《 热力学定律与定律》由会员分享，可在线阅读，更多相关《 热力学定律与定律（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章 热力学第一定律 与第二定律 ( The First Law and Second Law of Thermodynamics )2018/8/101能量不能产生，也不能消灭；不同形式能量之 间可以相互转换，但能的总量不变 热力学第一定律的普遍表达方式 进入系统的能量 =离开系统的能量 + 系统能量贮存的增量热力学第一定律实质上就是能量守恒和转换定律在热力过程分 析中的应用对任何系统的任何过程都应有如下能量平衡关系：2.1 热力学第一定律的实质 热力学第一定律Date2“作功”和“传热”是系统与外界之间的相互作用两种不同形 式的能量传递过程热变功通常借助工质的容积变化来实现，这种作功模式
2、称作“ 容积功”。膨胀功、压缩功都属于容积功简单可压缩物质可逆过程中只允许容积功一种作功模式 存在的物质。一般的流体属此类物质。 功 “作功”是系统与外界之间的一种能量传递。当系 统对外界的作用可归结为举起重物的单一效果时 ，就说系统对外界作功功是有序能量的传递 2.2 功与热量Date3 简单可压缩物质可逆过程的过程功对1kg工质对12的有限过程式中P气体的压力V气体的容积过程功按照工质在热力过程中的状态变化应有的热变功 功的正负约定 系统对外界作功为正；外界对系统作功为负简单可压缩物质的可逆过程功膨胀功Date4Pv12 过程功在P-v 图上的表示 dv对于12有限变化过程求积结果为图中带
3、阴影线的面积可逆过程的容积功等于P-v图上过 程曲线与横轴v所夹的面积P=f(v)不可逆过程曲线下的面 积不代表过程功过程功与过程路径有关，是过程量过程功的表示Date5某种气体在气缸中进行一缓慢膨胀过程，其 体积由0.1m3增加到0.25m3，过程中气体压力循 P = 0.24 0.4V（PMPa，Vm3）变化。若 过程中气缸与活塞的摩擦保持为1200 N，当地 大气压力为0.1 MPa，气缸截面面积为0.1 m2， 试求:(1)气体所作的膨胀功W；(2)系统输出的有 用功Wu；(3)若活塞与气缸无摩擦，系统输出的 有用功Wu,re。 举例例2-1（习题1-13）wuFrPbDate6解：按
4、题意，认为该气体膨胀为内部可逆过程。 系统输出的有用功系统克服摩擦所作的功： LF = 1.51200 = 1800 J=0.0018 MJ 系统的过程功（气体膨胀功） 活塞移动的距离：Date7系统推挤大气所作的功： PbAL = 0.10.11.5 = 0.015 MJ 因此，气体膨胀过程中系统输出的有用功： Wu = 膨胀功 克服摩擦的功 克服大气压力的功= 0.0255 0.0018 0.015 = 0.0087 MJ 若活塞与气缸无摩擦（过程可逆），则系统输出的有用功为 Wu,re = 0.0255 0.015 = 0.0105 MJ Date8例2-2（习题3-6）F = 100
5、cm2，活塞距底面高度L=10 cm，活塞及 其上负载的总重量是195 kg 。 当地的大气压力Pb = 771 mmHg， 环境温度t0 = 27，气缸内气体恰与外界处于热力平衡。倘使把 活塞上的负载取去100 kg，活塞将上升，最后与外界重新达到热 力平衡。设气体可以通过气缸壁充分和外界换热，所以达到热力 平衡以后，气缸内气体的温度等于环境介质的温度。求活塞上升 的距离、气缸内气体总共所作的功，以及气体与环境的换热量。 气缸（如图示）内充以空气，气缸的截面积习题 3-6Date9解：按题述，气体在外界与系统存在有限压差情况下进行膨胀 ，过程是非准静的，不可逆的 视空气为理想气体。按题给，气
