工程熱力學(xué)課件2第一定律

第二章熱力學(xué)第一定律第一節(jié)熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)第二節(jié)能量第三節(jié)封閉系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式第四節(jié)開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式第五節(jié)穩(wěn)定流動能量方程的應(yīng)用第一節(jié)熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)實質(zhì)

正說反說表述一切物質(zhì)都具有能量。能量既不可能創(chuàng)造，也不能消滅，它只能在一定的條件下從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。而在轉(zhuǎn)換中，能量的總量恒定不變。這個定律可以說是“顛撲不破”、“放之四海而皆準(zhǔn)”的真理。因為至今為止，沒有一個人提出一個事實不符合這條自然規(guī)律，

相反，在各個領(lǐng)域：天文、地理、生物、化學(xué)、電磁光；在宏觀、微觀各領(lǐng)域都遵循這條規(guī)律。當(dāng)然我們熱力學(xué)就是研究能量及其特性的科學(xué)，它必然要遵循這條規(guī)律。能量轉(zhuǎn)換與守恒定律

19世紀(jì)30-40年代，許多科學(xué)家前赴后繼，邁爾·焦耳（德國醫(yī)生）最后發(fā)現(xiàn)和確定了能量轉(zhuǎn)換與守恒定律。恩格斯說：能量轉(zhuǎn)換與守恒定律是19世紀(jì)三大發(fā)現(xiàn)之一（細(xì)胞學(xué)說、

達(dá)爾文進(jìn)化論）熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)

能量轉(zhuǎn)換與守恒定律在熱力學(xué)中的應(yīng)用。

熱力學(xué)第一定律的描述

“在任何發(fā)生能量傳遞和轉(zhuǎn)換的熱力過程中，能量的總量始終保持不變”。進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)中儲存能量的增加＝－

“熱力學(xué)第一定律”的建立是在資本主義發(fā)展初期，那時，有人曾提出各式各樣不消耗能量而獲得動力的裝置，稱為第一類“永動機(jī)”，但均失敗了。為什么？因為它違反了“熱一”，故“熱一”的另一形象的說法是“第一類永動機(jī)是不可能制造成功的”（1975年法國科學(xué)院）?！凑f第一類永動機(jī)－實例永動機(jī)的想法起源于印度，公元1200年前后，這種思想從印度傳到了伊斯蘭教世界，并從這里傳到了西方。

在歐洲，早期最著名的一個永動機(jī)設(shè)計方案是十三世紀(jì)時一個叫亨內(nèi)考的法國人提出來的。如圖所示：輪子中央有一個轉(zhuǎn)動軸，輪子邊緣安裝著12個可活動的短桿，每個短桿的一端裝有一個鐵球。方案的設(shè)計者認(rèn)為，右邊的球比左邊的球離軸遠(yuǎn)些，因此，右邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩要比左邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩大。這樣輪子就會永無休止地沿著箭頭所指的方向轉(zhuǎn)動下去，并且?guī)訖C(jī)器轉(zhuǎn)動。這個設(shè)計被不少人以不同的形式復(fù)制出來，但從未實現(xiàn)不停息的轉(zhuǎn)動。

仔細(xì)分析一下就會發(fā)生，雖然右邊每個球產(chǎn)生的力矩大，但是球的個數(shù)少，左邊每個球產(chǎn)生的力矩雖小，但是球的個數(shù)多。于是，輪子不會持續(xù)轉(zhuǎn)動下去而對外做功，只會擺動幾下，便停在右圖中所畫的位置上。

下面的熱力學(xué)系統(tǒng)具有哪些方面的能量?熱力系cfz內(nèi)部能量外部動能外部勢能第二節(jié)能量儲存的能量E

傳遞的能量內(nèi)部儲存能(熱力學(xué)能U）外部儲存能內(nèi)動能uk=f(T)內(nèi)勢能up=f(T,v)動能EK勢能EP能量功熱量總能E=U+Ek+Ep封閉系統(tǒng)，傳遞的能量有兩種：功和熱量1、功

