03第一定律

第三章热力学第一定律第一节热力学第一定律的实质第二节能量第三节封闭系统热力学第一定律的表达式第四节开口系统热力学第一定律的表达式第五节稳定流动能量方程的应用第一节热力学第一定律的实质实质正说反说表述实质“热力学第一定律”的实质是能量转换与守恒定律在热力学中的应用。19世纪30-40年代，许多科学家前赴后继，迈尔·焦耳（德国医生）最后发现和确定了能量转换与守恒定律。能量转换与守恒定律指出“一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒定不变”。这一真理可以说：“颠扑不破”、“放之四海而皆准”。因为至今为止，没有一个人提出一个事实不符合这条自然规律，相反，在各个领域：天文、地理、生物、化学、电磁光、宏观、微观各领域都遵循这条规律。当然我们热力学就是研究能量及其特性的科学，它必然要遵循这条规律。恩格斯说：能量转换与守恒定律是19世纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。热力学第一定律的描述任何发生能量传递和转换的热力过程中，能量的总量始终保持不变。输入系统的能量-系统输出的能量=系统储存能量的变化“热力学第一定律”的建立是在资本主义发展初期，那时，有人曾提出各式各样不消耗能量而获得动力的装置，称为第一类“永动机”，但均失败了。为什么？因为它违反了“热一”，故“热一”的另一形象的说法是“第一类永动机是不可能制造成功的”（1975年法国科学院）。——反说第一类永动机－实例在欧洲，早期最著名的一个永动机设计方案是十三世纪时一个叫亨内考的法国人提出来的。如图所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着12个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。方案的设计者认为，右边的球比左边的球离轴远些，因此，右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿着箭头所指的方向转动下去，并且带动机器转动。这个设计被不少人以不同的形式复制出来，但从未实现不停息的转动。仔细分析一下就会发生，虽然右边每个球产生的力矩大，但是球的个数少，左边每个球产生的力矩虽小，但是球的个数多。于是，轮子不会持续转动下去而对外做功，只会摆动几下，便停在右图中所画的位置上。第二节能量储存的能量传递的能量内部储存能（热力学能）外部储存能内动能uk=f(T)内势能up=f(T,v)动能EK势能EP能量功热量一、储存能量：内部储存能---内部状态参数决定外部储存能---外部状态参数决定1、内部储存能—热力学能分子运动的平均动能和分子间势能称为“热力学能”符号：Uu(单位质量热力学能）单位：kJkJ/kgu=U/mu=f(t,v)2、外部储存能——动能Ek和势能Ep由系统速度和高度决定3、系统的总储存能（总能）E=U+Ek+Ep单位质量e=u+ek+ep二、系统与外界传递的能量封闭系统，传递的能量有两种：功和热量1、功（1）.热力学定义：21FdxwFdxw燃气进口排入大气当封闭系统通过边界，和外界之间发生相互作用时，如外界的唯一效果是升起重物，则系统对外界作了功，如外界的唯一效果是降低重物，则外界对系统作了功。真的举起了一个重物－力学定义的功。并未举起重物，只是作用的效果相当于或者说可折合为（转化为）一个重物的举起－功的热力学定义。（2）体积功：工质体积改变时所做的功。系统对外作功0w外界对系统作功0w功是过程量单位：J、kJAdxPwoutfoutfoutFPAAPFAPPA或dxFPAwf）（vpFfppoutdxAp1234dv封闭系统的膨胀功，APoutdxFPAwf)21（21210pdvdxpAwFf则，即可逆过程若21Pdvwpdv图上曲线下面的面积代表容积功12pv可逆过程中容积功在ｐ│ｖ图上的表示21wpdv*强调：2.称为压缩功1.pv0dv0ww称为膨胀功有0dv0ww有有0dv0w2、热量（heat）(1)定义：仅仅由于温差而通过边界传递的能量。(2)符号约定：系统吸热“+”；放热“-”(3)单位：JkJ(4)计算式及状态参数图21d(δdQTSQTS可逆过程）热量是过程量（T-s图上）表示热量与功的异同：(1)均为通过边界传递的能量；(3)功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；(4)功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量；热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。功(2)均为过程量；热是无条件的；热功是有条件、限度的。图上曲线下面的面积代表容积功图上曲线下面的面积代表容积功1122ppvv可逆过程中容积功在可逆过程中容积功在ｐｐ│ｖ图上的表示│ｖ图上的表示21wpdv*强调：2.2.称为称为压缩功压缩功1.1.pv0dv0ww称为称为膨胀功膨胀功有有0dv0ww有有有有0dv0w四、熵的性质1.熵是状态参数，是尺度量。2.T-s（温-熵）图上可逆过程曲线下的面积等于过程热量。qT？T？121212？Tdq可逆过程ds0吸热ds0放热ds=0无热交换3.