6、体所受外力为 由理想气体状态方程因T1= T2，有 Date10a) 活塞上升的距离 b) 气体克服外力膨胀时总共作功为 c) 因气体温度不变，U=0，由热力学第一定律，气体与环境介 质的换热量为Q = W = 98 J （吸热） Date11传热是系统与外界间的一种相互作用，是系统与外界间依靠 温差进行的一种能量传递现象；所传递的能量称为热量 传热是越过系统边界的能量传递过程 热能和热量不是同一个概念 系统温度的变化与传热并无必然的联系 热能是微观粒子无序紊乱运动的能量；传热是微观粒子间无序 运动能量的传递 热量 热的本质Date12熵的定义式为可逆过程的热量可据下列公式进行计算： 可逆过程
7、的热量计算 热量的正负约定 系统自外界吸热为正；系统对外界放热为负 千卡（大卡 kcal）与kJ之间的换算关系： 1 kcal = 4.1868 kJ 可逆过程中系统吸热熵增大；放热熵减小 Date13T=f(s)Tss1s212 过程热量在T-s 图上的表示 对于12有限变化过程求积结果为图中带阴影线的面积可逆过程的热量等于T-s图上过程 曲线与横轴s所夹的面积不可逆过程曲线下的面 积不代表过程热量过程热量与过程路径有关，是过程量过程热量的表示Date14系统的总能 当系统固定，不作宏观运动时，可不考虑其外观能量这时 系统的能量E 重力位能 宏观动能系统的外观能量系统的总能 = 外观能量 +
8、 热力学能 E = Ek + Ep + UE = U 2.3 控制质量(CM)能量分析Date15WQCM根据热力学第一定律 Q = E + W 若系统固定不动，U=E，则输入能量贮能增量输出能量Q = U + W 对于微元过程 Q = dU + WW广义功控制质量热力过程中吸入热量Q， 对外界作功W， 热力学能增加UU 热力学第一定律基本表达式对1kg工质q = du + w q = u + w以上各式适用于任何工质，任何过程。称作热力学第一定律基 本表达式（第一表达式）导出时式中各项设定为正，实际为代数值，代入数据时应视情 况分别为正、负或为零。Date16对简单可压缩系统可逆过程功： 简
9、单可压缩物质(CM)可逆过程能量方程 对于微元可逆过程有对简单可压缩物质控制质量的可逆过程，有Date17在气缸内装有压缩空气，初始容积为0.28 m3，终了容积为0.99 m3（注：此两条件多余；亦无需气体的压力、温度条件）。飞 机的发射速度为61 m/s，活塞、连杆和飞机的总重量为2722 kg 。设发射过程进行极快，压缩空气和外界间无传热现象，若不 计摩擦力和空气阻力，试求发射过程中压缩空气的热力学能变 化。 举例 例2-3（习题2-6）飞机起飞弹 射装置（附图）Date18解：（仅讨论解题方法） 取气缸内的气体为系统 (CM) Q = U + W 压缩空气与外界无传热，Q = 0，故有
10、：U = W 外界（另一系统）活塞、连杆及飞机忽略金属构件热力学能变化，有能量平衡关系E = mc2= W 两系统间：W = W 故有 U = mc2Date19 取气缸（包括其中的气体） 和飞机为系统(CM) 按题给 Q = 0；W = 0 E = 0 Q = E + W E = U + Ek = 0 Ep=0U = Ek = mc2不计金属构件的热力学能变化系统无重力位能变化Um =0E=U+Um+Ek+Ep00Date20例2-4 分析绝热、刚性容器内气体向真空膨胀（自由膨胀）过程的 能量平衡。 解： 可抽隔板真空CMQ = U + W W = 0 （刚性容器） U = 0，U2 = U
11、1 由 Q = 0 （绝热）故有 若为理想气体，其温度不变抽去隔板，气体向真空膨胀以容器中的气体为系统Date21例2-5（习题2-1）一汽车在1 h内消耗汽油34.1 L，已知汽油的发 热量为44000 kJ/kg，汽油密度为0.75 g/cm3。测得该车通过车轮输 出的功率为64 kW，试求汽车通过排气、水箱散热等各种途径所放 出的热量 解： 认为汽车作恒速运动，其外观能量变化可不予考虑；汽车主 要由金属构件组成，可认为运行中其热力学能不变由热力学第一定律，汽车的能量平衡应为汽油所发出热量与汽 车输出功率及各种散热损失之间的平衡 取汽车为系统0Date22例2-6（习题2-5）夏日为避免阳
