能量与热力学第一定律

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1、第 一 部 分 热 力 学 基 本 定 律第 一 章 能 量 与 热 力 学 第 一 定 律 第 一 部 分 热 力 学 基 本 定 律第 一 章 能 量 与 热 力 学 第 一 定 律 本 章 要 求 : 1 深 刻 认 识 热 力 学 第 一 定 律 的 实 质 能 量 守 恒 。 2 了 解 热 和 功 是 系 统 与 外 界 交 换 能 量 的 两 种 方 式 ， 知 道 其定 义 、 特 性 及 计 算 方 法 。3 掌 握 热 力 学 第 一 定 律 能 量 方 程 的 基 本 表 达 式 及 稳 定 流 动 能量 方 程 ， 并 对 非 稳 定 流 动 能 量 方 程 有 初 步

2、 的 认 识 。4 了 解 热 力 学 第 一 定 律 对 工 程 实 践 的 指 导 作 用 ， 能 灵 活 运 用能 量 方 程 对 实 际 工 程 中 的 能 量 转 换 过 程 进 行 分 析 、 计 算 和 研究 。 2 1热 力 学 第 一 定 律 的 实 质 n 一 能 量 转 换 与 守 恒 定 律 n 自 然 界 一 切 物 质 都 具 有 能 量 。 能 量 不 可 能 创造 也 不 可 能 消 灭 ， 而 只 能 在 一 定 条 件 下 从 一种 形 式 转 变 为 另 一 种 形 式 ， 在 转 换 中 能 量 总量 恒 定 不 变 2 1热 力 学 第 一 定 律 的

3、 实 质 n 二 几 种 说 法n 在 任 何 发 生 能 量 传 递 和 转 换 的 热 力 过 程 中 ，传 递 和 转 换 前 后 能 量 的 总 量 维 持 恒 定 n 热 功 可 以 互 相 转 换 ， 但 转 换 前 后 总 量 不 变n 第 一 类 永 动 机 是 不 可 能 制 造 成 功 的 2 2 功 n 一 功 的 定 义 和 性 质n 1 在 力 学 中 的 定 义n 物 体 所 受 的 力 及 其 沿 力 的 方 向 所 产 生 的位 移 的 乘 积 n 功 量 是 过 程 量 ， 与 状 态 量 不 同 ， 说 某 状态 下 具 有 多 少 功 量 是 毫 无 意

4、义 的 。 n 功 用 W 表 示 2 2 功 n 一 功 的 定 义 和 性 质n 2 在 热 力 学 里 的 定 义n 功 是 物 系 间 相 互 作 用 而 传 递 的 能 量 。 当系 统 完 成 功 时 ， 其 对 外 界 的 作 用 可 用 在外 界 举 起 重 物 的 单 一 效 果 来 代 替n 3 功 的 单 位 和 符 号 n 4 比 功 w W/m 2 2 功 n 三 气 体 的 容 积 变 化 功 2 2 功 n 三 气 体 的 容 积 变 化 功n 活 塞 移 动 dx时 所 作 的 功 量 为n W=pAdx pdV n 准 平 衡 过 程 体 积 变 化 功n W

5、 VpdV 2 2 功 n 三 气 体 的 容 积 变 化 功n 几 点 说 明 ：n 1 适 用 于 任 意 准 平 衡 过 程 ， 与 热 力 系 的 几 何 形 状 无 关 n 2 系 统 在 准 平 衡 过 程 中 完 成 的 功 量 亦 可 称 为 准 静 功 。 准 静功 可 以 仅 通 过 系 统 内 部 的 参 数 来 描 述 n 3 必 须 知 道 过 程 方 程 式 P f(V)， 才 能 算 出 该 过 程 的 功 量n 4 P V 图 上 可 以 用 面 积 表 示 功 量 ， 故 p-V图 又 称 为 示 功 图n 5 功 量 是 过 程 量 而 不 是 状 态 量n

