能量与热力学第一定律

1、能量与热力学第一定律 能量与热力学第一定律 本章提要及安排 本章提要: 本章阐明热力学第一定律的实质一一能量守恒，给出了热力学第一定律的基本表达式及其对开口系统的表达式，导出了工程上具有重要意义的稳定流动能量方程式，简单介绍了非稳定流动的能量方程，举例说明了热力学第一定律在不同工程问题上的具体应用。 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

2、中的能量转换过程进行分析、计算和研究。 本章主要内容及相互联系: 学习建议： 本章学习时间建议共4学时： 1 功、热与热力学第一定律的实质 1学时 2 循环的第一定律表达式及推论； 热力系与外界的物质交换 1学时 3热力学第一定律的表达式 1学时 4能量方程式的应用； 非稳定流动的能量方程式 1学时 2.1 功、热与热力学第一定律的实质 本节知识点： 热力学第一定律的实质 功 热 本节参考图片： 永动机 焦耳 本节典型例题： 例题2.1 本节基本概念： 能量转换与守恒定律 热力学第一定律 功 准静功 热 211 热力学第一定律的实质 热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力学中的应用，它确定热

3、力过程中各种能量在量上的相互关系。 运动是物质存在的形式，是物质固有的属性，没有运动的物质正如没有物质的运动一样是不可思议的。能量是物质运动的度量。物质存在各种不同形态的运动，因而能量也具有不同的形式。各种运动形态可以相互转化，这就决定了各种形式的能量也能够相互转换。各种能量的相互转换是人类在实践中的一个伟大的发现。 在研究能量的转换中，人们首先关心的是各种能量在其相互转换过程中彼此之间量的关系。物质和能量是相互依存的，既然物质是某种既定的东西，是某种既不能创造也不能消灭的东西，那么能量也就是不能创造也不能消灭的。如果我们创造了或消灭了任何能量岂不是意味着与之相伴存在的某些物质的创造或消灭吗?

4、能量守恒反映了物质世界中运动不灭这一事实。由此，我们得到了所谓能量转换与守恒定律。这个定律告诉我们：“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。” 热力学是研究能量及其特性以及热能与其它形式的能量之间相互转换规律的科学，其所涉及的各热力过程应遵从能量守恒定律，即“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”。这种说法称为热力学第一定律。在任何热力系进行的 任意过程中，热力学第一定律是对参与过程的各种能量进行量的分析的基本依据。热力学第一定律是一个普遍的自然规律，它存在于一切热力过程中

5、，并贯穿于过程的始终。 历史上，热力学第一定律的建立正好在资本主义发展初期。那时，有人曾幻想创造不消耗能量而获得动力的“永动机”，但都遭到失败。对于这种尝试的最后科学判决只有在能量守恒定律建立以后才成为可能。针对这种创造永动机的企图，热力学第一定律可表述为：“永动机是不可能制造成功的。” 22 循环过程的表达式及推论 本节知识点： 循环过程热力学第一定律的表达式 状态参数热力学能 外部储存能 系统的总储存能 本节动画演示： 循环过程第一定律 本节基本概念： 系统的热力学能 比热力学能 外部储存能 内部储存能 比宏观动 能 比重力位能 总储存能 221 循环过程热力学第一定律的表达式 下面研究热

6、和功穿过边界传入某闭口热力系使之完成封闭循环时的情况。 观察一个最简单的例子。如图2-3所示，在容器中盛有一定量的气体，并有一搅拌器置于其中。容器、搅拌器和气体组成一个热力系。这是一个闭口系统。让此热力系从初态经历一个循环过程而回到初态。例如，先将容器绝热，让重物下落使搅拌器回转。这时，有功加入到热力系中，依靠摩擦功转变为热使气体温度升高。然后使气体对环境放热，温度下降而回复到原态。这样，热力系经历了一个循环过程。在循环中系统从外界得到功量 ?w， 而放出热量 ?q。 图2-3 焦耳实验 利用不同重物并进行多次测量后焦耳首先发现加入的功量总是与放出的热量成比例，即 ?q?a?w (2-10)

7、式中，a 为比例常数，称为功的热当量。在公制单位中，a =1427kcal/(kgfm).在法定 计量单位中，功与热均取焦耳作单位，此时a 1，而式 (2-10)可写作 ?q?w (2-11) 上式说明，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。实际上，这是能量转换与守恒定律在循环中的必然反映。上述结论具有普遍意义。式(2-11)适用于任何与外界有功和热交换的封闭系统所完成的任意封闭循环，称为闭系循环过程热力学第一定律的表达式。 222 状态参数热力学能 在循环过程中，闭系热力学第一定律的表达式可写作 ?(?q?w)?0 今若有

8、任意循环1-a-2-b-1(图 2-4)，则可写出 1a2b1?(?q?w)?0 或 ?1a2(?q?w)?(?q?w)?02b1 ?1a2(?q?w)?(?q?w)2b1 图2-4 热力学能的导出 同样，在另外一个任意选择的循环1-c-2-b -1中也有 ?因此 1c2(?q?w)?(?q?w)2b1 ?1a2(?q?w)?(?q?w)1c2 1-a-2和1-c-2是由1到2任意选择的不同途径。上式说明，该积分的结果与积 分途径无关。因此，被积函数必定是某一个态函数的全微分。我们用u 表示这个态函数，则有 du?q?w (2-12) 式中，du 代表在某微元过程中系统吸入的微小热量 ?q与对

9、外输出的微小功量 ?w之间的差值，也即是系统从外界得到的净能量输入。由能量守恒定律可以判定，系统既然有净能量输入，则它绝不会自行消失，而必然以某种方式储存于热力系统中。这种以一定方式储存于热力系内部的能量叫做系统的热力学能(亦称内能)。热力学能是一个态函数。根据以上的论述可知，这个态函数的存在是根据能量守恒定律推论而判定的。 从微观观点来看，热力学能是与物质内部粒子的微观运动和粒子空间位形有关的能量。在分子尺度上。热力学能包括分子移动、转动、振动运动的动能，分子间由于相互作用力的存在而具有的位能；在分子尺度以下，热力学能还包括不同原子束缚成分子的能量，电磁偶极矩的能量；在原子尺度内，热力学能还包括自由电子绕核旋转及自旋的能量，自由电子与核束缚在一起的能量，核自旋的能量；在原子核尺度以下，热力学能还包括核能，等等。 工程热力学中，在我们所讨论的一般热力系所进行的过程里，常常没有分子结构及核变化。这时，热力学能停留在分子尺度上，只考虑分子运动的内动能uk及分子间由