二章节热力学一定律

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1、第二章第二章热力学第一定律热力学第一定律The First Law of Thermodynamics目录2-1 热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质2-2 2-2 热一律的推论热一律的推论内能内能2-3 闭口系能量方程闭口系能量方程2-4 开口系能量方程开口系能量方程2-5 稳定流动能量方程稳定流动能量方程2-6 2-6 稳定流动能量方程应用举例稳定流动能量方程应用举例2-1 热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质 1909年，年，C. Caratheodory最后完善热一律最后完善热一律本质：本质：能量转换及守恒定律能量转换及守恒定律在热过程中的应用在热过程中的应用 18世纪初，工业

2、革命，热效率只有世纪初，工业革命，热效率只有1% 1842年，年，J.R. Mayer（德国）（德国）阐述热一律，阐述热一律，但没有引起重视但没有引起重视 1840-1849年年，Joule（英国）（英国）用多种实验的用多种实验的一致性证明热一律，于一致性证明热一律，于1950年发表并得到公认年发表并得到公认焦耳实验焦耳实验1、重物下降，输重物下降，输 入功，绝热容入功，绝热容 器内气体器内气体 T 2、绝热去掉，气绝热去掉，气 体体 T ，放出放出 热给水热给水，T 恢复恢复 原温。原温。焦耳实验焦耳实验水温升高可测得水温升高可测得热量热量， 重物下降可测得重物下降可测得功功热功当量热功当量

3、1 cal = 4.1868 kJ工质经历循环工质经历循环:Mechanical equivalent of heat闭口系循环的热一律表达式闭口系循环的热一律表达式要想得到要想得到功功，必须花费，必须花费热能热能或或其它能量其它能量热一律热一律又可表述为又可表述为“第一类永动机是第一类永动机是 不可能制成的不可能制成的”Q第一类永动机第一类永动机锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器WnetQout电电加加热热器器内能的导出内能的导出对于循环对于循环1a2c1对于循环对于循环1b2c1状态参数状态参数pV12abc2-2 2-2 热一律的推论热一律的推论内能内能内能及闭口内

4、能及闭口系热一律表达式系热一律表达式定义定义 dU = Q - W 内能内能U 状态状态参数参数 Q = dU + WQ = U + W闭口系闭口系热一律表达式热一律表达式！两种特例两种特例 绝功系绝功系 Q = dU 绝热系绝热系 W = - dU内能内能U 的的物理意义物理意义dU = Q - W W Q dU 代表某微元过程中系统通过边界代表某微元过程中系统通过边界交换的交换的微热量微热量与与微功量微功量两者之差值，也两者之差值，也即即系统内部能量系统内部能量的变化。的变化。 U U 代表储存于系统代表储存于系统内部的能量内部的能量 内储存能（内储存能（内能或热力学能）内能或热力学能）内

5、能的微观组成内能的微观组成分子动能分子动能分子位能分子位能化学能化学能核能核能内能内能 移动移动转动转动振动振动系统总能系统总能 total energy外部储存能外部储存能宏观动能宏观动能 Ek= mc2/2宏观位能宏观位能 Ep= mgz机械能机械能系统总能系统总能E = U + Ek + Epe = u + ek + ep一般与系统同坐标，常用一般与系统同坐标，常用U, dU, u, du内能的说明内能的说明 内能内能是状态量是状态量 U : : 广延参数广延参数 kJ u : : 比参数比参数 kJ/kg 内能内能总以变化量出现，总以变化量出现，内能内能零点人为定零点人为定热一律的文字

6、表达式热一律的文字表达式热力学第一定律热力学第一定律: 能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律=进入进入系统系统的的能量能量离开离开系统系统的的能量能量系统系统内部储存内部储存能量能量的的变化变化-2-3 闭口系能量方程闭口系能量方程 W Q一般式一般式 Q = dU + W Q = U + W q = du + w q = u + w单位工质单位工质适用条件：适用条件： 1）任何工质）任何工质 2) 任何过程任何过程闭口系能量方程中的功闭口系能量方程中的功功功 （ w） 是广义功是广义功 闭口系与外界交换的功量闭口系与外界交换的功量 q = du + w准静态容积变化功准静态容积变化功 pdv

7、拉伸功拉伸功 w拉伸拉伸= - dl表面张力功表面张力功 w表面张力表面张力= - dA w = pdv - dl - dA +.闭口系能量方程的通式闭口系能量方程的通式 q = du + w若在地球上研究飞行器若在地球上研究飞行器 q = de + w = du + dek + dep + w 工程热力学用此式较少工程热力学用此式较少应用示例已知：孤立系已知：孤立系求：求： 能量方程能量方程解：解： Q Q = = U U+ +W W Q Q= 0= 0；W W = 0= 0 U U = 0= 0准静态和可逆闭口系能量方程准静态和可逆闭口系能量方程1.简单可压缩系简单可压缩系准静态过程准静态

