第二章热力学第一定律

1、,安徽工业大学 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,主讲教师,朱宝忠,第二章：热力学第一定律,本章的主要内容,、热力学第一定律的实质； 、热力学第一定律在闭口系中的表达式； 、热力学第一定律在开口系中的表达式； 、热力学能U 及焓H的定义及物理意义； 、几种功的区别与联系；,实质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用, 18世纪初，工业革命，热效率只有1%, 1842年，J.R. Mayer阐述热力学第一定律，但没有引起重视, 1840-1849年，Joule用多种实验的一致性 证明热力学第一定律，于1850年发表并得到公认,2-1 热力学第一定律的实质,热力学第一定律

2、的普遍表达式,进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统能量贮存的变化,适用于任何过程任何热力系,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。,焦耳实验,水温升高可测得热量， 重物下降可测得功,热功当量 1 cal = 4.1868 kJ,工质经历循环:,闭口系循环的热力学第一定律表达式,要想得到功，必须花费热能或其它能量,热力学第一定律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”,Slide 8,热力学第一定律的实质,一、第一定律的实质 能量守恒与转换定律在热现象中的应用。 二、第一定律的表述 热是能的一种，机械能变热能，

3、或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。 或： 热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。,内动能（分子平移，旋转，振动） 内位能（分子间作用力） 化学能（维持一定的分子结构） 原子能（原子核内部）,2-2 热力学能和总能,热力学能的组成：,如果无化学反应，无核反应， 热力学能 内动能 内位能,物质内部拥有的能量称为热力学能,1、热力学能的定义,2-2 热力学能和总能,二、热力学能的导出,任一热力系统的循环,二、热力学能的导出,对于循环1a2c1,对于循环1b2c1,状态参数（dU）,p,V,1,2,a,b,c,2、热力学能

4、的性质,分子动能（移动、转动、振动） 分子位能（相互作用） 核能 化学能,热力学能, 热力学能是状态参数, U : 广延参数 J u : 比参数 J/kg, 热力学能总以相对量出现，热力学能零点人为定,2-2 热力学能和总能,3、热力学能U 的物理意义,dU = Q - W,W,Q,dU 代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。,U 代表储存于系统内部的能量 内储存能（内能、热力学能）,2-2 热力学能和总能,五、闭口系热力学第一定律表达式,定义 dU = Q - W 热力学能U 状态参数,Q = dU + W Q = U + W,闭口系热力学第一定

5、律表达式,！两种特例,绝功系 Q = dU,绝热系 W = - dU,4、系统总能,外部储存能,宏观动能 Ek= mc2/2,机械能,系统总能,E = U + Ek + Ep,e = u + ek + ep,宏观位能 Ep= mgz,用比参数表示 的系统总能,2-2 热力学能和总能,2-3 能量的传递和转化,一、能量传递的两种方式, 作功,伴随着能量形态的变化,物体的宏观位移,特点,功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。,The area under the curve is the work,The work depends on the process

6、 path,作功的说明,“作功”是系统与外界间的一种相互作用，是越过系统边界的能量交换。 功是指作功过程中在传递着的能量的总称，过程一旦结束就再无所谓功。 机械能与机械功、电能与电功等同吗？ 系统可以拥有电能，机械能，但决不会拥有电功、机械功之类的功。功只不过是特定条件下在过程中传递着的能量。 系统是否作功应以过程在外界所引起的效果来判断，而不应从系统的内部去寻找依据，对系统的内部来说无所谓“功”。 功是有序能量传递。,过程功和有用功的概念,过程功：按照系统在热力过程中的状态变化而应该作出的功。 系统的过程功中通常可以区分为有用功和无用功的两个部分。 对大气所作的任何功是无用的，克服摩擦所作的

7、功都转变为热量，因而也是无用的。 像设备从转轴上传出的轴功，提升重物所作的机械功，以及工质本身的宏观动能和重力位能的增加（可以利用相关机械设备进一步使之转变为轴功等机械功）都属于系统所作的有用功。 有用功：技术上有用的，可以输给功源的功。 功源：一种可以向热力系作功或从热力系统接受功的外界物体或装置。,系统与外界之间的另一种相互作用，是系统与外界之间依靠温差进行的一种能量传递现象，所传递的能量称为热量。,传热,热量符号规定： 系统从外界吸热为正；向外界放热为负,热能和热量不是同一个概念 温差虽然是传热过程的推动势差，但是系统温度的变化与传热并无必然的联系。 温度变化说明系统的状态有了变化但不能

8、由此判断出系统是否曾经吸热或放热 热能是微观粒子无序紊乱运动的能量 热量符号规定：系统从外界吸热为正；向外界放热为负,not,传热,可逆过程的热量计算,利用熵参数进行热量计算,熵的定义式,J/K,或,J/(kg.K）,可逆过程的热量可如下计算,2-4热力学第一定律的基本能量方程式,热力学第一定律: 能量守恒与转换定律 在热现象中的应用。,进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统内部储存能量的变化,热力学第一定律的文字表达式:,、热力学第一定律的表述,闭口系能量方程, W, Q,一般式,Q = dU + W Q = U + W,q = du + w q = u + w,单位工质,适用条件：

9、1）任何工质 2) 任何过程,（）闭口系能量方程中的功,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 +.,2-4热力学第一定律的基本能量方程式,、闭口系能量方程,简单可压缩系的准静态、可逆过程的容积功,w = pdv,简单可压缩系可逆过程, q = Tds,q = du + pdv,q = u + pdv,Tds = du + pdv, Tds = u + pdv,热力学恒等式,2-4热力学第一定律的基本能量方程式,、闭口系能量方程,门窗紧闭房

