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1、第1章 热力学第一定律,1.1 工程热力学基本概念,工质 实现热能转换为机械能的媒介物质，通常为气体。 热机 将热能转换为机械能的机械装置。 热力系统 热力学所研究的对象。 外界 与热力系统有作用关系的周围物体。 边界 系统与外界的分界面。 闭口系统 热力系统与外界没有物质交换的系统。 开口系统 热力系统与外界有物质交换的系统。,1）系统与外界是人为规定的； 2）外界与环境介质是不同的，前者是抽象概念，后者是物质世界； 3）边界可以是：a）刚性的或可变形的或有弹性的b）固定的或可移动的c）实际的或虚拟的,1.1 工程热力学基本概念,1.1.2 状态及状态参数,热力系统在某一瞬间呈现的全部宏观性
2、质称为状态 描述这种宏观状态的物理量称为状态参数。 热力系统在没有外界作用情况下宏观性质不随时间变化的状态称为平衡状态。 状态参数是宏观量，是大量粒子的平均效应，只有平衡态才有状态参数，系统有多个状态参数。,1.1.2 状态及状态参数,平衡状态的充要条件是： （1）热平衡（2）力平衡（3）相平衡（4）化学平衡,稳定未必平衡,平衡未必均匀,1.1.2 状态及状态参数,气体压力是组成气体的大量分子在紊乱的热运动中对容器壁碰撞的结果，是单位表面积上的垂直作用力 。,1.1.2 状态及状态参数,系统温度表示物体的冷热程度，描述分子热运动强弱的参数。单位质量物质所占有的体积称为比体积 强度量 广延量,广
3、延量具有可加性，广延量的比性质具有强度量特性。,1.1.2 状态及状态参数,宏观静止的物体，其内部的分子、原子等微粒仍在不停地运动着，这种运动称为热运动。物体因物体热运动而具有的能量称为热力学能。 焓 H = U + pV h = u + pv 焓是状态量，表示工质进入或离开系统所携带的总的热力学能。单位：J（kJ） J/kg（kJ/kg）,1.1.3 状态参数的坐标图,为了分析问题的方便，工程上通常采用两个独立状态参数组成坐标图来表示工质所处的状态。 p v图和T s图 热力过程是指热力系统从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和。 如果热力系统从一个平衡状态无摩擦地连续经历一系列
4、平衡的中间状态过渡到另一个平衡状态，这样的过程称可逆过程。 循环是封闭的热力过程。,1.1.3 状态参数的坐标图,可逆过程与准静态过程的关系 1.可逆过程 = 准静态过程 + 没有耗散效应 2.准静态过程描述系统内部平衡，可逆过程描述系统内部及系统与外界作用的总效果。 3.一切实际过程不可逆过程。 4.可逆过程可用状态参数图上实线表示。,1.1.5 功和热量,功是指热力系统通过边界传递的能量，其全部效果可表现为举起重物。 膨胀功，压缩功，体积功,1.1.5 功和热量,热量是指仅仅由于温差而通过边界传递的能量。 是两物体通过微观的分子运动发生相互作用而传递的能量。 传热与否的标志用状态参数熵s表
5、示。,1.1.5 功和热量,热量与功的异同： 1.都是通过边界传递的能量； 2.都是过程量； 3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志； 热量传递由温度差推动，比熵变化是传热的标志； 4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量； 热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。,热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的应用，可以描述为：热能和机械能可以相互转换，且在相互转换过程中，能量的总量保持守恒。 （加入热力系统的能量的总和）-（离开热力系统能量的总和）=（热力系统总能量的增量）,1.2 热力学第一定律,1.2.2 闭口系统的能量方程,（1）公式可用于任何过程，任何工质。
6、（2）Q、W、U为代数值。当热力学能增加时，U 0，当热力学能减少时，U0 。 （3）对可逆循环，因dw= pdv， du= 0，故：,对1 kg工质而言，有： 对微元过程而言，有：,1.2.3 开口系统稳定流动能量方程,开口系统稳定流动方程,开口系统任何流动形式能量普遍关系式的微元形式：,称为技术功，表示技术上可资利用的功。,1.2.3 开口系统稳定流动能量方程,开口系统稳定流动方程,1）第一定律两解析式可相互导出，但只有在开系中能量方程才用焓。 2）通过膨胀，由热能转化为功，,对1 kg工质而言，有： 对微元过程而言，有：,1.2.3 开口系统稳定流动能量方程,例1 大型低速船用发动机的膨
7、胀做功过程可以简化为定压过程，假设活塞上止点气体压力为1MPa，体积为0.35m3，活塞在下止点时体积为1.15m3，膨胀过程中气体热力学能增加了40kcal，试求空气所做的膨胀功及膨胀过程中所需要的热量（1kcal=4.1868kJ）。,1.2.3 开口系统稳定流动能量方程,解：已知p1=1Mpa，v1=0.35m3，p2=p1 (定压)，v2=.15m3，U=U2 U1=40kcal。因为压力一定，所以膨胀功为= 1106Pa(1.15m3 0.35m3)=800kJ 膨胀过程中所需热量为 Q =U2 U1+W =404.1868kJ+800kJ=967.5kJ,理想气体状态方程式,理想气