8、过程 w = pdv2.简单可压缩系简单可压缩系可逆过程可逆过程 q = Tds q = du + pdv q = u + pdv热一律解析式之一热一律解析式之一Tds = du + pdv Tds = u + pdv热力学恒等式热力学恒等式打开冰箱凉快一下打开冰箱凉快一下一直敞开冰箱门一直敞开冰箱门 能制冷整个房间能制冷整个房间吗？吗？思考：思考：门窗紧闭房间用电冰箱降温门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为以房间为系统系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程T电电冰冰箱箱RefrigeratorIcebox门窗紧闭房间用空调降温门窗紧闭房间用空调降温以房间为以房间为系统系统 闭口系

9、闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程T空空调调 QAir-conditioner例例 自由膨胀自由膨胀如如图，图，解：取气体为热力系解：取气体为热力系 闭口系闭口系？开口系开口系？强调：强调：功是通过边界传递的能量。功是通过边界传递的能量。抽去隔板，求抽去隔板，求 2-4 开口系能量方程开口系能量方程 Wi Q min moutuinuoutgzingzout能量守恒原则能量守恒原则进入进入系统的系统的能量能量- -离开离开系统的系统的能量能量= =系统系统储存能量储存能量的的变化变化开口系能量方程的推导开口系能量方程的推导 Wi Q min moutuinuoutgzingzout Q + m

10、in(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wi = dEcv这个结果与实验这个结果与实验不符不符少了少了推进功推进功推进功的表达式推进功的表达式推进功推进功pApVdl W推推 = p A dl = pV w推推= pv注意：注意： 不是不是 pdv v 没有变化没有变化Flow work回顾：回顾：热一律的文字表达式热一律的文字表达式热力学第一定律热力学第一定律: 能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律=进入进入系统系统的的能量能量离开离开系统系统的的能量能量系统系统内部储存内部储存能量能量的的变化变化-回顾：回顾： 闭口系能量方程闭口系能量方

11、程一般式一般式 Q = dU + W Q = U + W q = du + w q = u + w单位工质单位工质适用条件：适用条件： 1）任何工质）任何工质 2) 任何过程任何过程回顾：对推进功的说明回顾：对推进功的说明1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推进功不存在有关，流动停止，推进功不存在2 2、作用过程中，工质仅发生作用过程中，工质仅发生位置位置变化，无状态变化变化，无状态变化3 3、w推推pv与所处状态有关，是与所处状态有关，是状态量状态量4 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界（泵与风机）做出，流动工质所而由外界

12、（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量携带的能量可理解为：可理解为：由于工质的进出，外界与系统之由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种间所传递的一种机械功机械功，表现为流动工质进，表现为流动工质进出系统使所出系统使所携带携带和所和所传递传递的一种的一种能量能量开口系能量方程的推导开口系能量方程的推导 Wi Qpvin moutuinuoutgzingzout Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wi = dEcv minpvout开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式 Q + min(u + pv+c2/2 + gz)in

13、 - Wi- mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv工程上常用工程上常用流率流率开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式当有多条进出口：当有多条进出口：流动时，总一起存在流动时，总一起存在焓焓Enthalpy的引入的引入定义：定义：焓焓 h = u + pvhh开口系能量方程开口系能量方程焓焓Enthalpy的的 说明说明 定义：定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 1、焓焓是状态量是状态量2、H为广延参数为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh h为比参数为比参数3、对流动工质，对流动工质，焓焓代表能量代表能量(内能内能+推进

14、功推进功) 对静止工质，对静止工质，焓焓不代表不代表能量能量4 4、物理意义：开口系中随工质物理意义：开口系中随工质流动而携带流动而携带的、取决的、取决 于热力状态的于热力状态的能量能量。2-5 稳定流动能量方程稳定流动能量方程 Wi Q min moutuinuoutgzingzout稳定流动条件稳定流动条件1、2、3、每截面状态不变每截面状态不变4、流动过程中，开口系统内部及其边界上各点工质的热力参数及运流动过程中，开口系统内部及其边界上各点工质的热力参数及运动参数都不随时间改变。动参数都不随时间改变。稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导稳定流动条件稳定流动条件0稳定流动能量方程的

