能量與熱力學(xué)第一定律

第一部分熱力學(xué)基本定律

第一章能量與熱力學(xué)第一定律

本章提要:

本章闡明熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)一一能量守恒，給出了熱力學(xué)第一定律的基本表達式及其對開口系統(tǒng)的表達式，導(dǎo)出了工程上具有重要意義的穩(wěn)定流動能量方程式，簡單介紹了非穩(wěn)定流動的能量方程，舉例說明了熱力學(xué)第一定律在不同工程問題上的具體應(yīng)用。第一部分熱力學(xué)基本定律

第一章能量與熱力學(xué)第一定律

本章要求:1．

深刻認識熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)——能量守恒。

2．了解熱和功是系統(tǒng)與外界交換能量的兩種方式，知道其定義、特性及計算方法。3．掌握熱力學(xué)第一定律能量方程的基本表達式及穩(wěn)定流動能量方程，并對非穩(wěn)定流動能量方程有初步的認識。4．了解熱力學(xué)第一定律對工程實踐的指導(dǎo)作用，能靈活運用能量方程對實際工程中的能量轉(zhuǎn)換過程進行分析、計算和研究。

2－1熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)

一能量轉(zhuǎn)換與守恒定律

自然界一切物質(zhì)都具有能量。能量不可能創(chuàng)造也不可能消滅，而只能在一定條件下從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在轉(zhuǎn)換中能量總量恒定不變

2－1熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)

二幾種說法在任何發(fā)生能量傳遞和轉(zhuǎn)換的熱力過程中，傳遞和轉(zhuǎn)換前后能量的總量維持恒定熱功可以互相轉(zhuǎn)換，但轉(zhuǎn)換前后總量不變永動機是不可能制造成功的

2－2功一功的定義和性質(zhì)1在力學(xué)中的定義物體所受的力及其沿力的方向所產(chǎn)生的位移的乘積功量是過程量，與狀態(tài)量不同，說某狀態(tài)下具有多少功量是毫無意義的。功用W

表示

2－2功一功的定義和性質(zhì)2在熱力學(xué)里的定義功是物系間相互作用而傳遞的能量。當(dāng)系統(tǒng)完成功時，其對外界的作用可用在外界舉起重物的單一效果來代替3功的單位和符號4比功w＝W/m

2－2功三氣體的容積變化功

2－2功三氣體的容積變化功活塞移動dx時所作的功量為

§W=pAdx＝pdV

準平衡過程體積變化功W＝∫pdV

2－2功三氣體的容積變化功幾點說明：1適用于任意準平衡過程，與熱力系的幾何形狀無關(guān)2系統(tǒng)在準平衡過程中完成的功量亦可稱為準靜功。準靜功可以僅通過系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)來描述

3必須知道過程方程式P＝f(V)，才能算出該過程的功量4P－V

圖上可以用面積表示功量，故p-V圖又稱為示功圖5功量是過程量而不是狀態(tài)量6氣體膨脹，dV＞0，功量為正，系統(tǒng)對外做功

2－3熱1定義：熱力系與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱。2熱的傳遞不能像功的傳遞那樣，可以折合為外界重物高度變化的單一效果3是過程量而不是狀態(tài)量，因此說“物體具有多少熱量”及“物體具有多少功量”都是錯誤的4熱力系吸熱時熱量取正號，放熱時取負號

2－4

循環(huán)的第一定律表達式焦耳實驗表明：熱力系經(jīng)歷一循環(huán)過程回到初態(tài)時，系統(tǒng)在整個循環(huán)中從外界吸入(或放出)的熱量等于其對外完成的(或得到的)功量。

2－5

狀態(tài)參數(shù)熱力學(xué)能∮(§Q-§W)=01-A-2和1-C-2是由1到2任意選擇的不同途徑積分的結(jié)果與積分途徑無關(guān)被積函數(shù)必定是某一個態(tài)函數(shù)的全微分用U

