第二章 熱力學第一定律

第二章熱力學第一定律第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2—1熱力系統的儲存能儲存能：儲存在熱力系統的能量。（1）內部儲存能———熱力學能（2）外部儲存能———宏觀動能，宏觀位能。1.熱力學能：組成物質的微觀粒子所具有的能量。熱力學能（internalenergy)主要包括（1）內動能：物質內部分子，原子等微觀粒子不停地作熱運動的熱運動動能，是溫度的函數。（2）內位能：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?；瘜W能，原子核能，電磁能。第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三單位：焦耳J，符號U比熱力學能：單位質量物質的熱力學能，u,J/kg2.熱力學能是溫度和比體積的函數，是狀態(tài)參數。3.熱力學能的大小是相對的。二.宏觀動能和宏觀位能1.宏觀動能：由于宏觀運動速度而具有的動能。EK2.宏觀位能：由于其在重力場中的位置而具有的位能。EP三.總儲存能（storedenergy)總儲存能：系統的熱力學能，宏觀動能，宏觀位能之和，用E表示，單位J，KJ。比儲存能e=u+ek+ep第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2—2熱力學第一定律的實質

(Thefirstlawofthermodynamics)幾種表述表述1：在熱能和其他形式能的互相轉換過程中，能的總量始終不變。表述2：不花費能量就能產生功的第一類永動機（perpetualmotionmachineofthefirstkind)是永遠不可能制造出來的。方程表達式對于任意熱力系統（開口，閉口）進入系統的能量—離開系統的能量=系統儲存能量的變化第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2—3閉口系統的熱力學第一定律表達式一.閉口系統的能量方程（energyequation)選熱力系統：汽缸活塞系統中的工質假設：工質由平衡態(tài)1變化到平衡態(tài)2，從外界吸熱Q，對外作功W，忽略工質狀態(tài)變化過程中的動能，位能變化依據：進入系統能量–離開系統能量=系統儲存能變化量推導：Q–W=UQ=W+U=W+U2-U1——閉口系統能量方程式（熱一解析式）第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三幾點說明：（1）意義：加給工質的熱量a:一部分用于增加工質的熱力學能，b:另一部分以作功的方式傳遞到外界。（2）對1kg工質：q=w+u（3）適用條件：a:可逆過程，不可逆過程b:理想氣體。實際氣體c:工質初，終態(tài)為平衡態(tài)第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三三.幾種形式表達式任意過程Q=U+Wq=u+w任意微元過程Q=dU+Wq=du+w可逆過程Q=U+12pdV

q=u+12pdv4.可逆微元過程Q=dU+pdV

q=du+pdv5.循環(huán)Qnet=wnet第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三同學們：上課鈴聲即將敲響，你們準備好了嗎？！第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三同學們：現在開始上課。請翻開你們的書、筆記本，拿起筆。并請保持課堂安靜。謝謝！第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2—4開口系統的穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動能量方程式注意：（1）工質的熱力狀態(tài)參數及速度在不同截面不同（2）開口系統可以借助工質的流動轉移能量；（3）除了能量平衡外，還必須考慮質量平衡；（4）系統與外界交換的功，除了體積變化功，還有流動功一.穩(wěn)定流動（steadyflow)1.穩(wěn)定流動：熱力系統內部及邊界上各點工質的熱力參數和運動參數不隨時間而改變第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三條件：（1）單位時間流入系統的工質質量等于流出系統的工質質量，保證系統內工質質量流量維持恒定；（2）單位時間內加入系統的凈熱及系統對外做的凈功不隨時間改變，保證系統儲存能量維持不變；（3）工質流過系統內各點的狀態(tài)參數及速度不隨時間改變。二.流動功（flowwork)1.推動功：推動工質流動外界所做的功。表示：外界所作的推動功入口處：p1A1dx=p1dV1=p1v1dm1

出口處：p2A2dx=p2dV2=p2v2dm2

第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三幾點說明：（1）是工質在開口系統中流動而傳遞的能量；流動功：系統為維持工質流動所需的功。