15、推导稳定流动能量方程的推导1kg工质工质稳定流动能量方程稳定流动能量方程适用条件：适用条件：任何流动工质任何流动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程技术技术功功动能动能工程技术上可以直接利用工程技术上可以直接利用内部功内部功机械能机械能位能位能单位质量工质的开口与闭口单位质量工质的开口与闭口wiq稳流稳流开口系开口系闭口系闭口系(1kg)容积变化功容积变化功等价等价技术功技术功稳流开口与闭口的能量方程稳流开口与闭口的能量方程容积变化功容积变化功w技术功技术功wt闭口闭口稳流开口稳流开口等价等价内部功内部功wi流动功流动功 (pv)几种功的关系？几种功的关系？几种功的关系几种功的关系wwt(pv

16、) c2/2wigz做功的根源做功的根源（容积变化功）（容积变化功）wi对对功功的小结的小结2、开口系，开口系，系统系统与与外界交换的功为外界交换的功为内部功内部功wi3、一般情况下忽略动、位能的变化一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统闭口系，系统与与外界交换的功为外界交换的功为容积变化功容积变化功wwi wt准静态下的技术功准静态下的技术功准静态准静态准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之一热一律解析式之二热一律解析式之二技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示伯努利方程伯努利方程对于流体流过管道，对于流体流过管道，柏努利方程柏努利方程Bernoullis equation

17、2-6 稳定流动能量方程应用举例稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略动、位能变化热力学问题经常可忽略动、位能变化例：例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kgz1 = 0 m z2 = 30 mg ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg1bar下下, 0 oC水的水的 h1 = 84 kJ/kg100 oC水蒸气水蒸气的的 h2 = 2676 kJ/kg例例1：透平：透平(Turbine)机械机械火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 燃气机燃气机蒸汽轮机蒸汽轮机Stea

18、m turbine1-1-轴；轴；2-2-叶轮；叶轮；3-3-动叶片；动叶片；4-4-喷嘴喷嘴 透平透平(Turbine)机械机械1) 体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0wi = -h = h1 - h20输出的功是靠焓降转变的输出的功是靠焓降转变的例例2：压缩机械：压缩机械 Compressor火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机压气机水泵水泵制冷制冷空调空调压缩机压缩机压缩机械压缩机械1) 体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0wi = -h = h1 - h2 T T T TB B B B T T T

19、 T0 0 0 0) ) ) )的热源接触，的热源接触，的热源接触，的热源接触，达到平衡后再被冷却到环境温度达到平衡后再被冷却到环境温度达到平衡后再被冷却到环境温度达到平衡后再被冷却到环境温度T T T T0 0 0 0，其熵变为，其熵变为，其熵变为，其熵变为S S S SC C C C ；n n试说明这三个过程熵变的大小关系。试说明这三个过程熵变的大小关系。6.6.熵的概念的理解熵的概念的理解n n熵是状态参数，其变化量与过程无关：熵是状态参数，其变化量与过程无关： 7. .试判断下列各情况的熵变是：试判断下列各情况的熵变是： a）正；正；b）负；负；c）可正可负；可正可负；d）零）零1 1

20、）闭口系经历一可逆变化过程，系统与外界交换功量）闭口系经历一可逆变化过程，系统与外界交换功量 10kJ10kJ，热量，热量- -10kJ10kJ，系统熵变系统熵变 。“-”2 2）闭口系经历一不可逆变化过程，系统与外）闭口系经历一不可逆变化过程，系统与外界交换功量界交换功量10 10 kJkJ，热量热量-10kJ-10kJ，系统熵变系统熵变 。“- -”or”+ +”3 3）在一稳态稳流装置内工作的流体经历一不）在一稳态稳流装置内工作的流体经历一不可逆过程可逆过程, ,装置作功装置作功20kJ20kJ，与外界交换热量与外界交换热量- -15kJ15kJ，流体进出口熵变。流体进出口熵变。“+ +”or”or”- -”4 4）在一稳态稳流装置内工作的流体流，经历）在一稳态稳流装置内工作的流体流，经历一可逆过程，装置作功一可逆过程，装置作功20kJ20kJ，与外界交换热量与外界交换热量-15kJ-15kJ，流体进出口熵变。流体进出口熵变。“- -”5 5）流体在稳态稳流的情况下按不可逆绝热变）流体在稳态稳流的情况下按不可逆绝热变化，系统对外作功化，系统对外作功10kJ10kJ，此开口系统的熵变。此开口系统的熵变。0作业n n2-4n n2-10n n2-15n n2-18第二章第二章 完完End of Chapter Two