?xì)鈾C(jī)蒸汽輪機(jī)Steamturbine透平(Turbine)機(jī)械1)體積不大2）流量大3）保溫層q

0ws=-△h

=h1-h2>0輸出的軸功是靠焓降轉(zhuǎn)變的例2：壓縮機(jī)械Compressor火力發(fā)電核電飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)電站壓氣機(jī)水泵制冷空調(diào)壓縮機(jī)火力發(fā)電裝置Steampower鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器壓縮機(jī)械1)體積不大2）流量大3）保溫層q

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