热力学第一定律及重要公式ppt课件

第三章热力学第一定律 本章重点 本章基本要求深刻理解热量 储存能 功的概念 深刻理解内能 焓的物理意义理解膨胀 压缩 功 轴功 技术功 流动功的联系与区别 本章重点熟练应用热力学第一定律解决具体问题 热力学第一定律的实质 热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学上的应用 确定了热能和机械能之间的相互转换的数量关系 热力学第一定律 热能和机械能在转移和转换的过程中 能量的总量必定守恒 收入 支出 系统储能的变化第一类永动机 不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机 3 1系统的储存能 分子动能 移动 转动 振动 分子位能 相互作用 克服分子间的作用力所形成 核能化学能 一 内能U 热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和 单位质量工质所具有的内能 称为比内能 简称内能 内能是状态量 U 广延参数 kJ u 比参数 kJ kg 内能总以变化量出现 内能零点人为定 说明 注意 对理想气体u f T 二 外储存能 系统工质与外力场的相互作用所具有的能量 如 重力位能 以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量 如 宏观动能 组成 三 系统总能 外部储存能 宏观动能Ek mc2 2宏观位能Ep mgz 机械能 系统总能 E U Ek Ep或 e u ek ep 一般与系统同坐标 常用U dU u du 3 2系统与外界传递的能量 功 随物质传递的能量 热量 外界热源 外界功源 外界质源 系统 与外界热源 功源 质源之间进行的能量传递 一 热量 kJ或kcal且lkcal 4 1868kJ 定义 在温差作用下 系统与外界通过界面传递的能量 规定 特点 是传递过程中能量的一种形式 与热力过程有关 系统吸热热量为正 系统放热热量为负 单位 二 功 除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量 1 膨胀功W 2轴功WS 在力差作用下 通过系统容积变化与外界传递的能量 规定 系统对外作功为正 外界对系统作功为负 通过轴系统与外界传递的机械功 定义 单位 lJ lNm 膨胀功是热变功的源泉 刚性闭口系统轴功不可能为正 轴功来源于能量转换通常规定 系统输出轴功为正 输入轴功为负 种类 注意 三 随物质传递的能量 1 流动工质本身具有的能量 2 流动功 或推动功 Wf 维持流体正常流动所必须传递量 为推动流体通过控制体界面而传递的机械功 推动1kg工质进 出控制体时需功 注意 取决于控制体进出口界面工质的热力状态 由泵风机等提供 思考 与其它功区别 四 焓 对于m千克工质 焓的定义式 焓 内能 流动功 焓的物理意义 1 对流动工质 开口系统 表示沿流动方向传递的总能量中 取决于热力状态的那部分能量 思考 特别的对理想气体h f T 2对不流动工质 闭口系统 焓只是一个复合状态参数 理想气体内能变化计算 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程 用真实比热计算 用平均比热计算 理想气体组成的混合气体的内能 经验公式 代入 理想气体焓的计算 用真实比热计算 用平均比热计算 经验公式 代入 适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程 1 工质的质量为m 流速为c 离基准面的高度为z 请写出该质量的能量E的表达式 当这部分质量跨越边界后 随质量交换面交换的能量是多少 请写出该质量流的能量Ef的表达式 2 一个门窗开着的房间 若室内空气的压力不变而温度升高了 则室内空气的总热力学能发生了怎样的变化 室内空气的比热力学能随温度升高发生了怎样的变化 空气为理想气体 定容比热为常数 输入系统的能量 输出系统的能量 系统总储存能量的变化 能量平衡关系式 闭口系 系统与外界没有物质交换 传递能量只有热量和功量两种形式 在热力过程中 如图 系统从外界热源取得热量Q 对外界做膨胀功W 3 3闭口系能量方程 对于不做整体移动的闭口系 系统宏观动能和位能均无变化 有 对于微元过程 有 对于单位质量工质 有 各项正负号的规定 吸热和对外作功为正 放热和外界对系统作功为负 热力系吸收的能量 增加系统的热力学能对外膨胀作功 热能转变为机械能的根本途径 热力系吸收的能量 增加系统的热力学能对外膨胀作功 3 3闭口系能量方程 一 能量方程表达式 适用于mkg质量工质 适用1kg质量工质 由于反映的是热量 内能 膨胀功三者关系 因而该方程也适用于开口系统 任何工质 任何过程 特别的 对可逆过程 功 w 是广义功 闭口系与外界交换的功量 q du w 准静态容积变化功pdv拉伸功 w拉伸 dl表面张力功 w表面张力 dA w pdv dl dA 准静态和可逆闭口系能量方程 简单可压缩系准静态过程 w pdv 简单可压缩系可逆过程 q Tds q du pdv q u pdv 热一律解析式之一 Tds du pdv Tds u pdv 热力学恒等式 二 循环过程第一定律表达式 结论 第一类永动机不可能制造出来 3 4开口系能量方程 一 质量守恒原理 