第3章热力学第一定律.ppt

1、第三章 热力学第一定律,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,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） 核能 化学能（一般不考虑）,一、热力学能（内能）,1、分子动能与温度T有关； 2、分子位能与比容v有关； 3、热力学能与温度T和比容v有关；,说明： 1、内能是状态量 2、U : 广延参数 kJ u : 比参数 kJ/kg 3、内能总以变化量出现，内能零点人为定,注意： 对理想气体u=f (T),二、外储存能,系统工质与外力场的

2、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,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 J,1kg的物质：e = u + ek + ep J/kg,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,热量,kJ 或 kcal 且l kcal=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

3、统吸热热量为正，系统放热热量为负,单位：,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W:,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：l J=l Nm,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。,种类:,注意:,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),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

4、其它功区别,流动工质传递的总能量,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,3-3 闭口系能量方程,对于简单可压缩系统，系统吸收的热量，一部分用于对外作功，一部分用于改变系统的内能。,Q-W=U Q=W+U q=du+w,备注：在此不计系统宏观动能和重力位能的变化，即 E=U=U2-U1,闭口系能量方程的通式,q = du + w,思考：若在地球上研究飞行器，就要考虑宏观动能与重力势能

5、 q = de + w = du + dek + dep + w,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,理想气体内能变化计算考虑热力学第一定律的定容热力变化过程,qv = du v+ pdv dv=0 qv = duv,对于理想气体 du v=f(T),适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程,用定值比热计算:,用平均比热计算 :,理想气体组成的混合气体的内能：,热力学一定律在循环过

6、程1-2-3-4-1的应用,例题：有一绝热容器，有隔板将它分成A、B两部分，开始时，A中盛有TA=300K，pA=0.1MPa、VA=0.5m3的空气；B中盛有TB=350K，pB=0.5MPa、VB=0.2m3的空气，求打开隔板后两容器达到平衡时的温度和压力。,A,B,隔板, 3-4 开口系能量方程,两条基本原则,质量守恒原则 进入控制体的质量-离开控制体的质量=控制体中质量的变化 能量守恒原则 进入控制体的能量-离开控制体的能量=控制体储存能量的变化,Wnet,Q,推进功的引入,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + g

7、z)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,这个结果与实验不符!,少了推进功,推进功的表达式,推进功（流动功、推动功）,p,A,p,V,dl,W推 = p A dl = pV w推= pv,注意： 不是 pdv v 没有变化,对推进功的说明,1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在,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

8、一种能量,开口系能量方程的推导,Wnet,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,min,pvout,开口系能量方程微分式,Q + min(u + pv+c2/2 + gz)in - Wnet - 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,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,稳定流动条件,Steady State Steady Flow(SSSF),1、,2、,3、,轴功Shaft work,每截面状态不变,4、,稳定流动能量方程的推导,稳定流动条件,0,稳定流动能量方程的推导,1kg工质,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,几种功的关系,w,wt,(pv), c2/2,ws,gz,做功的根源,ws,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,机械能守恒,对于流体流过管道，,压力能 动能 位能,机械能守