第四章熱力學(xué)第一定律

1、第四章第四章 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)： 深刻理解能量、儲(chǔ)存能、熱力學(xué)能的概念，及深刻理解能量、儲(chǔ)存能、熱力學(xué)能的概念，及熱力學(xué)能、焓的物理意義熱力學(xué)能、焓的物理意義;掌握理想氣體熱力學(xué)掌握理想氣體熱力學(xué)能及焓的變化量的計(jì)算；理解容積功、軸功、能及焓的變化量的計(jì)算；理解容積功、軸功、技術(shù)功、流動(dòng)功等概念技術(shù)功、流動(dòng)功等概念The First Law of Thermodynamics深刻理解熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)深刻理解熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)熟練應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解決具體問(wèn)題熟練應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解決具體問(wèn)題第一節(jié)第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律一、實(shí)質(zhì)：一、實(shí)質(zhì)：“第一

2、類(lèi)永動(dòng)機(jī)第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)(Perpetual motion machine of the first kind)是是不可能不可能制成的制成的”二、熱力學(xué)第一定律的表述：二、熱力學(xué)第一定律的表述：熱能可以從一個(gè)物體熱能可以從一個(gè)物體傳遞傳遞給另一個(gè)物體，也可給另一個(gè)物體，也可以與機(jī)械能或其他能量以與機(jī)械能或其他能量相互轉(zhuǎn)換相互轉(zhuǎn)換，在傳遞和轉(zhuǎn)換，在傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能量的過(guò)程中，能量的總值不變總值不變。 能量能量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換及及守恒守恒定律在熱力過(guò)程中的應(yīng)用定律在熱力過(guò)程中的應(yīng)用輸入系統(tǒng)的輸入系統(tǒng)的能量能量系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出的能量的能量系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的變化量的變化量能能 量量三三、熱力學(xué)第一

3、定律、熱力學(xué)第一定律的一般表達(dá)式的一般表達(dá)式傳遞中的能量傳遞中的能量系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量（一）系統(tǒng)的儲(chǔ)存能（一）系統(tǒng)的儲(chǔ)存能系統(tǒng)儲(chǔ)系統(tǒng)儲(chǔ)存的能存的能量量?jī)?nèi)部?jī)?nèi)部?jī)?chǔ)存能儲(chǔ)存能外部外部?jī)?chǔ)存能儲(chǔ)存能熱力學(xué)熱力學(xué)能能機(jī)械能機(jī)械能 狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)1.1.內(nèi)部?jī)?chǔ)存能內(nèi)部?jī)?chǔ)存能分子動(dòng)能（移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)）分子動(dòng)能（移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)） (T) 分子位能（相互作用）分子位能（相互作用） (v) 內(nèi)能內(nèi)能是狀態(tài)量是狀態(tài)量 U : 廣延參數(shù)廣延參數(shù) kJ u : 比參數(shù)比參數(shù) kJ/kg 內(nèi)能內(nèi)能總以變化量出現(xiàn)，總以變化量出現(xiàn)，內(nèi)能內(nèi)能零點(diǎn)人為定零點(diǎn)人為定說(shuō)明：說(shuō)明：理想氣體理想氣體u=fu=f(T)實(shí)際

4、氣體實(shí)際氣體u=fu=f(T,v)（內(nèi)能）（內(nèi)能）熱力學(xué)能熱力學(xué)能translation rotation vibrationbinding forces系統(tǒng)工質(zhì)系統(tǒng)工質(zhì)與重力場(chǎng)重力場(chǎng)的相互作用相互作用 所具有的能量重力位能重力位能 potential以外界外界為參考坐標(biāo)參考坐標(biāo)的系統(tǒng)宏觀宏觀運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)所具有的能量 宏觀動(dòng)能宏觀動(dòng)能 kinetic 212kgEmwmgzEpmacroscopic forms of energy2.2.外部?jī)?chǔ)存能外部?jī)?chǔ)存能系統(tǒng)總儲(chǔ)存能系統(tǒng)總儲(chǔ)存能 total energyE = U + Ek + Epe = u + ek + ep功功隨物質(zhì)傳遞的能量隨物質(zhì)傳遞的