进入控制体的质量一离开控制体的质量 控制体中质量的增量 二 能量守恒原理 Ws Q min mout uin uout gzin gzout 能量守恒原理进入系统的能量 离开系统的能量 系统储存能量的变化 进入控制体的能量 离开控制体的能量 控制体储存能的变化 代入后得到 流动功的引入 Ws Q min mout uin uout gzin gzout 流动功的表达式 推进功 流动功 推动功 p A p V dl W推 pAdl pVw推 pv 注意 不是pdvv没有变化 对流动功的说明 1 与宏观流动有关 流动停止 流动功不存在 2 作用过程中 工质仅发生位置变化 无状态变化 3 w推 pv与所处状态有关 是状态量 4 并非工质本身的能量 动能 位能 变化引起 而由外界做出 流动工质所携带的能量 可理解为 由于工质的进出 外界与系统之间所传递的一种机械功 表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量 开口系能量方程微分式 Q min u pv c2 2 gz in Ws mout u pv c2 2 gz out dEcv 工程上常用流率 开口系能量方程微分式 当有多条进出口 流动时 总一起存在 3 5开口系统稳定流动能量方程 一 稳定流动的能量方程 Wnet Q min mout uin uout gzin gzout 稳定流动工程上常用的热工设备 除启动 停止或者加减负荷外 大部分时间是在外界影响不变的条件下稳定运行的 可以认为处于稳态稳定流动状态 1 工质以恒定的流量连续不断地进出系统 系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定 不随时间变化 称稳态稳流工况 2 实现稳定流动的必要条件 1 进 出口截面处工质的状态不随时间而变 2 单位时间系统与外界交换的热量和功量都不随时间而变 3 各流通截面上工质的质量流量相等 且不随时间而改变 3 轴功 通过机械轴和外界交换的功称为轴功 用Ws表示 离开系统的能量 由于是稳定流动 系统储存能的变化量为0 代入能量平衡方程式 可得开口系统稳定流动能量方程 单位质量工质 进入系统的能量 稳定流动能量方程 适用条件 任何流动工质 任何稳定流动过程 在上式中 后三项实际上都属于机械能 故把此三项合并在一起称技术功 Wt 单位质量工质 故开口系统的稳定流动能量方程还可以写为 二 几种功的关系 w wt pv c2 2 ws g z 做功的根源 ws 在热力过程中可被直接利用来作功的能量 称为技术功 三 准静态下的技术功 准静态 准静态 热一律解析式之一 热一律解析式之二 技术功在示功图上的表示 四 柏努利方程 对于流体流过管道 压力能动能位能 机械能守恒 柏努利方程 例1 门窗紧闭的房间内有一台电冰箱正在运行 若敞开冰箱的大门就有一股凉气扑面 感到凉爽 于是有人就想通过敞开冰箱大门达到降低室内温度的目的 你认为这种想法可行吗 解 按题意 以门窗禁闭的房间为分析对象 可看成绝热的闭口系统 与外界无热量交换 Q 0 如图3 1所示 当安置在系统内部的电冰箱运转时 将有电功输入系统 根据热力学规定 W 0 由热力学第一定律可知 即系统的内能增加 也就是房间内空气的内能增加 由于空气可视为理想气体 其内能是温度的单值函数 内能增加温度也增加 可见此种想法不但不能达到降温目的 反而使室内温度有所升高 若以电冰箱为系统进行分析 其工作原理如图3 1所示 耗功W后连同从冰室内取出的冷量一同通过散热片排放到室内 使室内温度升高 例2 带有活塞运动汽缸 活塞面积为f 初容积为V1的气缸中充满压力为P1 温度为T1的理想气体 与活塞相连的弹簧 其弹性系数为K 初始时处于自然状态 如对气体加热 压力升高到P2 求 气体对外作功量及吸收热量 设气体比热CV及气体常数R为已知 解 取气缸中气体为系统 外界包括大气 弹簧及热源 1 系统对外作功量W 包括对弹簧作功及克服大气压力P0作功 设活塞移动距离为x 由力平衡求出 初态 弹簧力F 0 P1 P0终态 对弹簧作功 克服大气压力作功 系统对外作功 2 气体吸收热量 能量方程 式中 W 已求得 而 例3 两股流体进行绝热混合 求混合流体参数 解 取混合段为控制体 稳态稳流工况 Q 0 Ws 0动能 位能变化忽略不计 能量方程 即 若流体为定比热理想气体时 则 例4 压气机以的速率吸入P1 t1状态的空气 然后将压缩为P2 t2的压缩空气排出 进 排气管的截面积分别为f1 f2 压气机由功率为P的电动机驱动 假定电动机输出的全部能量都传给空气 试求 1 进 排气管的气体流速 2 空气与外界的热传递率 解 取压气机为控制体 1 进 排气管气体流速 由连续性方程和状态方程 进气流速 同理 排气流速 2 热传递率 忽略位能变化能量方程 设气体为定比热理想气体 式中 例5 如图3 4所示 已知气缸内气体p1 2 105Pa 弹簧刚度k 40kN m 活塞直径D 0 4m 活塞重可忽略不计 而且活塞与缸壁间无摩擦 大气压力p0 1 105Pa p2 5 105Pa 求该过程弹簧的位移及气体作的膨胀功 解 以弹簧为系统 其受力F kL 弹簧的初始形变长度为 弹簧位移 气体作的膨胀功原则上可利用可用功计算 但此时p与V的函数关系不便确定 显然 气体所作的膨胀功W应该等于压缩弹簧作的功W1加克服大气阻力作的功W2 因