[理学]第1章 热力学第一定律.ppt

2008.2,工程热力学与传热学,2008.2,绪 论,教学目标: 使学生全面了解本课程的基本内容，学科前沿研究现状，本课程的学习方法。 知识点： 介绍热力学的发展简史、教学目的，基本内容，学习本课程应注意的问题。 难点： 使同学们认识到学习本课程的重要性，激发学生的学习兴趣和学习积极性，掌握专业基础课的学习方法。,2008.2,一、热能及其利用,能 源指提供各种能量的物质源。 一次能源自然界以自然形态存在的、可资利 用的能源。 如：风能、水利能、太阳能、 地热能、核能、化学能等。 二次能源由一次能源加工转换后的能源。 如：热能、机械能、电能。,能源及其利用,2008.2,热能的利用,.热 利 用将热能直接用于加热物体，以满足 烘干、采暖、熔炼等需要。 .动力利用通过各种热能动力装置将热能转换 成机械能或者转换成电能加以利用， 为人类的日常生活、工农业生产及 交通运输提供动力。,能源的利用,2008.2,2008.2,太 阳 能,电 能,能量的转换和传递过程,核 能,地 热 能,水 力 能,热 能,机 械 能,风 能,一次能源,二 次 能 源,能量的转换和传递过程,化 学 能,2008.2,二、热能转换装置的工作过程,热能,机械能,( 转换装置 ),热 机,热能转换装置的工作过程,2008.2,蒸 汽 机 示 意 图,汽缸,活塞,曲柄连杆,锅炉,冷凝器,曲轴箱,蒸汽机示意图,泵,2008.2,蒸汽动力循环装置系统简图,蒸汽动力循环装置系统简图,2008.2,原子能蒸汽动力装置系统简图,反应堆(浓缩铀),换热器,泵,冷凝器,发电机,汽轮机,泵,载热质(重水、碱性金属蒸汽),冷却水,原子能蒸汽动力装置系统简图,2008.2,废气,燃烧室,燃气轮机,空气,压气机,燃料泵,燃料,燃 气 轮 机 装 置 系统 简 图,燃气轮机装置系统简图,2008.2,内燃机的工作原理图,活塞,曲柄连杆机构,气缸,内燃机的工作原理图,2008.2,压缩制冷装置系统简图,2008.2,2008.2,各种热工装置的热力学共性内容归纳,内燃机装置,燃气轮机装置,蒸汽动力装置,装置名称 工作物质 热 源 冷 源 功,水蒸汽,高 温 物 体,冷却水,对外输出功,燃 气,燃烧产物(自身),大 气,对外输出功,燃 气,燃烧产物(自身),大 气,对外输出功,压缩制冷装置,制冷剂,被冷却物体,大 气,消 耗 功,各种热工装置热力学共性内容归纳,2008.2,三、热力学的发展,热力学是研究能量、能量转换以及与能量转换有关的物性间相互关系的科学。 从十八世纪末到十九世纪初开始，随着蒸汽机在生产中的广泛使用，如何充分利用热能来推动机器做功成为重要的研究课题。,2008.2,1798年，英国物理学家和政治家 Benjamin Thompson (1753-1814) 通过炮膛钻孔实验开始对功转换为热进行定量研究。 1799年，英国化学家 Humphry Davy (1778-1829)通过冰的摩擦实验研究功转换为热。 1824年，法国陆军工程师Nicholas Lonard Sadi Carnot 发表了 “ 关于火的动力研究” 的论文。,2008.2,他通过对自己构想的理想热机的分析得出结论：热机必须在两个热源之间工作，理想热机的效率只取决与两个热源的温度，工作在两个一定热源之间的所有热机，其效率都超不过可逆热机，热机在理想状态下也不可能达到百分之百。这就是卡诺定理。,Carnot (1796 - 1832),2008.2,卡诺的论文发表后，没有马上引起人们的注意。过了十年，法国工程师Benlt Paul Emile Clapeyron (1799 - 1864)把卡诺循环以解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研究了汽液平衡，导出了克拉佩隆方程。,2008.2,1842 年，德国医生Julius Robert Mayer (1814 - 1878) 主要受病人血液颜色在热带和欧洲的差异及海水温度与暴风雨的启发，提出了热与机械运动之间相互转化的思想。,Mayer (1814 - 1878),2008.2,1847年， 德国物理学家和生物学家 Hermann Ludwig von Helmholtz (1821 - 1894) 发表了 “ 论力的守衡” 一文，全面论证了能量守衡和转化定律。,Helmholtz (1821 - 1894),2008.2,1843-1848年， 英国酿酒商 James Prescott Joule (1818 - 1889) 以确凿无疑的定量实验结果为基础，论述了能量守恒和转化定律。焦耳的热功当量实验是热力学第一定律的实验基础。