5、能量 熱量熱量熱源熱源功源功源質(zhì)源質(zhì)源系系統(tǒng)統(tǒng)（二二）系統(tǒng)與外界傳遞的能量系統(tǒng)與外界傳遞的能量 過(guò)程參數(shù)過(guò)程參數(shù) 狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)熱量熱量 kJ 或 kcal 且l kcal=4.1868kJ定義定義：在溫差作用下在溫差作用下,系統(tǒng)與外界通過(guò)界面?zhèn)鬟f的能量系統(tǒng)與外界通過(guò)界面?zhèn)鬟f的能量。規(guī)定規(guī)定:特點(diǎn)特點(diǎn):是傳遞過(guò)程中能量的一種形式，與熱力過(guò)程有關(guān)是傳遞過(guò)程中能量的一種形式，與熱力過(guò)程有關(guān)系統(tǒng)吸熱熱量為正，系統(tǒng)放熱熱量為負(fù)系統(tǒng)吸熱熱量為正，系統(tǒng)放熱熱量為負(fù)單位：?jiǎn)挝唬?TdsqqTds可逆過(guò)程：可逆過(guò)程：功功除溫差以外的其它不平衡勢(shì)差所引起除溫差以外的其它不平衡勢(shì)差所引起的系統(tǒng)與外界傳遞的能量的

6、系統(tǒng)與外界傳遞的能量.容積功容積功W：在力差作用下，通過(guò)系統(tǒng)在力差作用下，通過(guò)系統(tǒng)容積變化容積變化與外界傳遞的能量。與外界傳遞的能量。規(guī)定規(guī)定: 系統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)外對(duì)外作功為作功為正正，外界，外界對(duì)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)作功為作功為負(fù)負(fù)。定義定義:膨脹功是熱變功的源泉膨脹功是熱變功的源泉種類(lèi)種類(lèi):wpdvpdvw可逆過(guò)程：可逆過(guò)程：軸功軸功Ws: Shaft work通過(guò)軸系統(tǒng)與外界傳遞的機(jī)械功通過(guò)軸系統(tǒng)與外界傳遞的機(jī)械功單位單位：l J=l Nm其他準(zhǔn)靜態(tài)功：其他準(zhǔn)靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等拉伸功，表面張力功，電功等隨物質(zhì)傳遞的能量隨物質(zhì)傳遞的能量212gEUmwmgz流動(dòng)工質(zhì)本身流動(dòng)工質(zhì)本身具有的能

7、量具有的能量流動(dòng)功流動(dòng)功(或推動(dòng)功或推動(dòng)功)為為推動(dòng)流體推動(dòng)流體通過(guò)控制體界通過(guò)控制體界面而傳遞的面而傳遞的機(jī)械功機(jī)械功.推進(jìn)功推進(jìn)功（流動(dòng)功、推動(dòng)功）（流動(dòng)功、推動(dòng)功） W推推 = p A dl = pV w推推= pvpApVdl流動(dòng)功與其它功區(qū)別流動(dòng)功與其它功區(qū)別取決于控制體進(jìn)出口界面工質(zhì)的熱力狀態(tài)取決于控制體進(jìn)出口界面工質(zhì)的熱力狀態(tài)對(duì)推進(jìn)功的說(shuō)明對(duì)推進(jìn)功的說(shuō)明1 1、與宏觀與宏觀流動(dòng)流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)停止，推進(jìn)功不存在有關(guān)，流動(dòng)停止，推進(jìn)功不存在2 2、作用過(guò)程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，無(wú)狀態(tài)作用過(guò)程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，無(wú)狀態(tài) 變化變化3 3、w推推pv與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量與所處狀態(tài)

8、有關(guān)，是狀態(tài)量4 4、并非工質(zhì)本身的能量（動(dòng)能、位能）變化并非工質(zhì)本身的能量（動(dòng)能、位能）變化 引起，由外界做出，流動(dòng)工質(zhì)引起，由外界做出，流動(dòng)工質(zhì)所攜帶的能量所攜帶的能量 W Q一般式一般式 Q = dU + W Q = U + W q = du + w q = u + w單位工質(zhì)單位工質(zhì)適用條件：適用條件： 1）任何工質(zhì)）任何工質(zhì) 2) 任何過(guò)程任何過(guò)程Energy balance for closed system第二節(jié)第二節(jié) 閉口系統(tǒng)熱一律表達(dá)式閉口系統(tǒng)熱一律表達(dá)式 系統(tǒng)吸熱：系統(tǒng)吸熱：Q0； 系統(tǒng)放熱：系統(tǒng)放熱： Q 0。 系統(tǒng)對(duì)外做功：系統(tǒng)對(duì)外做功：W 0； 外界對(duì)系統(tǒng)做功：外界對(duì)