6、 6 气 体 膨 胀 ， dV 0， 功 量 为 正 ， 系 统 对 外 做 功 2 3 热 n 1 定 义 ： 热 力 系 与 外 界 之 间 依 靠 温 差 传 递 的 能 量 称 为 热 。n 2 热 的 传 递 不 能 像 功 的 传 递 那 样 ， 可 以 折 合 为 外 界 重 物 高度 变 化 的 单 一 效 果n 3 是 过 程 量 而 不 是 状 态 量 ， 因 此 说 “ 物 体 具 有 多 少 热 量 ”及 “ 物 体 具 有 多 少 功 量 ” 都 是 错 误 的 n 4 热 力 系 吸 热 时 热 量 取 正 号 ， 放 热 时 取 负 号 2 4 循 环 的 第 一

7、 定 律 表 达 式 n 焦 耳 实 验 表 明 ：n 热 力 系 经 历 一 循 环 过 程 回 到 初 态 时 ， 系 统 在整 个 循 环 中 从 外 界 吸 入 (或 放 出 )的 热 量 等 于其 对 外 完 成 的 (或 得 到 的 )功 量 。 2 5 状 态 参 数 热 力 学 能 n ( Q- W)=0n 1-A-2和 1-C-2是 由 1到 2任 意 选 择 的 不 同途 径n 积 分 的 结 果 与 积 分 途 径 无 关n 被 积 函 数 必 定 是 某 一 个 态 函 数 的 全 微 分n 用 U 表 示 这 个 态 函 数 n dU Q- Wn 以 一 定 方 式

8、储 存 于 热 力 系 内 部 的 能 量 叫做 系 统 的 热 力 学 能 (亦 称 内 能 )n 热 力 学 能 是 一 个 状 态 参 数 ， 可 用 其 它 独立 状 态 参 数 表 示 出 来 2 6 热 力 系 与 外 界 的 物 质 交 换 n 一 质 量 守 恒 方 程 式n 稳 态 稳 定 流 动 过 程 ：n 流 道 内 各 点 流 体 的 热 力 状 态 及 流 动 情 况不 随 时 间 变 化 n min=mout 2 6 热 力 系 与 外 界 的 物 质 交 换 n 二 流 动 功n 1 推 挤 功 push work (PV)n 克 服 某 种 作 用 力 ， 使

9、 气 体 发 生 宏 观 位 置移 动 所 消 耗 的 功 n 2 流 动 功 flow workn 使 流 体 从 截 面 1流 入 到 截 面 2流 出 的 流 动过 程 中 ， 系 统 付 诸 于 质 量 迁 移 所 作 的 功n Wf=p2V2-p1V1= (pV) 2 7 热 力 学 第 一 定 律 的 表 达 式 n 一 基 本 表 达 式n Q U Wn 1 适 用 于 闭 系 内 进 行 的 一 切 过 程 (包 括 各 种 非 平 衡 过 程 及 准平 衡 过 程 ) n 2 只 涉 及 到 热 力 学 能 、 热 、 功 的 相 互 转 换 ， 是 热 力 学 的 主要 研

10、 究 对 象 ， 所 以 称 基 本 表 达 式 2 7 热 力 学 第 一 定 律 的 表 达 式 n 二 开 系 能 量 方 程 式n 最 一 般 的 形 式 ：n dEcv= Q+ min(u+pv+1/2c2+gz)inn - mout(u+pv+1/2c2+gz)out- wnet n dEcv= Q+ min(h+1/2c2+gz)in n - mout(h+1/2c2+gz)out- wnet n 适 用 于 任 何 工 质 任 何 过 程 任 何 流 动 2 7 热 力 学 第 一 定 律 的 表 达 式 n 二 开 系 能 量 方 程 式n 焓 的 说 明 ：n 1 定 义