（pv)=p2v2–p1v1（2）只有在工質流動過程中才出現；（3）工質在傳遞流動功時，沒有熱力狀態(tài)的變化，也沒有能量形態(tài)的變化（4）流動功并不是工質本身的能量。是由泵（風機）提供用來維持工質流動，伴隨工質流入，流出系統的能量。第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三三.焓（enthalpy)定義：焓H=U+pVJkJ比焓h=u+pvJ/kgkJ/kg2.幾點說明：（1）物理意義：焓表示隨工質流動而轉移的總能量。（2）焓是一個狀態(tài)參數。（3）焓的基準點可以人為確定。思考：什么條件下，熱力學能和焓可以同時為“零”第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三四.開口系統穩(wěn)定流動能量方程式推導：選開口系統；假設：在時間t內流入：質量m1,,cf1

流出：質量m2,cf2

系統與外界：吸熱Q，對外做軸功Ws

完成過程：工質質量m,總儲存能ECV考察能量平衡：進入系統的能量–離開系統的能量=系統儲存能的變化量

第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三分析：t時間內流入系統的能量；t時間內流出系統的能量；系統儲存能的增量：第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三整理：開口系統穩(wěn)定流動的能量方程式適用條件（1）穩(wěn)定流動（2）可逆過程，不可逆過程第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2.穩(wěn)定流動能量方程式的分析工質機械能的變化為維持工質流動所需流動功工質對機器所作軸功工質吸收熱量工質熱力學能的變化比較：閉口系統能量方程式：第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三說明：（1）無論開口系統，閉口系統，其熱變?yōu)楣Φ膶嵸|是一樣的，都是通過工質體積的膨脹將熱能轉變?yōu)闄C械能，只不過對外表現形式不同。（2）不可利用：流動功可以直接利用：工質動能，位能，工質對機器所作軸功五.技術功定義：在熱力學中，將工程上可以直接利用的動能增量，位能增量，軸功總和稱為----。第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2.W，WS，WT，(pv),的關系

3.可逆過程中技術功表示：坐標圖中的表示：第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三六.開口系統穩(wěn)定流動能量方程式的幾種形式1.任意過程Q=H+Wtq=h+wt

2.任意微元過程Q=dH+Wtq=dh+wt3.可逆過程Q=H-12Vdp

q=h-12vdp4.可逆微元過程Q=dH-Vdp

q=dh-vdp第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三分析判斷：熱力過程中，工質向外界放熱，其溫度必然降低。根據熱力學第一定律，任何循環(huán)的凈熱量等于該循環(huán)的凈功量。工質從同一初態(tài)出發(fā)，分別經歷可逆過程和不可逆過程達到相同的終態(tài)，則兩過程中工質與外界交換的熱量相同。功不是狀態(tài)參數，則熱力學能與推動功之和也不是狀態(tài)參數。焓是狀態(tài)參數，對于閉口系統，其沒有物理意義。流動功的改變量，僅取決于系統進出口處的狀態(tài)，而與工質經歷的過程無關。第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三7.工質所作的膨脹功與技術功，在某種條件下，兩者的數值會相等。封閉熱力系內發(fā)生可逆定容過程，系統一定不對外做容積變化功。氣體膨脹時一定對外作功。工質吸熱后一定會膨脹。自然界中發(fā)生的一切過程，都必須遵循能量守恒定律，反之則不然。第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2—5穩(wěn)定流動能量方程式的應用熱交換器（heatexchange)各種加熱器，冷卻器，散熱器，蒸發(fā)器，冷凝器等。主要表現（1）與外界只有熱量交換，無功量交換，ws=0;（2）動能，位能的變化較小，可忽略cf2=0,z=0能量方程式：說明：q等于換熱器進出口工質比焓的變化。第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三動力機械各種熱力發(fā)動機，如燃氣輪機，蒸汽輪機；主要表現（1）略散熱，近似絕熱過程,q=0;（2）動能，位能的變化較小，可忽略cf2=0,z=0能量方程式：說明（1）對外輸出的軸功等于工質的焓降；（2）此時軸功就是技術功。第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三壓氣機泵，風機。主要表現：（1）略散熱，q為負，近似絕熱過程;（2）動能，位能的變化較小，可忽略cf2=0,z=0能量方程式：說明：工質流經泵或風機時，消耗的軸功等于工質焓的增加。第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三絕熱節(jié)流閥門，孔板流量計等。主要表現：（1）流動是絕熱的；（2）不對外作功；（3）前后兩個截面的動能，位能的變化較小，可忽略cf2=0,z=0。能量方程式：說明（1）節(jié)流前后焓值相等；（2）節(jié)流過程是典型的不可逆過程。第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三噴管收縮型噴管，縮放型噴管（拉瓦爾噴管）主要表現：（1）流經噴管時，速度大，時間短，散熱很小流動近似是