8、体是指气体的分子本身不具有体积，分子间也没有作用力。 理想气体是实际气体在低压高温时的抽象。,1.3 理想气体的热力性质,1.3.3 理想气体的比热容、热力学能和焓,比热容c（J/kgK）是单位质量的物质在可逆过程中温度升高1（或1K）所吸收或放出的热量,比定容热容,比定压热容,比定容热容、比定压热容是状态参数，是温度的单值函数。,1.3.4 理想气体的熵,熵是微元热量与温度的商，物理意义是系统可逆定温过程与外界交换的热量。,理想气体定值比热容过程熵的变化,1.3.5 理想混合气体,如果混合气体中各组成气体均视为理想气体，则该混合气体就是理想混合气体，它具有理想气体的性质，即在平衡状态下，它的
9、压力、温度和比体积间的关系遵守理想气体状态方程式。,质量成分,体积成分,物质的量成分,三者的关系,1.3.5 理想混合气体,理想混合气体的折合摩尔质量,例如：空气中已知rN2=0.79，rO2=0.21（忽略其他成分），则空气的折合摩尔质量：,1.3.5 理想混合气体,道尔顿分压定律指出：理想混合气体的总压力（p）等于各组成气体分压力（pi）的总和：,亚美格分体积定律指出：理想混合气体总体积（V）等于各组成气体分体积（Vi）总和。,分压力是指相同温度和体积下，组成气体单独具有的压力,分体积是指相同温度和压力下，组成气体单独具有的体积,1.3.5 理想混合气体,例2 在温度为27时，对某发动机的
10、排气进行取样分析，其各种组成的体积成分大概如下：rN2=0.73，rH2O=0.13，rCO=0.12，rO2=0.2，试确定排气的（1）折合摩尔质量（2）质量成分（3）折合气体常数（4）0.5kg混合气的体积（设压力p=1 bar=105 Pa）（5）各组成气体的分压力。,1.3.5 理想混合气体,解：（1）已知体积成分求折合摩尔质量可用式（1-47）计算：,（2）由式（1-45）可计算出各组成质量成分：,1.3.5 理想混合气体,（3）由式（1-48）得混合气折合气体常数：,1.3.5 理想混合气体,（4）由状态方程式pV=mRmT，得：,（5）由式（1-50）导求各组成气体的分压力：,1
11、.3.6 湿空气,水蒸气以外的所有组成气体称为干空气，看作是不变的整体。因此，大气是干空气与水蒸气组成的混合气体。湿空气按理想混合气体进行计算。 绝对湿度是指单位体积的湿空气中所含水蒸气的质量。绝对湿度也就是湿空气中水蒸气的密度。 相对湿度是指湿空气的实际绝对湿度w与相同温度下饱和湿空气的绝对湿度s的比值，用表示，,1.3.6 湿空气,湿空气中1 kg干空气所含有的水蒸气的质量（kg）称为湿空气的含湿量，用符号d表示。,例3 已知图中1、2、3各点在同一等压线上，试比较其v、及d的大小。,解：,湿空气,例4 向充满相对湿度为,的湿空气的刚性容器内充入,干空气，若平衡后容器内温度不变，试分析相对
12、湿度、 含湿量和水蒸汽分压力如何变化。,解：因温度不变，水蒸气体积和质量也不变，所以水蒸气的分压力pv不变，由于ps也不变，所以相对湿度不变，但ma增大，故含湿量d降低,多变过程：满足方程pvn=常数的过程，其中n为常数。,1.4 理想气体的热力过程,比热容为定值,膨胀功和技术功的计算,多变过程热量的计算,称为多变过程比热。,例5 把1kg空气由温度为10，压力为1 bar，体积为0.8m3的状态，按照pV1.3=常数的关系，压缩至压力为7 bar，试求下列各值（1）压缩终点的温度；（2）压缩比v1/v2；（3）压缩所需的功；（4）热力学能的变化；（5）工质与外界交换的热量。 解：（1）由多变
13、过程中状态参数关系式（1-73）可计算出压缩终点的温度,（2）由式（1-71）可计算出压缩比v1/v2：（3）压缩过程所需功量则可由式（1-79）计算，（4）由式（1-74）计算热力学能的变化 u=cv0(T2 T1)=0.716(443.6283)kJ/kg =115kJ/kg,（5）工质与外界交换的热量 q= w+u= 153.7 kJ/kg +115 kJ/kg = 38.7kJ/kg 计算结果表明，空气在该压缩过程中由外界获得了功量，对外放出了热量，并最终使本身压力、温度增加。,1.4.3 四种基本热力过程,通过分析多变过程（pvn=常数）中热功转换的规律，四种基本热力过程的热功转换问题就迎刃而解了，对应不同的基本热力过程问题的各种形式只需将不同的n值代入或按照多变过程的类似的分析方法分析即可。例如对定温过程，已知它是当n=1时的多变过程，所有相应的公式只需将多变过程中的n换成1即可。,定压过程：n=0，斜率定容过程：n=，斜率定温过程：n=1，斜率 等熵过程：n=k，斜率,1.4.3 四种基本热力过程,定压过程：n=0，斜率定容过程：n=，斜率定温过程：n=1，斜率 等熵过程：n=k，斜率,1.4.3 四种基本热力过程,多变过程在p - v图和T - s图的规律定性分析,