,Joule (1818 - 1889),2008.2,根据热力学第一定律:热功可以按当量转化，而根据卡诺原理热却不能全部变为功，当时不少人认为二者之间存在着根本性的矛盾。1850年，德国物理学家Rudolf J. Clausius (1822 - 1888) 进一步研究了热力学第一定律和克拉佩隆转述的卡诺原理，发现二者并不矛盾。他指出，热不可能独自地、不付任何代价地从冷物体转向热物体，并将这个结论称为热力学第二定律。克劳胥斯在1854年给出了热力学第二定律的数学表达式， 1865年提出“熵”的概念。,Clausius (1822 - 1888),2008.2,1851年，英国物理学家 Lord Kelvin (1824-l907)指出，不可能从单一热源取热使之完全变为有用功而不产生其他影响。 这是热力学第二定律的另一种说法。 1853年，他把能量转化与物系的内能联系起来，给出了热力学第一定律的数学表达式。,2008.2,1875年，美国耶鲁大学数学物理学教授 Josiah Willard Gibbs发表了 “论多相物质之平衡” 的论文。他在熵函数的基础上，引出了平衡的判据；提出热力学势的重要概念，用以处理多组分的多相平衡问题；导出相律，得到一般条件下多相平衡的规律。吉布斯的工作，把热力学和化学在理论上紧密结合起来，奠定了化学热力学的重要基础。,Gibbs (1839 - 1903),2008.2,热力学基本定律反映了自然界的客观规律,以这些定律为基础进行演绎、逻辑推理而得到的热力学关系与结论,显然具有高度的普遍性、可靠性与实用性,可以应用于机械工程、化学、化工等各个领域,由此形成了化学热力学、工程热力学、化工热力学等重要的分支。化学热力学主要讨论热化学、相平衡和化学平衡理论。工程热力学主要研究热能动力装置中工作介质的基本热力学性质、各种装置的工作过程以及提高能量转化效率的途径。化工热力学是以化学热力学和工程热力学为基础，结合化工实际过程逐步形成的学科。,2008.2,四、值得研究的问题 1、为了获得一定数量的机械能是否必须投入热量？ 反之，为了使热量从低温物体传给高温物体，是否 一定要以消耗功或热作为代价？ 2、为什么在各种动力装置中既要吸热又要放热？这是 不是热工转换的必要条件？ 3、不同的工质对热工转换的程度是否有影响？ 4、影响能量转换的因素有哪些？如何提高转换的效果？,2008.2,五、研究的内容和方法,研究内容: 研究能量转换的客观规律，即热力学第一定律与第二 定律； 研究工质的基本热力学性质； 研究工质在各种热工设备中的工作过程。 将热力学基本理论应用于工程实际，对不同的过程和循环进行分析和计算， 探讨影响能量转换的规律及提供转换效果的途径。,2008.2,2008.2,工程热力学的研究方法：,热力学的研究方法,1.宏观研究方法,2.微观研究方法,用宏观研究方法研究的热力学称经典热力学。,用微观研究方法研究的热力学称统计热力学。,工程热力学的研究方法：,2008.2,课程特点：系统性强、概念抽象、计算简单 。 学习要求： 1. 提高课堂学习效率。 2. 课后及时整理学习笔记，复习巩固提高。 3. 按时、独立完成作业 。 4. 有问题及时答疑。 5. 独立完成实验。,2008.2,如何学好工程热力学：,上课认真听讲并积极思索,自己完成作业,看一、二本参考书,积极参加实验,撰写小论文,理论联系工程实际,2008.2,六、本课程的主要内容,基本概念 热力学第一定律 理想气体的性质及热力过程 热力学第二定律 水蒸汽 压气机的热力过程 湿空气 制冷循环,2008.2,七、本课程的考核,1、平时表现 包括学生的学习态度、创新意识、思维能力以及作业是否认真、计算准确的程度等方面，以20计入总分。 2、教学实验 根据实验课出勤率和实验报告的撰写，以10%计入总分。 3、期末闭卷考试 作为专业基础课，许多概念、基础理论是学生必须掌握的，因此采用闭卷考试形式。考试内容覆盖全部授课内容。期末考试成绩以70%计入总分。,2008.2,第一章 热力学第一定律,2008.2,1、工质和热源 定义：实现热能和机械能互相转化的媒介物质，称为工质（传递能量的载能物质）； 特点要求：（1）流动性；（2）膨胀性。 最适宜作工质的物质是气体；,1-1 热力系（或称热力系统）,2008.2,热库：热力系它具有无限大的热容量，它可以对外放出或吸入有限的热量而不改变自身的温度。 热源：工质从中取热的热库， 冷源：接受工质放热（排出热能）的热库。,2008.2,2、热力系的定义 通常根据所研究问题的需要，人为地划定一个或多个任意几何面所围成的空间作为热力学的研究对象。这种空间内的物质的总和称为热力学系统,简称为系统或热力系。 