第一部分熱力學基本定律

第一章能量與熱力學第一定律

本章提要:

本章闡明熱力學第一定律的實質一一能量守恒，給出了熱力學第一定律的基本表達式及其對開口系統的表達式，導出了工程上具有重要意義的穩定流動能量方程式，簡單介紹了非穩定流動的能量方程，舉例說明了熱力學第一定律在不同工程問題上的具體應用。第一部分熱力學基本定律

第一章能量與熱力學第一定律

本章要求:1．

深刻認識熱力學第一定律的實質——能量守恒。

2．了解熱和功是系統與外界交換能量的兩種方式，知道其定義、特性及計算方法。3．掌握熱力學第一定律能量方程的基本表達式及穩定流動能量方程，并對非穩定流動能量方程有初步的認識。4．了解熱力學第一定律對工程實踐的指導作用，能靈活運用能量方程對實際工程中的能量轉換過程進行分析、計算和研究。

2－1熱力學第一定律的實質

一能量轉換與守恒定律

自然界一切物質都具有能量。能量不可能創造也不可能消滅，而只能在一定條件下從一種形式轉變為另一種形式，在轉換中能量總量恒定不變

2－1熱力學第一定律的實質

二幾種說法在任何發生能量傳遞和轉換的熱力過程中，傳遞和轉換前后能量的總量維持恒定熱功可以互相轉換，但轉換前后總量不變永動機是不可能制造成功的

2－2功一功的定義和性質1在力學中的定義物體所受的力及其沿力的方向所產生的位移的乘積功量是過程量，與狀態量不同，說某狀態下具有多少功量是毫無意義的。功用W

表示

2－2功一功的定義和性質2在熱力學里的定義功是物系間相互作用而傳遞的能量。當系統完成功時，其對外界的作用可用在外界舉起重物的單一效果來代替3功的單位和符號4比功w＝W/m

2－2功三氣體的容積變化功

2－2功三氣體的容積變化功活塞移動dx時所作的功量為

§W=pAdx＝pdV

準平衡過程體積變化功W＝∫pdV

2－2功三氣體的容積變化功幾點說明：1適用于任意準平衡過程，與熱力系的幾何形狀無關2系統在準平衡過程中完成的功量亦可稱為準靜功。準靜功可以僅通過系統內部的參數來描述

3必須知道過程方程式P＝f(V)，才能算出該過程的功量4P－V

圖上可以用面積表示功量，故p-V圖又稱為示功圖5功量是過程量而不是狀態量6氣體膨脹，dV＞0，功量為正，系統對外做功

2－3熱1定義：熱力系與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱。2熱的傳遞不能像功的傳遞那樣，可以折合為外界重物高度變化的單一效果3是過程量而不是狀態量，因此說“物體具有多少熱量”及“物體具有多少功量”都是錯誤的4熱力系吸熱時熱量取正號，放熱時取負號

2－4

循環的第一定律表達式焦耳實驗表明：熱力系經歷一循環過程回到初態時，系統在整個循環中從外界吸入(或放出)的熱量等于其對外完成的(或得到的)功量。

2－5

狀態參數熱力學能∮(§Q-§W)=01-A-2和1-C-2是由1到2任意選擇的不同途徑積分的結果與積分途徑無關被積函數必定是某一個態函數的全微分用U

表示這個態函數dU＝§Q-§W以一定方式儲存于熱力系內部的能量叫做系統的熱力學能(亦稱內能)熱力學能是一個狀態參數，可用其它獨立狀態參數表示出來

2－6熱力系與外界的物質交換

一質量守恒方程式穩態穩定流動過程：流道內各點流體的熱力狀態及流動情況不隨時間變化

min=mout

2－6熱力系與外界的物質交換

二流動功1

推擠功克服某種作用力，使氣體發生宏觀位置移動所消耗的功

2

流動功使流體從截面1流入到截面2流出的流動過程中，系統付諸于質量遷移所作的功Wf=p2V2-p1V1=△(pV)

2－7熱力學第一定律的表達式一基本表達式

Q＝⊿U＋W1適用于閉系內進行的一切過程(包括各種非平衡過程及準平衡過程)2只涉及到熱力學能、熱、功的相互轉換，是熱力學的主要研究對象，所以稱基本表達式

2－7熱力學第一定律的表達式二開系能量方程式最一般的形式：

dEcv=§Q+∑§min(u+pv+1/2c2+gz)in

-∑§mout(u+pv+1/2c2+gz)out-§wnet

dEcv=§Q+∑§min(h+1/2c2+gz)in

-∑§mout(h+1/2c2+gz)out-§wnet

適用于任何工質任何過程任何流動

2－7熱力學第一定律的表達式二開系能量方程式焓的說明：1定義：h=u+pv2物理意義：流動工質的熱力學能和推擠功之和，可以認為是流動工質所攜帶的能量3性質：是狀態參數，是狀態量4目的：為了計算方便

2－7熱力學第一定律的表達式三穩定流動能量方程式穩定流動過程系統與外界的功量和熱量交換情況不隨時間改變，系統內各處流體的熱力狀態和流動情況也不隨時間變化能量方程式Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

適用于任何工質，任何過程，穩定流動的開系

2－7熱力學第一定律的表達式四用技術功Wt表示的穩定流動能量方程式

Wt＝1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Q=⊿H+Wt

因為Q＝⊿U＋WQ=⊿H+Wt＝⊿U＋Wf＋Wt

所以Wt＝W－Wf

2－7熱力學第一定律的表達式五穩定流動開系各種功之間的關系1

Wt＝1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

2W＝Wt＋Wf3對簡單可壓縮系統：4對準平衡過程：§Wt＝§W－§Wf＝pdv－d（pv）=－vdp

2－8能量方程式的應用1熱力發動機Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Wnet=－⊿H＝H1–H2

輸出凈功等于焓的降落

2－8能量方程式的應用2噴管

噴管是使氣流加速的設備。它通常是一個變截面的流道Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

1/2m⊿cf2=－⊿H＝H1–H2

動能增加等于焓的降落

2－8能量方程式的應用3氣輪機葉輪氣流流經氣輪機葉輪上的動葉柵，推動轉輪回轉對外作功Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Wne

＝1/2m（cf12－cf22）

2－8能量方程式的應用4熱交換器電廠中鍋爐、加熱器等換熱設備均屬于熱交換器Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Q=⊿H＝

H2–H1

得到的熱量等于焓的增加

2－8能量方程式的應用5壓氣機壓氣機是消耗外功而使氣體升壓的設備Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

－Wnet=

H