表示這個態(tài)函數(shù)dU＝§Q-§W以一定方式儲存于熱力系內(nèi)部的能量叫做系統(tǒng)的熱力學(xué)能(亦稱內(nèi)能)熱力學(xué)能是一個狀態(tài)參數(shù)，可用其它獨立狀態(tài)參數(shù)表示出來

2－6熱力系與外界的物質(zhì)交換

一質(zhì)量守恒方程式穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定流動過程：流道內(nèi)各點流體的熱力狀態(tài)及流動情況不隨時間變化

min=mout

2－6熱力系與外界的物質(zhì)交換

二流動功1

推擠功克服某種作用力，使氣體發(fā)生宏觀位置移動所消耗的功

2

流動功使流體從截面1流入到截面2流出的流動過程中，系統(tǒng)付諸于質(zhì)量遷移所作的功Wf=p2V2-p1V1=△(pV)

2－7熱力學(xué)第一定律的表達式一基本表達式

Q＝⊿U＋W1適用于閉系內(nèi)進行的一切過程(包括各種非平衡過程及準平衡過程)2只涉及到熱力學(xué)能、熱、功的相互轉(zhuǎn)換，是熱力學(xué)的主要研究對象，所以稱基本表達式

2－7熱力學(xué)第一定律的表達式二開系能量方程式最一般的形式：

dEcv=§Q+∑§min(u+pv+1/2c2+gz)in

-∑§mout(u+pv+1/2c2+gz)out-§wnet

dEcv=§Q+∑§min(h+1/2c2+gz)in

-∑§mout(h+1/2c2+gz)out-§wnet

適用于任何工質(zhì)任何過程任何流動

2－7熱力學(xué)第一定律的表達式二開系能量方程式焓的說明：1定義：h=u+pv2物理意義：流動工質(zhì)的熱力學(xué)能和推擠功之和，可以認為是流動工質(zhì)所攜帶的能量3性質(zhì)：是狀態(tài)參數(shù)，是狀態(tài)量4目的：為了計算方便

2－7熱力學(xué)第一定律的表達式三穩(wěn)定流動能量方程式穩(wěn)定流動過程系統(tǒng)與外界的功量和熱量交換情況不隨時間改變，系統(tǒng)內(nèi)各處流體的熱力狀態(tài)和流動情況也不隨時間變化能量方程式Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

適用于任何工質(zhì)，任何過程，穩(wěn)定流動的開系

2－7熱力學(xué)第一定律的表達式四用技術(shù)功Wt表示的穩(wěn)定流動能量方程式

Wt＝1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Q=⊿H+Wt

因為Q＝⊿U＋WQ=⊿H+Wt＝⊿U＋Wf＋Wt

所以Wt＝W－Wf

2－7熱力學(xué)第一定律的表達式五穩(wěn)定流動開系各種功之間的關(guān)系1

Wt＝1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

2W＝Wt＋Wf3對簡單可壓縮系統(tǒng)：4對準平衡過程：§Wt＝§W－§Wf＝pdv－d（pv）=－vdp

2－8能量方程式的應(yīng)用1熱力發(fā)動機Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Wnet=－⊿H＝H1–H2

輸出凈功等于焓的降落

2－8能量方程式的應(yīng)用2噴管

噴管是使氣流加速的設(shè)備。它通常是一個變截面的流道Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

1/2m⊿cf2=－⊿H＝H1–H2

動能增加等于焓的降落

2－8能量方程式的應(yīng)用3氣輪機葉輪氣流流經(jīng)氣輪機葉輪上的動葉柵，推動轉(zhuǎn)輪回轉(zhuǎn)對外作功Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Wne

＝1/2m（cf12－cf22）

2－8能量方程式的應(yīng)用4熱交換器電廠中鍋爐、加熱器等換熱設(shè)備均屬于熱交換器Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Q=⊿H＝

H2–H1

得到的熱量等于焓的增加

2－8能量方程式的應(yīng)用5壓氣機壓氣機是消耗外功而使氣體升壓的設(shè)備Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

－Wnet=

H