系统以外的一切物质统称为外界。系统与外界的界面称为边界。 系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移。,热力系（或称热力系统）的定义,2008.2,界面的特性:,可以是真实的， 也可以是虚拟的； 可以是固定的， 也可以是运动的。,界面的特性,2008.2,界面,热 源,外界,外界,热力系统,热力系、界面、外界例,研究气缸中的气体。是什么热力系？,2008.2,热力系、界面、外界,界面,热 源,外界,热力系统,2008.2,热力系、界面、外界,界面,热 源,外界,热力系统,2008.2,界面,热 源,外界,热力系统,热力系、界面、外界,2008.2,界面,热 源,外界,热力系统,热力系、界面、外界,2008.2,系 统,界面,热力系、界面、外界例,研究气缸中的气体(打开阀门)。是什么热力系？,2008.2,系 统,系 统,界面,热力系、界面、外界例,2008.2,系 统,系 统,界面,热力系、界面、外界例,2008.2,系 统,系 统,界面,热力系、界面、外界例,2008.2,系 统,界面,外界,外界,热力系、界面、外界例,2008.2,热力系、界面、外例,系 统,界面,2008.2,3、热力系统的分类,绝热热力系,孤立热力系,闭口热力系,开口热力系,按系统与外界之间的相互联系划分： 闭口系与外界无物质交换的热力系。 开口系与外界有物质交换的热力系。 绝热系与外界无热量交换的热力系。 孤立系与外界无任何联系的热力系。,2008.2,闭口热力系,阀门关闭,2008.2,开口热力系,开口举例热力系（放气）,2008.2,管 道,2008.2,开口热力系,2008.2,开口热力系,（锅炉示意图）,来自水泵,过热器,炉墙,蒸发管,去汽轮机,燃料与空气,2008.2,锅炉的简化热力学分析模型 (主要考虑蒸汽的发生),2008.2,开口热力系 汽轮机,去凝汽器,调速器,来自锅炉,喷管 叶片 汽轮机,发电机,开口热力系 汽轮机示意图,2008.2,汽轮机的简化热力学分析模型,热力系,汽轮机的简化热力学分析模型,2008.2,来自汽轮机的水蒸汽,去水泵的凝结水,冷却水,冷却水,开口热力系（冷凝器）,开口热力系（冷凝器）示意图,2008.2,蒸汽放热给冷却水,热力系,冷凝器的简化热力学分析模型 (主要考虑蒸汽的凝结),2008.2,2008.2,开口热力系（水泵示意图）,电动机,锅炉给水,来自冷凝器的水,水 泵,开口热力系（水泵示意图）,2008.2,水泵的简化热力学分析模型,热力系,2008.2,蒸汽动力装置流程简图,2008.2,冷却水带走热量,（工质放热量）,向外输出功,（汽轮机）,（水泵耗功）,（工质吸热量）,蒸汽动力装置的简化 热力学分析模型,热力系,向系统输入功,热源供热,2008.2,按照系统内部的情况可划分为,均匀热力系系统内部各部分化学成分和物理性质都均 匀一致的系统，它是由单相组成的。 非均匀热力系由两个或两个以上的相态组成的热力系。 单元热力系由一种化学成分组成的热力系。 多元热力系由两种或两种以上物质组成的热力系。 可压缩系统由可压缩流体组成的热力系。 简单可压缩系统与外界只有热量和机械功交换的可压 缩系统。,2008.2,1-2 状态及状态参数,1、热力学状态 定义:工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的全部宏观物理状况。,2、平衡状态的描述 在不受外界影响（重力场除外）的条件下，如果系统宏观特性不随时间变化，则该系统所处的状态称为平衡状态。,2008.2,描述工质宏观特性的物理量称为状态参数。,（2）热力学中常用的状态参数,温度、压力、比容、热力学能（内能）、焓、熵。,（）状态参数的数学特性,或,如果某物理量具有上述数学特性，它就是状态参数。,3、状态参数,2008.2,()状态参数的分类, 基本状态参数 能够用仪器仪表直接或间接测量的参数。, 导出状态参数,不能用仪器仪表直接或间接测量的参数称为。,如 ：温度、压力、比容,如：热力学（内能）、焓、熵。,）按能否用仪器或仪表进行直接或间接测量划分,2008.2,）按与系统内包含物质多少有无关系划分,强度参数与系统内包含物质的多少无关。,广延参数与系统内包含物质的多少有关。,如：温度、压力、比容、比内能、比焓、比熵等。,如：总内能、总焓、总熵等。,2008.2,4、基本状态参数,()比容、密度和重度, 比容 单位质量物质所占有的容积，称为比容。,表达式, 密度 单位容积的物质所具有的质量，称为密度。,表达式,表达式, 重度 单位容积内所含有物质的重量，称为重度。,2008.2,( )压力 热力系的单位面积上所受到的垂直作用力。