9、系統(tǒng)做功： W0 系統(tǒng)內(nèi)能增加：系統(tǒng)內(nèi)能增加： U 0； 系統(tǒng)內(nèi)能減少：系統(tǒng)內(nèi)能減少： U 0功功 （ w） 是廣義功是廣義功 閉口系與外界交換的功量閉口系與外界交換的功量容積功容積功 pdv拉伸功拉伸功 w拉伸拉伸= - dl表面張力功表面張力功 w表面張力表面張力= - dA w = pdv - dl - dA +.簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng) w =pdv w = pdv可逆過(guò)程可逆過(guò)程 q = Tds適用于適用于任何工質(zhì)任何工質(zhì) 、可逆過(guò)程、可逆過(guò)程的熱一律表達(dá)式的熱一律表達(dá)式任何工質(zhì)、可逆過(guò)程任何工質(zhì)、可逆過(guò)程 q = du + pdv q = u + pdvTds = du + p

10、dv Tds = u + pdv單位工質(zhì)單位工質(zhì)理想氣體內(nèi)能變化計(jì)算理想氣體內(nèi)能變化計(jì)算Tcuvvuq 適用于理想氣體理想氣體一切一切過(guò)程或者實(shí)際氣體實(shí)際氣體定容定容過(guò)程 用定值比熱計(jì)算用定值比熱計(jì)算:102000121221tctcdtcdtcdtcutvmtvmtvtvttv用平均比熱計(jì)算用平均比熱計(jì)算:Tcuvmq = u + w定定容容過(guò)程: 0w 適用于適用于理想氣體理想氣體 、任意過(guò)程任意過(guò)程的熱一律表達(dá)式的熱一律表達(dá)式 q = cvdT + w q = cv T+ w單位工質(zhì)單位工質(zhì) q = cvdT+ pdv q = cv T+ pdvTds = cvdT + pdv Tds

11、= cv T + pdv單位工質(zhì)單位工質(zhì)適用于適用于理想氣體理想氣體 、可逆過(guò)程可逆過(guò)程的熱一律表達(dá)式的熱一律表達(dá)式1 250 kJ AQ2110 kJUU2 15 kJBW 例1 ： 有一定質(zhì)量的工質(zhì)從狀態(tài)1沿1A2到達(dá)終態(tài)2，又沿2B1回到初態(tài)1，并且試判斷沿過(guò)程1A2工質(zhì)是膨脹還是壓縮，并且求工質(zhì)沿1A2B1回到初態(tài)時(shí)的凈吸熱量和對(duì)外作的凈功。 解：（1）在1A2過(guò)程中1 21 221()50 1040(kJ)AAWQUU1 20AW2 1122 1()10515(kJ)BBQUUW 1 22 150 1535(kJ)ABQQQ110UUU35 kJWQUQ因?yàn)椋?）在2B1過(guò)程中工質(zhì)沿

12、1A2B1回到初態(tài)時(shí)的凈吸熱量為：工質(zhì)沿1A2B1回到初態(tài)時(shí)的凈功為所以系統(tǒng)對(duì)外界做功，工質(zhì)膨脹。由于工質(zhì)沿1A2B1回到初態(tài)系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)循環(huán)，內(nèi)能變化量為以房間為以房間為系統(tǒng)系統(tǒng) 絕熱閉口系絕熱閉口系閉口系能量方程閉口系能量方程T電電冰冰箱箱QUW 0Q 0W 0UW 例例2 ：門(mén)窗緊閉的房間內(nèi)有一臺(tái)電冰箱正在運(yùn)行,若敞開(kāi)冰箱的大門(mén)就有一股涼氣撲面,感到?jīng)鏊?。于是有人就想通過(guò)敞開(kāi)冰箱大門(mén)達(dá)到降低室內(nèi)溫度的目的,你認(rèn)為這種想法可行嗎?解：解：閉口系閉口系T空空調(diào)調(diào) Q以房間為以房間為系統(tǒng)系統(tǒng) 閉口系能量方程閉口系能量方程QUW 0Q 0W 0UQW解：解：例例3 ：為什么在門(mén)窗緊閉的房間內(nèi)安