熵产是过程不可逆性的度量。可逆的绝热过程为等熵过程21wpdv示功图示热图项目WQ推动力△p△T标志状态参数v状态参数？dv﹥0膨胀功dv=0无功dv﹤0压缩功d？﹥0吸热d？=0绝热d？﹤0放热图示图上曲线下面的面积代表容积功图上曲线下面的面积代表容积功1122ppvv可逆过程中容积功在可逆过程中容积功在ｐｐ│ｖ图上的表示│ｖ图上的表示21wpdv*强调：2.2.称为称为压缩功压缩功1.1.pv0dv0ww称为称为膨胀功膨胀功有有0dv0ww有有有有0dv0w四、熵的性质1.熵是状态参数，是尺度量。2.T-s（温-熵）图上可逆过程曲线下的面积等于过程热量。qT？T？121212？Tdq可逆过程ds0吸热ds0放热ds=0无热交换3.熵产是过程不可逆性的度量。可逆的绝热过程为等熵过程21wpdv示功图示热图s项目WQ推动力△p△T标志状态参数v状态参数sdv﹥0膨胀功dv=0无功dv﹤0压缩功ds﹥0吸热ds=0绝热ds﹤0放热图示第三节封闭系统热力学第一定律的表达式QW热源功源WUQUWQ或wuq单位质量工质wduq微元过程吸热0q放热0q热力学能增加0u热力学能减少0u系统对外作功0w外界对系统作功0w可逆过程：pdvwpdvduq21pdvuq21pdVUQ任意工质、可逆过程1.适用于任意工质、任意过程。2.q、w分别为各个吸热、作功过程的代数和。3.U=U2-U1vpB12A例3-1:有一定质量的工质从状态1沿1A2到达终态2，又沿2B1回到初态1，并且kJWkJUUkJQBA51050121221试判断沿过程1A2工质是膨胀还是压缩，并且求工质沿1A2B1回到初态时的净吸热量和净功。解:kJUUQWAA401050)(1221210dUWQkJkJWQ35vpB12AkJWkJUUkJQBA51050121221是膨胀过程第四节开口系统热力学第一定律的表达式质量守恒方程力学定律能量守恒方程一元稳定流动一元流动：与流动方向垂直的同一截面上各点工质的状态参数和流速都是相同的，工质的状态参数和流速仅沿流动方向做一元变化。稳定流动：开口系统内任一点的状态参数和流速均不随时间而变化。1kg工质进入系统带入能量：1112111,21vPgzwueg推动功流出系统带出能量：2222222,21vPgzwueg推动功吸热：q作功：ws)21(111211qvPgzwug0)21(222222sgwvPgzwusggwzzgwwvpuvpuq)()(21)]()[(1222111222121.技术功wt—工程上可以直接利用的机械能s1222)()(2112wzzg)(212212ggwwsw喷气式发动机利用获得推力；汽轮机利用带动螺旋桨或发动机等；水泵利用)(12zzg来提高水的位能。212211vdp)(vpvpuqwtp1p2v1v2vP12w准静态过程的技术功的大小可用过程线左边的面积来表示sggwzzgwwvpuvpuq)()(21)]()[(1222111222122.焓—状态参数twvpuvpuq)]()[(111222pvuh比焓J/kgpVUH总焓JmhHtwhhq12推动功稳定流动能量方程tsggwhhqwzzgwwhhq12122212)()(2112tsgwdhqwdwdhq221微元过程vdpdhq可逆过程)(2112vdphhq积分形式第五节稳定流动能量方程的应用开口系统的典型设备:1.换热器：如锅炉、冷凝器等2.喷管和扩压管3.产生功的装置：如蒸汽轮机、燃气轮机4.消耗功的装置：如泵、压缩机5.节流装置：如膨胀阀一、换热器(锅炉)kgkJzzg/294.0308.9)(120swkgkJwwgg/45.0)(21221212hhq适用于任意工质、任意过程1－流入2－流出Q无转动机械：1Kg水水蒸气需q=2090KJ/Kg一般：wg1=1-2m,wg2小于30m/s故：高度h小于30m,故：相对于q,动能、位能的增量可以忽略，故：sggwzzgwwhhq)()(2112221212二、喷管和扩压管sggwzzgwwhhq)()(2112221212Wg2Wg111112222流入流出喷管扩压管Wg1流入0q0sw2122)(2112hhwwgg12ggww21hh喷管12ggww12hh扩压管2122)(2112vdpwwgg可逆流动三、汽轮机流入流出12ws21hhwsq=0wt=wS0)(212212ggww四、泵和压缩机21hhwssggwzzgwwhhq)()(211222121221hh五、绝热节流装置0)(212212ggww0,21swzz0qsggwzzgwwhhq)()(211222121221hh12hhq2122)(2112hhwwgg21hhws21hh换热器喷管和扩压管汽轮机和压缩机节流装置smhhwg/1.93810)23402780(2)(23212略去入口流速kgkJh/27801kgkJh/23402smwg/201例3-2已知喷管：smwhhwgg/3.9382010)23402780(2)(22322112解2122)(2112hhwwggkgkJhh/438'21kgkJhhq/130438568'22hkgqQqm/5.32113041800膨胀阀蒸发器12解：kgkJh/4381kgkJh/5682例3-5已知：节流装置＋换热器冰箱的一部分2作业P32-33思考题：2习题：1、3、6、8