12、光直射，密闭门窗，用电扇取凉 ，电扇功率为60W。假定房间内初温为28、压力为0.1MPa，太 阳照射传入的热量为0.1 kW，通过墙壁向外散热1800 kJ/h。室内有 3人，每人每小时向环境散发的热量为418.7 kJ。试求面积为15 m2 、高度为3.0m的室内每小时温度的升高值。已知空气的比热力学能 与温度的关系为u = 0.72|T |K kJ/kg 解： 电扇对室内空气作搅拌功：W = 60 W = 216 kJ/h () 太阳照射传入的热量：Q1 = 0.1 kW = 360kJ/h (+)取室内空气为系统人体向空气散发的热量：Q2 = 3418.7kJ/h = 1256.1 k
13、J/h (+) 通过墙壁向外散热Q3 = 1800 kJ/h ()室内空气的容积：V = 15 3 = 45 m3 室内空气的质量 Date23室内空气每小时所获得的热量 由热力学第一定律 室内空气每小时的比热力学能增量 室内空气每小时的温升Date24PinAinmin即相应应于该该微元流体的推进进功为为PindVininin系统外界 推动功流体在流道中流动时，上、下游流体间 有推动功作用以假想截面将上、下游流体分开考察即将流入系统的微元流体min 若在进进口截面前的流道中该该微元流体占据微小长长度d 进进口截面上系统统的压压力为为Pin 设进设进 口截面面积为积为 Ain微元流体进进入系统
14、时统时 需克服的阻力为为AinPin 式中Aind为为微元流体的体积积dVin外界需对对系统统作推进进功AinPind 推进功 d2.4 稳态稳流能量方程 Date251kg流体流出系统时统时 系统对统对 外界相应应需作推出功Poutvout对对于进进入系统统的1 kg流体，推进功为为Pinvin推动动功取决于进进、出口的状态态推动功推进功、推出功流动功推出功与推进功之差注意：推动动功的表达式是Pv，不是Pdv外界作推动动功过过程中流体的状态态并没有变变化推动动功是由于工质质流进进、流出系统统而引起系统统与外界间间的一种 机械功作用，是因工质质流动动造成的一种能量迁移。工质质本身不拥拥有推动动
15、功Date26 伴随流体流动的能量迁移 流体流动时动时 上下游间间会以推动动功方式交换换能量，此外流体自身 拥拥有的能量当然会伴随一起迁移 CV outininoutzinzout(c,u,v,P)in(c,u,v,P)out进进口截面上流体的状态态 为为(c,P,v,u)in进进口的高度为为zin设设有任意控制容积积出口截面上流体的状态态 为为(c,P,v,u)out出口的高度为为zout伴随流动的能量迁移=推动功+流体拥有的能量伴随流动的能量迁移Date27外界对对系统统作推进进功 (Pv)in流动动能重力位能 热力学能uin1kg流体流入系统时统时 ：因此，伴随1kg流体入流自外界迁入系统统CV outininoutzinzout(c,u,v,P)in(c,u,v,P)out伴随流动的能量迁移自身拥拥有能量必相应应有能量：Date28同理,1kg流体离开系统时：系统对外界作推出功 (Pv)out自身拥有能量流动动能重力位能热力学能uout因此，伴随1kg流体出流从系统内迁出必有相应能量：Date29伴随min kg流体流入伴随mout kg流体流出 热力学状态参数焓（enthalpy） 焓的定义h u + Pv J/kgH U + PV J比焓迁入系统的能量：迁出系统的能量：Date30焓的物理意义 焓是热力学广延参数 焓作为一个热力学