,表达式,或,上式计算出的是热力系的真实压力称为绝对压力 p。,由压力表测量出来的压力称为表压力 pg。,由气压计测量出来的压力称为大气压力 pb。,表压力pg、大气压力pb和绝对压力p之间的关系如下：,常用的压力单位间的关系,2008.2,U形管式压力计示意图,真空度,2008.2,(3) 温度,）热力学第零定律 与第三个系统处于热平衡的系统， 彼此也处于热平衡。,）温度 将描述热平衡的这一宏观特性的物理量，称为温度。,）温标 为进行温度测量，需要有温度的数值表示方法，测量温 度的标尺称为温标。,建立任何一种温标都要选择测温物质及其物质的特性、规定温标的基准点及分度方法。,2008.2,热力学温标（）,常用的温标,摄氏温标 t ,基 准 点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准 点，规定冰点温度为0。沸点温度为100。,分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线性 的。0与100这两个基准点之间分成100等分, 每一等分为1度。,基 准 点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点(三相点)为基准点，并规定它的温度为273.16K。,t = T273.15,2008.2,绝对K,摄氏,华氏F,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,37.8,100,0,32,-459.67,0,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,2008.2,（1）热力学能与储存能,能量是物质运动的度量，运动有各种不同的形态，相应的就有各种不同的能量。 系统储存的能量称为储存能，它有内部储存能与外部储存能之分。系统的内部储存能即为热力学能，又称为内能。,5、其它状态参数,2008.2,下面的热力学系统具有哪些方面的能量?,内部能量,外部动能,外部势能,2008.2,一、热力学能(内能),热力学能是储存在系统内部的能量，它与系统内工质的内部粒子的微观运动和粒子的空间位置有关，是下列各种能量的总和： 分子热运动形成的内动能。它是温度的函数。 分子间相互作用形成的内位能。它是比体积和温度的函数。 维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子能及电磁场作用下的电磁能等。,2008.2,二、外部储存能,需要用系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的宏观动能和重力位能：,重力位能：,宏观动能：,2008.2,系统的储存能,热力学能,宏观动能,宏观位能,即,系统的储存能,三、系统的总储存能（简称总能）,2008.2,1kg工质的总能为比总能：,或,2008.2,内 能,宏观动能,宏观位能,储 存 能,2008.2,(2)焓,(3)熵,2008.2,1-3 平衡状态,状态方程,坐标图,一、平衡状态 定义:一个热力系,如果在不受外界影响下,系统的状态能够始终保持不变,则系统的这种状态称为平衡状态. 热平衡状态 力平衡状态 化学平衡状态,问题：如何定量描述工质的状态？,2008.2,平衡与稳定,稳定：参数不随时间变化,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,2008.2,平衡与均匀,平衡：时间上 均匀：空间上,平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的,2008.2,二、状态方程,或,三、状态参数坐标图,1,反映工质处于平衡状态时基本状态参数之间的关系式，称为状态方程。对于简单可压缩系统,状态方程:,2008.2,1-4 工质的状态变化过程,1,系统状态的连续变化称为系统经历了一个热力过程简称过程。,1,2,p,v,2,2008.2,1,一、准静态过程(准平衡过程),1、针阀的开度非常小（p0），内部无压差；,过程实施的假设条件：,4、活塞与汽缸壁无摩擦；,5、在任何时刻，工质1的内部是均匀的。,2、工质内部无温差；,3、工质内部无化学反应；,2008.2,1,2,v,2,1,p,一、准静态过程(内部平衡过程),2,2008.2,准静态过程:若过程进行得很缓慢,工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需要的时间(即所谓的弛豫时间)又短,工质有足够的时间来恢复平衡,随时都不致于显著偏离平衡状态,这样的过程称为准静态过程。