（1）.熱力學(xué)定義：燃?xì)膺M(jìn)口排入大氣當(dāng)封閉系統(tǒng)通過邊界，和外界之間發(fā)生相互作用時，如外界的唯一效果是升起重物，則系統(tǒng)對外界作了功，如外界的唯一效果是降低重物，則外界對系統(tǒng)作了功。真的舉起了一個重物－力學(xué)定義的功。并未舉起重物，只是作用的效果相當(dāng)于或者說可折合為（轉(zhuǎn)化為）一個重物的舉起－功的熱力學(xué)定義。vpFfppoutdxAp1234dv

封閉系統(tǒng)的膨脹功氣缸飛輪熱源左止點右止點12pv續(xù)41

容積功可逆過程的容積功在p—v圖中的表示圖上曲線下面的面積代表容積功1

2

p

v

可逆過程中容積功在ｐ│ｖ圖上的表示*強(qiáng)調(diào)：2.

稱為壓縮功

1.稱為膨脹功

有有有2、熱量熱量是除功以外，通過邊界系統(tǒng)與外界之間傳遞的能量。熱量也是過程量符號規(guī)定：系統(tǒng)從外界吸熱為正；Q>0

系統(tǒng)向外界放熱為負(fù)。Q<0單位：J、kJ示功圖示熱圖項目WQ推動力△p△T標(biāo)志狀態(tài)參數(shù)v狀態(tài)參數(shù)?dv﹥0膨脹功dv

=0無功dv﹤0壓縮功d?

﹥0吸熱

d?

=0絕熱d?

﹤0放熱圖示示功圖示熱圖s項目WQ推動力△p△T標(biāo)志狀態(tài)參數(shù)v狀態(tài)參數(shù)sdv﹥0膨脹功dv

=0無功dv﹤0壓縮功ds﹥0吸熱ds=0絕熱ds﹤0放熱圖示第三節(jié)封閉系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式QW熱源功源單位質(zhì)量工質(zhì)微元過程1.適用于任意工質(zhì)、任意過程，各項為代數(shù)量。2.q、w分別為各個吸熱、作功過程的代數(shù)和。3.U=U2-U1可逆過程：任意工質(zhì)、可逆過程vpB12A

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)時的凈吸熱量和凈功。解:vpB12A是膨脹過程第四節(jié)

開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式質(zhì)量守恒方程力學(xué)定律能量守恒方程一元穩(wěn)定流動一元流動：與流動方向垂直的同一截面上各點工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)和流速都是相同的，工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)和流速僅沿流動方向做一元變化。穩(wěn)定流動：開口系統(tǒng)內(nèi)任一點的狀態(tài)參數(shù)和流速均不隨時間而變化。1kg工質(zhì)：進(jìn)入系統(tǒng)帶入能量：流出系統(tǒng)帶出能量：吸熱：q作功：

ws（可逆過程ws=wi）推動功1.技術(shù)功wt—工程上可以直接利用的功噴氣式發(fā)動機(jī)利用獲得推力；汽輪機(jī)利用帶動螺旋槳；水泵利用來提高水的位能。p1p2v1v2

vP12w準(zhǔn)靜態(tài)過程的技術(shù)功的大小可用過程線左邊的面積來表示2.焓—狀態(tài)參數(shù)比焓J/kg總焓J穩(wěn)定流動能量方程微元過程可逆過程積分形式忽略勢能差第五節(jié)穩(wěn)定流動能量方程的應(yīng)用開口系統(tǒng)的典型設(shè)備:1.換熱器：如鍋爐、冷凝器等2.噴管和擴(kuò)壓管3.產(chǎn)生功的裝置：如蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)4.消耗功的裝置：如泵、壓縮機(jī)5.節(jié)流裝置：如膨脹閥換熱器工程示例一、換熱器(鍋爐)適用于任意工質(zhì)、任意過程.1－流入2－流出Q無轉(zhuǎn)動機(jī)械：1Kg水水蒸氣需q=2090KJ/Kg一般：cf1=1-2m,cf2小于30m/s

故：高度h

小于30m,故：相對于q,動能、位能的增量可以忽略，故：噴管二、噴管和擴(kuò)壓管cf2cf111112222流入流出噴管擴(kuò)壓管cf1流入可