11、： h = u + pvn 2 物 理 意 义 ： 流 动 工 质 的 热 力 学 能 和 推 挤 功 之 和 ， 可 以认 为 是 流 动 工 质 所 携 带 的 能 量 n 3 性 质 ： 是 状 态 参 数 ， 是 状 态 量n 4 目 的 ： 为 了 计 算 方 便 2 7 热 力 学 第 一 定 律 的 表 达 式 n 三 稳 定 流 动 能 量 方 程 式n 稳 定 流 动 过 程n 系 统 与 外 界 的 功 量 和 热 量 交 换 情 况 不 随 时 间 改 变 ， 系 统 内各 处 流 体 的 热 力 状 态 和 流 动 情 况 也 不 随 时 间 变 化n 能 量 方 程

12、式 n Q = H + 1/2m cf2 + mg z + Wnet n 适 用 于 任 何 工 质 ， 任 何 过 程 ， 稳 定 流 动 的 开 系 2 7 热 力 学 第 一 定 律 的 表 达 式 n 四 用 技 术 功 Wt表 示 的 稳 定 流 动 能 量 方 程 式n Wt 1/2m cf2 + mg z + Wnet n Q = H + Wtn 因 为 Q U Wn Q = H + Wt U Wf Wt n 所 以 Wt W Wf 2 7 热 力 学 第 一 定 律 的 表 达 式 n 五 稳 定 流 动 开 系 各 种 功 之 间 的 关 系n 1 Wt 1/2m cf2 +

13、 mg z + Wnet n 2 W Wt Wfn 3 对 简 单 可 压 缩 系 统 ：n 4 对 准 平 衡 过 程 ： Wt W Wf n pdv d（ pv）n = vdp 2 8 能 量 方 程 式 的 应 用 n 1 热 力 发 动 机n Q = H + 1/2m cf 2 + mg z + Wnet n Wnet = H H1 H2 n 输 出 净 功 等 于 焓 的 降 落n 2 8 能 量 方 程 式 的 应 用 n 2 喷 管n n 喷 管 是 使 气 流 加 速 的 设 备 。 它 通 常 是 一 个变 截 面 的 流 道n Q = H + 1/2m cf 2 + mg

14、z + Wnet n 1/2m cf2 = H H1 H2 n 动 能 增 加 等 于 焓 的 降 落n 2 8 能 量 方 程 式 的 应 用 n 3 气 轮 机 叶 轮n 气 流 流 经 气 轮 机 叶 轮 上 的 动 叶 栅 ， 推 动 转轮 回 转 对 外 作 功n Q = H + 1/2m cf 2 + mg z + Wnet n Wne 1/2m（ cf12 cf22 ） n 2 8 能 量 方 程 式 的 应 用 n 4 热 交 换 器n 电 厂 中 锅 炉 、 加 热 器 等 换 热 设 备 均 属 于 热交 换 器n Q = H + 1/2m cf 2 + mg z + Wn

15、et n Q = H H2 H1 n 得 到 的 热 量 等 于 焓 的 增 加 2 8 能 量 方 程 式 的 应 用 n 5 压 气 机n 压 气 机 是 消 耗 外 功 而 使 气 体 升 压 的 设 备n Q = H + 1/2m cf 2 + mg z + Wnet n Wnet = H2 H1 Q 2 8 能 量 方 程 式 的 应 用 n 6 节 流 过 程n 节 流 过 程 是 气 体 流 经 管 道 中 的 阀 门 或 缩 孔时 发 生 的 一 种 特 殊 流 动 过 程 n 由 于 存 在 涡 流 和 摩 擦 ， 这 是 一 个 典 型 的 非平 衡 过 程 n Q = H + 1/2m cf 2 + mg z + Wnet n H1 = H2 n 在 绝 热 节 流 过 程 中 ， 节 流 前 后 工 质 的 焓 值不 变 作 业 n 2 1n 2 2n 2 7n 2 11n 2 14（ COP性 能 系 数 定 义 见 P320）