学沪科版选修33 4.1热力学第一定律 课件 （10）（37张）.ppt

4 1热力学第一定律 热力学第一定律 焦耳 joule 和迈耶 mayer 自1840年起 历经20多年 用各种实验求证热和功的转换关系 得到的结果是一致的 即 1cal 4 1840j 焦耳关于热功功量的测定 是建立能量守恒定律的实验基础 焦耳实验 1 重物下降 输入功 绝热容器内气体t 2 绝热去掉 气体t 放出热给水 t恢复原温 水温升高可测得热量 重物下降可测得功 热功当量 1cal 4 1868kj 将能量守恒与转化定律应用于热效应就是热力学第一定律 但是能量守恒与转化定律仅是一种思想 它的发展应借助于数学 马克思讲过 一门学科只有在能成功地运用数学时 才算是真正的发展了 应该找到一个量纲也是能量的 与系统状态有关的函数 把它与功和热量联系起来 由此说明功和热量转换的结果其总能量还是守恒的 这个函数就是内能u 3 2内能的导出 闭口系循环过程的热一律表达式 要想得到功 必须化费热能或其它能量 热一律又可表述为 第一类永动机是不可能制成的 储存能的导出 闭口系循环 对于循环1a2c1 对于循环1b2c1 状态参数 p v 1 2 a b c 定义de q w储存能e 状态函数 q de wq e w 闭口系热一律表达式 两种特例绝功系 q de绝热系 w de 热力学第一定律指出 对于绝热过程 热量则可作为导出量而被定义为 上述表达式分别称为喀喇氏 玻因凯尔 基南和夏皮罗表达式 三种表达形式各异 但都表达了能量在传递和转换过程中是守恒的 其一般关系式可表达为 流入系统的能量 流出系统的能量 系统能量的增量 以上关系式对于求解类似充气和放气过程的不稳定流动问题更为方便 3 3热力学第一定律的一般表达式 根据能量守恒定律 对于一般热力系进行分析 对上式进行积分后得到 应用于闭口系统后得到 由于反映了热功转换的基本关系 又称基本表达式 3 3开口系统能量方程的一般表达式 用流率形式表示 对于多股流体 以进 出口均为单股流体为例进行分析 在给定时间间隔内对上式积分 并忽略进 出口势能变化 可以得到瞬变流动能量方程 若视工质为理想气体 系统的容积和质量之间的关系可以表示为 应用中的问题 1 由于瞬变流动中系统质量为变量 因此确定系统的质量需要三个状态参数 2 求解的基本方程包括 能量方程 状态方程和质量守恒方程 3 充气截面参数和放气截面参数应采用不同方法处理 4 研究中 充气和放气不是同时进行的 5 平衡热力学只能分析计算充气和放气瞬变流动的结果 而不能回答过程进行的细节 6 为简化问题将工质视为理想气体 比热视为定值 3 3 1充气 1 刚性容器绝热充气 选取热力系统 确定热力系统性质 选择热力学第一定律解析式 并进行简化后得到 因为 所以 用参数关系式表示上式能量项 由于dv 0 故有 代回原式削去m项 则得到 积分后得到 若削去温度t 则得到 以t pv rt代入 积分后得到 对于绝热刚性真空容器充气 则有 思考 对于非真空容器 充气后温度的变化 2 刚性容器等温充气 指充气过程很慢 系统与外界随时保持热平衡对能量方程进行化简后得到 因为 所以 对刚性容器定温过程 状态方程的微分式为 同时还满足 将以上关系式代回原式则可以得到 3 非等容绝热充气 充气过程中控制容积的体积要改变能量方程经过简化后为 利用参数关系式表示上式 得到 若充气过程中压力保持不变 则状态方程可以表示为 将上式代入 削去dm m后得到 积分后得到计算终温的公式 若利用状态方程求取dt t 则可以得到 3 3 2放气 1 刚性容器绝热放气根据过程特征 简化后的能量方程为 利用参数关系式表示上式中各能量项 则有 据状态方程 代回能量方程削去dm m 则得 若由状态方程削去dt t 则可得到