10、间用电冰箱降温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程,T,电冰箱,门窗紧闭房间用空调降温,以房间为系统,闭口系,闭口系能量方程,T,空调,Q,例 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1】,如图，气缸内充以空气，活塞及负载195 kg，缸壁充分导热，取走100 kg负载，待平衡后，求：,（1）活塞上升的高度,（2）气体在过程中作的功，已知,【例2】,解：取缸内气体为热力系闭口系。,首先计算状态1及2的参数：,分析：突然取走100 kg负载，气体失去平衡，振荡后最终建立新的平衡态。虽不计摩擦，因非准静态，故过程不可逆，可

11、应用第一定律解析式。,过程中质量m不变,（1）求活塞上升的高度,（2）气体在过程中作的功,据,m2= m1,T2=T1,由于,？,不可逆,外力,讨论：活塞及其上重物位能增加,向上移动了5 cm，因此体系对外力作功,？,【例3】,如图所示，闭口系内的一定量气体由状态1经1a2变化至状态2，吸热70kJ，同时对外做功25kJ，试问：（1）工质若由1经1b2变化到2时，吸热为90kJ，则对外做功是多少？（2）若外界对气体做功30kJ，迫使它从状态2经2c1返回到状态1，则此返回过程是吸热过程还是放热过程？其值为多少？,解 （1）热力系经历1a2过程后，吸热Q=70kJ，对外做功W=25kJ，,因热力

12、学能是状态参数，其变化量只与工质的初、终态有关。所以,已知热力系经历1b2过程后，吸热Q=90kJ，则,（2）热力系由2变化到1，其热力学能的变化量,外界对气体做功,热量为负值，表示该过程为放热过程。,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。,、推导原则,能量守恒原则 进入系统的能量- 离开系统的能量= 系统储存能量的变化, 2-5 开口系能量方程, 2-5 开口系能量方程,假定控制容积形状、大小、空间位置均不随时间改变。 因而统计系统的总能时，不考虑系统整体的外观能量

13、，但要计及流体的流动动能，重力位能以及热力学能。 系统除与外界有物质流交换，在没有质量流穿越的边界上还可以有传热和作功的相互作用。 虽然假定系统边界不能移动，但是系统可以通过转轮转轴与外界交换轴功。 系统进出口界面上没有热量和功的交换。 假定进、出口截面上存在局部平衡。 可以用流体在进入或离开系统的状态参数作为流体在进、出口界面的参数。 假定流动为一元流动 仅在沿流动的方向上才有参数的变化。,、问题简化,、推导,Wi,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,能量守恒原则 进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统储存能量的变化, 2-5 开口系能量方程,dEcv,、推动

14、功,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wi = dEcv,这个结果与实验不符,少了推动功, 2-5 开口系能量方程,F = PA,Wflow = FL,= PAL,= PV, 2-5 开口系能量方程,、推动功,推进功、推出功,A,dl,W推进= Pin Ain dl = PinVin w推进= pinvin,注意： 不是 pdv v 没有变化,pin,同理,W推出= Pout Vout w推出= poutvout,、推动功, 2-5 开口系能量方程,、流动功的定义,流动功定义为开口系统的推出功与推进功之差,是系统为维持工质流

15、动所需的功, 2-5 开口系能量方程,、对推动功的说明,1、与宏观流动有关，流动停止，推动功不存在,2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化,3、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, 2-5 开口系能量方程, 2-5开口系能量方程,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wi = dEcv,Wi,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,min,pvou

16、t,、开口系统能量方程表达式,Q + min(u + pv+c2/2 + gz)in - Wi - mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv,工程上常用流率(单位时间内某一量的值的大小）,2-5开口系能量方程,、开口系统能量方程表达式,当有多条进出口：,流动时，总一起存在,2-5开口系能量方程,、开口系统能量方程表达式,、焓的引入,（）定义：焓 h = u + pv,开口系能量方程,2-5开口系能量方程,（）焓（Enthalpy) 的说明,定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ ,1、焓是状态量（以相对值给定）,2、H为广延参数 H=U+pV

17、= m(u+pv)= mh h为比参数,3、对流动工质，焓代表能量(内能+推动功) 对静止工质，焓不代表能量,4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决 于热力状态的能量。,、焓的引入,2-5开口系能量方程,1、稳定流动条件,1、,2、,3、,轴功Shaft work,每截面状态不变,4、,min,Wi,Q,mout,uin,uout,gzin,gzout,2-6稳态稳流能量方程,2、稳定稳流的定义,当流动系统中（包括进、出口截面上）各点的热力学状态及流动情况（流速、流向）不随时间变化时，称系统处于稳态稳流,1、系统各截面状态参数不随时间变化,2、系统与外界的能量交换不随时间变化,3、系统

18、自身能量贮存与质量贮存不随时间变化,2-6稳态稳流能量方程,3、稳定流动能量方程的推导,稳定流动条件,0,2-6稳态稳流能量方程,1kg工质,稳定流动时的能量方程,3、稳定流动能量方程的推导,2-6稳态稳流能量方程,4、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,2-6稳态稳流能量方程,5、稳定流动能量方程分析,宏观运动的机械能,过程中消失的热能,控制容积中的能量转换关系,2-6稳态稳流能量方程,技术功wt,2-6稳态稳流能量方程,5、稳定流动能量方程分析,稳流开口系,闭口系,两种过程中消失了的热能数量上都等于（qu）,任何情况下，热力过程造成的热变功效果只是（qu），即 过程功,工质的过程功是热变功的根源,2-7能量转换关系分析,1、综合分析,2、稳流开口与闭口的能量方程,闭口,稳流开口,等价,2-7能量转换关系分析,1)通过膨胀，由热能,2)第一定律两解析式可相互导出，但只有在开系中能量方程才用焓。,功，w = q u,总之：,容积变化功w,技术功wt,轴功wi,推动功