,准静态过程又称为准平衡过程。只有准静态过程才能在坐标图中用连续曲线表示。,实际过程都是不平衡的。,2008.2,准静态过程有实际意义吗？,既是平衡，又是变化,既可以用状态参数描述，又可进行热功转换,疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？,2008.2,准静态过程的工程条件,破坏平衡所需时间 （外部作用时间）,恢复平衡所需时间 （驰豫时间）,有足够时间恢复新平衡 准静态过程,2008.2,气缸,活塞,飞轮,热 源,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,过程假设： 1、无摩擦； 2、热源与工质温差无限小； 3、工质与外界压差无限小。,2008.2,气缸,活塞,飞轮,热 源,左止点,1,p,v,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,活塞,飞轮,热 源,左止点,1,2,p,v,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,2,p,v,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,2,p,v,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,2,p,v,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,2,p,v,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,p,v,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,p,v,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,1,p,v,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,气缸,活塞,飞轮,热 源,左止点,右止点,1,2,p,v,二、可逆过程,续41,工质、机器和热源组成的系统,2008.2,12过程：热源放热，工质吸热膨胀， 对外作功，推动飞轮旋转,1,2,p,v,21过程：飞轮对活塞作功，工质被压 缩并对热源放热，工质吸热 膨胀,经历了121过程后，工质回复到原来状态，热源回复到原来状态，机器回复到原来状态,2008.2,可逆过程的描述： 系统经历一个过程后，如令过程逆行而能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程。,注意：可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。,2008.2,可逆过程的实现,准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程,无不平衡势差,通过摩擦使功 变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）,不平衡势差 不可逆根源 耗散效应,耗散效应,2008.2,典型的不可逆过程,不等温传热,节流过程 (阀门）,自由膨胀,混合过程,2008.2,可逆过程与准平衡过程的区别：,1.可逆过程一定是准平衡过程；,2.准平衡过程不一定是可逆过程。,实际过程都是不可逆过程！,2008.2,三、循环过程,工质从一个状态出发经过一系列的状态变化又回到了原来的状态称之经历了一个热力循环。,v,1,p,v,p,可逆循环,不可逆循环,2008.2,1-5 过程功和热量,一、功的定义 定义:力和力的方向上位移的乘积.,对于过程1-2:,符号约定:热力系统对外输出功为正,外界对系统作功为负.,2008.2,二、可逆过程的功,2008.2,功有何性质?,1.是过程量,不是状态量,2.其大小与初、终状态有关, 也与路径有关,2008.2,三、过程热量 定义:热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量. 计算公式:,热量单位:J,kJ,2008.2,微小热量 ：, 0 表示系统从外界吸热； 0 表示系统向外界放热。,总热量：,积分与过程有关 。,热量是过程量,系统可以和外界交换热量,2008.2,循环过程物质系统经 历一系列状态变化过程又 回到初始状态，称这一周 而复始的变化过程为循环 过程。 