13、裝空調(diào)器后卻能使溫度降低呢? 0QW課堂總結(jié)課堂總結(jié)能能 量量傳遞中傳遞中的能量的能量系統(tǒng)儲(chǔ)存系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量的能量?jī)?nèi)部?jī)?chǔ)存能內(nèi)部?jī)?chǔ)存能(熱力學(xué)能熱力學(xué)能)外部外部?jī)?chǔ)存能儲(chǔ)存能理想氣體熱力學(xué)能的變化量理想氣體熱力學(xué)能的變化量熱力學(xué)第一定律實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第一定律實(shí)質(zhì)表達(dá)式表達(dá)式1討論下列問(wèn)題：1) 氣體吸熱的過(guò)程是否一定是升溫的過(guò)程。2) 氣體放熱的過(guò)程是否一定是降溫的過(guò)程。3) 能否以氣體溫度的變化量來(lái)判斷過(guò)程中氣體是吸熱還是放熱。2. 對(duì)工質(zhì)加熱，其溫度反而降低，有否可能？3對(duì)空氣邊壓縮邊進(jìn)行冷卻，如空氣的放熱量為1kJ，對(duì)空氣的壓縮功為6kJ，則此過(guò)程中空氣的溫度是升高，還是降低。4 空氣邊吸熱

14、邊膨脹，如吸熱量Q=膨脹功，則空氣的溫度如何變化。課堂練習(xí)課堂練習(xí)4 空氣邊吸熱邊膨脹，如吸熱量Q=膨脹功，則空氣的溫度如何變化。5試分析下列過(guò)程中氣體是吸熱還是放熱(按理想氣體可逆過(guò)程考慮)1) 壓力遞降的定溫過(guò)程。2) 容積遞減的定壓過(guò)程。3) 壓力和容積均增大兩倍的過(guò)程。第三節(jié)第三節(jié) 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程穩(wěn)定流動(dòng)能量方程穩(wěn)定流動(dòng)：穩(wěn)定流動(dòng)：工質(zhì)流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)狀況不隨時(shí)間改變工質(zhì)流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)狀況不隨時(shí)間改變Energy balance for steady-flow systems112z1zq22sw11,pv22,pv0011,guw22,guw穩(wěn)定流動(dòng)條件穩(wěn)定流動(dòng)條件12mmmsWCons

15、tqConst22222212sgwup vwgzhupv221112221122gsgqhwgzwhwgz212sgqwhwg z 211 11112gqup vwgz一、開(kāi)口一、開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程能量守恒原則能量守恒原則:進(jìn)入系統(tǒng)的能量進(jìn)入系統(tǒng)的能量- -離開(kāi)系統(tǒng)的能量離開(kāi)系統(tǒng)的能量= =系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的變化系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的變化 h的物理意義開(kāi)口系中隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶的、取決于開(kāi)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。熱力狀態(tài)的能量。112z1zq22sw11,pv22,pv0011,guw22,guw穩(wěn)定流動(dòng)能量方程穩(wěn)定流動(dòng)能量方程適用條件：適用條件：任何流動(dòng)

16、工質(zhì)任何流動(dòng)工質(zhì)任何穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程任何穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程212gsqhwg zw 動(dòng)能動(dòng)能工程技術(shù)上可以直接利用的機(jī)械能工程技術(shù)上可以直接利用的機(jī)械能軸功軸功位能位能tqhw 二、技術(shù)二、技術(shù)功功 technology work2t12gswwg zw t()tqhwupvw quw ()twpvw 三、三、Wt與與W的關(guān)系的關(guān)系wwt(pv)wg2/2wsgz做功的根源做功的根源等價(jià)等價(jià)pv12o3456dp vdv p四、四、可逆過(guò)程的技術(shù)功可逆過(guò)程的技術(shù)功()twpvw ()twd pvw()tpdvd pvw()()twpdvd pvpdvpdvvdpvdp twvdp twvdp P增大，w

17、t0技術(shù)功是過(guò)程函數(shù)技術(shù)功是過(guò)程函數(shù) 注意：注意：五、五、理想氣體的焓理想氣體的焓hupvuRT( )hf T( , )hf T p實(shí)際氣體實(shí)際氣體理想氣體理想氣體h只與只與T有關(guān)有關(guān)理想氣體焓變化計(jì)算理想氣體焓變化計(jì)算phcT 適用于理想氣體理想氣體一切一切過(guò)程或者實(shí)際氣體實(shí)際氣體定壓定壓過(guò)程 用定值比熱計(jì)算用定值比熱計(jì)算:221211020100tttttppppmpmthc dtc dtc dtctct 用平均比熱計(jì)算用平均比熱計(jì)算:pmhcT 用真實(shí)比熱計(jì)算用真實(shí)比熱計(jì)算:21pTThc dT phqq = h + wt定壓定壓過(guò)程: 0tw q = cpdT + wt q = cp

18、T+ wt單位工質(zhì)單位工質(zhì)適用于適用于理想氣體理想氣體 、任意過(guò)程任意過(guò)程的熱一的熱一律表達(dá)式律表達(dá)式對(duì)于開(kāi)口系統(tǒng)對(duì)于開(kāi)口系統(tǒng)： q = cpdT- vdpq = cp T- vdpTds = cpdT - vdp Tds = cp T - vdp單位質(zhì)量的理單位質(zhì)量的理想氣體、可逆過(guò)想氣體、可逆過(guò)程程開(kāi)口系統(tǒng)熱一律表達(dá)式開(kāi)口系統(tǒng)熱一律表達(dá)式1. 的適用范圍是 _。 A理想工質(zhì)，封閉系統(tǒng) B任意工質(zhì)，封閉系統(tǒng) C理想工質(zhì)，開(kāi)口系統(tǒng) D任意工質(zhì)，開(kāi)口系統(tǒng) 2 的適用范圍是_。 A開(kāi)口系統(tǒng)，可逆過(guò)程 B封閉系統(tǒng)，可逆過(guò)程 C開(kāi)口系統(tǒng)，任意過(guò)程 D封閉系統(tǒng)，任意過(guò)程dddqhv pdddqup v課

19、堂練習(xí)課堂練習(xí)4.試分析下列過(guò)程中氣體是吸熱還是放熱(按理想氣體可逆過(guò)程考慮)1) 壓力遞降的定溫過(guò)程。2) 容積遞減的定壓過(guò)程。3) 壓力和容積均增大兩倍的過(guò)程。3開(kāi)口系統(tǒng)的工質(zhì)在可逆流動(dòng)過(guò)程中，如壓力降低，則_。 A系統(tǒng)對(duì)外做技術(shù)功 B外界對(duì)系統(tǒng)做技術(shù)功 C系統(tǒng)與外界無(wú)技術(shù)功的交換 D無(wú)法確定課堂總結(jié)課堂總結(jié)理想氣體焓理想氣體焓的變化量的變化量穩(wěn)定穩(wěn)定流動(dòng)流動(dòng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程穩(wěn)定流動(dòng)能量方程技術(shù)技術(shù)功功第四節(jié)第四節(jié) 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的應(yīng)用穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的應(yīng)用一、換熱器一、換熱器Heat Exchangers1、定義：實(shí)現(xiàn)冷熱流體熱量交換的設(shè)備。2、應(yīng)用：鍋爐、蒸發(fā)器、冷凝器、空氣冷卻器。

20、3、特點(diǎn)：（1）工質(zhì)與外界只有熱量交換，沒(méi)有功的交換。（2）進(jìn)出口工質(zhì)的動(dòng)能變化忽略不計(jì)，4、q= h=h2-h15、可逆流動(dòng)：定壓過(guò)程。二、噴管和擴(kuò)壓管二、噴管和擴(kuò)壓管Nozzles and Diffusers 1、定義：（1）噴管：利用流體壓降使流體加速的設(shè)備。（2）擴(kuò)壓管：利用流體流速降低使流體壓力升高的設(shè)備。2、特點(diǎn)：（1）可簡(jiǎn)化為一元穩(wěn)定流動(dòng)；（2）與外界無(wú)軸功ws交換；（3）無(wú)外界熱量交換可忽略。（1）噴管：wg2wg1，h2h1。工質(zhì)流經(jīng)噴管動(dòng)能的增加全部來(lái)自于焓值的減少。（2）擴(kuò)壓管： wg2 wg1， h2 h1。工質(zhì)流經(jīng)擴(kuò)壓管焓值的增加全部來(lái)自于動(dòng)能的減少。 2 221121()2ggwwhh三、渦輪機(jī)三、渦輪機(jī)Turbine和壓氣機(jī)和壓氣機(jī)Compressor1、定義：（1）渦輪機(jī)：工質(zhì)膨脹推動(dòng)葉輪輸出機(jī)械功。（2）壓氣機(jī)：消耗機(jī)械功壓縮工質(zhì)。2、特點(diǎn)：（1）工質(zhì)與外界只有機(jī)械功的交換，沒(méi)有熱量的交換。（2）進(jìn)出口工質(zhì)動(dòng)能的變化可以忽略不計(jì)。3、Ws=h1-h24、（1）渦輪機(jī)：Ws 0，h1 h2。渦輪機(jī)輸出的軸功來(lái)自于工質(zhì)焓的減少。（2）壓氣機(jī)：Ws 0，h1 h2。壓氣機(jī)消耗的軸功用于增加工質(zhì)的焓。四、絕熱節(jié)流四、絕熱節(jié)流Th