热机持续不断地将热 转换为功的装置。 工质在热机中参与热 功转换的媒介物质。,1-6 热力循环,一、循环概说,2008.2,循环过程的特点经一个循环后系统的内能不变。 净功 A = 循环过程曲线所包围的面积,2008.2,二、正向循环,定义,把热能转化为机械能的循环叫正向循环，也叫动力循环，它使外界得到功,2008.2,正循环,p,V,T,S,净效应：对外作功,净效应：吸热,正循环：顺时针方向,2,1,1,2,2008.2,逆循环,p,V,T,S,净效应：对内作功,净效应：放热,逆循环：逆时针方向,2,1,1,2,2008.2,例题 如图，已知大气压B=101325Pa，U型管内 汞柱高度差H=300mm，气体表B读数为0.2543MPa，求：A室压力pA及气压表A的读数pgA。,2008.2,解：,2008.2,能量转换与守恒定律指出：一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒定不变。,1-7 热力学第一定律的实质,第一定律的实质：能量守恒与转换定律在热现象中的应用。,2008.2,1.7.1 热力系的能量平衡关系,E,E+dE,流入：,流出：,内部贮能的增量：dE,进入系统 的能量,离开热力 系的能量,热力系储 存能 的变化,=,2008.2,137,E,E+dE,2008.2,1.7.2 热力学第一定律的解析式,热力学第一定律的能量方程式就是系统变化过程中的能量平衡方程式，任何系统、任何过程均可根据以下原则建立能量方程式：,进入系统的能量,离开系统的能量,系统中储存能量的增加,2008.2,一、闭口系统的能量方程,闭口系统的能量方程是热力学第一定律在控制质量系统中的具体应用，是热力学第一定律的基本能量方程式。,设闭系中工质从外界吸热Q后，从状态1变化到状态2，同时对外作功W，则：,此式就是闭口系的能量方程式。,2008.2,对于控制质量闭口系来说，常见的情况在状态变化过程中，系统的宏观动能与位能的变化为零，或可以忽略不计，因此更见的闭口系的能量方程是：,若闭口系经过一个微元过程，则能量方程为微分形式：,2008.2,对于1kg工质，能量方程式为：,对于循环：,有限过程:,微元过程:,2008.2,以上各能量方程式适用于闭系各种过程（可逆或不可逆）及各种工质（理想气体、实际气体或液体）,闭口系能量方程总结：,m kg工质经过有限过程,m kg工质经过微元过程,1 kg工质经过有限过程,1 kg工质经过微元过程,注意上述方程的使用前提:系统无宏观动能和宏观势能变化!,2008.2,例题2-1：,一个装有2kg工质的闭口系经历了如下过程：过程中系统散热25kJ，外界对系统做功100KJ，比热力学能减小15KJ/kg，并且整个系统被举高1000m。试确定过程中系统动能的变化。,2008.2,解:,根据:,(1),(2),将(2)代入(1),得:,(3),将已知条件代入(3),得:,2008.2,145,自由膨胀,如图，,解：取气体为热力系 闭口系？开口系？,强调：功是通过边界传递的能量。,抽去隔板，求,?,例题1-2：,2008.2,146,归纳热力学解题思路,1）取好热力系 2）计算初、终态 3）两种解题思路,从已知条件逐步推向目标,从目标反过来缺什么补什么,4）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手,2008.2,1.7.3 热力学第一定律应用于开口热力系,实际热力设备中实施的能量转换往往是工质在热力装置中循环不断地流经各相互衔接的热力设备，完成不同的热力过程后才能实现能量转换。因此分析这类热力设备时，常采用开口系即控制容积的分析方法。,工质在设备内流动时，在同一截面上参数近似地看作是均匀的。并认为同一截面上各点流速一致。,2008.2,一、开口系能量方程,图中的开口系在 dt 时间内进行了一个微元过程：,Wi表示工质在机器内部对机器所作的功，而轴功Ws为Wi的有用功部分，两者的差为机器各部分的摩擦损失。,有dm1的微元工质流入进口截面11，有dm2的微元工质流出出口截面22 系统从外界接受热量dQ 系统对机器作内部功dWi,2008.2,工质在开口系统中流动而传递的功，叫推动功。,推动功和流动功,在作推动功时，工质的状态没有改变（如图中的C点），因此推动功不会来自系统的储存能热力学能，而是系统以外的物质，这样的物质称为外部功源。 工质在传递推动功时只是单纯地传递能量，像传输带一样，能量的形态不发生变化。,2008.2,工质在流动时，总是从后面获得推动功，而对前面作出推动功，进出系统的推动功之差称为流动功（也是系统为维持工质流动所需的功）。,工质从进口到出口，从状态1膨