《热力学一定律》PPT课件.ppt

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1、第二章热力学第一定律,The First Law of Thermodynamics,目录,2-1 热力学第一定律的本质2-2 热一律的推论内能2-3 闭口系能量方程2-4 开口系能量方程2-5 稳定流动能量方程2-6 稳定流动能量方程应用举例,2-1 热力学第一定律的本质,1909年，C.Caratheodory最后完善热一律,本质：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（德国）阐述热一律，但没有引起重视,1840-1849年，Joule（英国）用多种实验的一致性证明热一律，于1950年发表并得到公认,焦耳实验,1、重物下降，

2、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:,Mechanical equivalent of heat,闭口系循环的热一律表达式,要想得到功，必须花费热能或其它能量,热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”,Q,第一类永动机,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,Wnet,Qout,电加热器,内能的导出,对于循环1a2c1,对于循环1b2c1,状态参数,p,V,1,2,a,b,c,2-2 热一律的推论内能,内能及闭口系热一律表达式,定义

3、dU=Q-W 内能U 状态参数,Q=dU+WQ=U+W,闭口系热一律表达式,！两种特例 绝功系 Q=dU 绝热系 W=-dU,内能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（内能或热力学能）,内能的微观组成,分子动能分子位能化学能核能,内能,移动,转动,振动,系统总能 total energy,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,e=u+ek+ep,一般与系统同坐标，常用U,dU,u,du,内能的说明,内能

4、是状态量,U:广延参数 kJ u:比参数 kJ/kg,内能总以变化量出现，内能零点人为定,热一律的文字表达式,热力学第一定律:能量守恒与转换定律,2-3 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：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+.,闭口系能量方程的通式,q=du+w,若在地球上研究飞行器 q=de+w=du+dek+dep+w,工程热力学用此式较少,应用示例,

5、已知：孤立系求：能量方程解：Q=U+W Q=0；W=0 U=0,准静态和可逆闭口系能量方程,1.简单可压缩系准静态过程,w=pdv,2.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,打开冰箱凉快一下,一直敞开冰箱门 能制冷整个房间吗？,思考：,门窗紧闭房间用电冰箱降温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程,T,电冰箱,RefrigeratorIcebox,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,Air-conditioner,例 自由膨胀,如图，,解：取气体为

6、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,2-4 开口系能量方程,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,开口系能量方程的推导,Wi,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wi=dEcv,这个结果与实验不符,少了推进功,推进功的表达式,推进功,p,A,p,V,dl,W推=p A dl=pV w推=pv,注意：不是 pdv v 没有变化,Flow work,回顾：热一律的文字表

7、达式,热力学第一定律:能量守恒与转换定律,回顾：闭口系能量方程,一般式,Q=dU+W Q=U+W,q=du+w q=u+w,单位工质,适用条件：1）任何工质 2)任何过程,回顾：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（泵与风机）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,开口系能量方程的推导,Wi,Q,pvin,mout,uin,uout,g

8、zin,gzout,Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wi=dEcv,min,pvout,开口系能量方程微分式,Q+min(u+pv+c2/2+gz)in-Wi-mout(u+pv+c2/2+gz)out=dEcv,工程上常用流率,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,焓Enthalpy的引入,定义：焓 h=u+pv,h,h,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,2、H为广延参数 H=U+pV=m(u+pv)=mh h为比参数,3、对流动工质，焓代表能量(内

9、能+推进功)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。,2-5 稳定流动能量方程,Wi,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,稳定流动条件,1、,2、,3、,每截面状态不变,4、,流动过程中，开口系统内部及其边界上各点工质的热力参数及运动参数都不随时间改变。,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,技术功,动能,工程技术上可以直接利用,内部功,机械能,位能,单位质量工质的开口与闭口,wi,q,稳流开口系,闭口系(1kg),

10、容积变化功,等价,技术功,稳流开口与闭口的能量方程,容积变化功w,技术功wt,闭口,稳流开口,等价,内部功wi,流动功(pv),几种功的关系？,几种功的关系,w,wt,(pv),c2/2,wi,gz,做功的根源（容积变化功）,wi,对功的小结,2、开口系，系统与外界交换的功为内部功wi,3、一般情况下忽略动、位能的变化,1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功w,wiwt,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,伯努利方程,对于流体流过管道，,柏努利方程,Bernoullis equation,2-6 稳定流动能量方程应用举例,热力学问题

11、经常可忽略动、位能变化,例：c1=1 m/s c2=30 m/s(c22-c12)/2=0.449 kJ/kg,z1=0 m z2=30 mg(z2-z1)=0.3 kJ/kg,1bar下,0 oC水的 h1=84 kJ/kg100 oC水蒸气的 h2=2676 kJ/kg,例1：透平(Turbine)机械,火力发电核电,飞机发动机轮船发动机移动电站,燃气机,蒸汽轮机,Steam turbine,1-轴；2-叶轮；3-动叶片；4-喷嘴,透平(Turbine)机械,1)体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,wi=-h=h1-h20,输出的功是靠焓降转变的,例2：压缩机械 Compressor

12、,火力发电核电,飞机发动机轮船发动机移动电站,压气机,水泵,制冷空调,压缩机,压缩机械,1)体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,wi=-h=h1-h20,输入的轴功转变为焓升,例3：换热设备Heat Exchangers,火力发电：,锅炉、凝汽器,核电：,热交换器、凝汽器,制冷空调,蒸发器、冷凝器,换热设备,热流体放热量：,没有作功部件,热流体,冷流体,h1,h2,h1,h2,冷流体吸热量：,焓变,例4：绝热节流Throttling Valves,管道阀门,制冷空调,膨胀阀、毛细管,绝热节流,绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等,h1,h2,没有作功部件,绝热,例5：喷管,火力发电

13、,蒸汽轮机静叶,核电,飞机发动机轮船发动机移动电站,压气机静叶,喷管,喷管目的：,压力降低，速度提高,动能与焓变相互转换,动能参与转换，不能忽略,例6：流体混合过程,Q=H+1/2mc2+mgz+WiQ=0；c20；z0；Wi=0 H=0 即 H3=H2+H1,第二章 小结 Summary,1、本质：能量守恒与转换定律,第二章 小结,通用式,2、热一律表达式：,第二章 小结,稳流：,dEcv/=0,通用式,第二章 小结,闭口系：,通用式,第二章 小结,通用式,循环,dEcv=0,out=in,第二章 小结,孤立系：,通用式,第二章 小结,3、热力学第一定律表达式和适用条件,任何工质，任何过程,

14、任何工质，准静态过程,任何工质，任何稳流过程,第二章 小结,4、准静态下两个热力学微分关系式,适合于闭口系统和稳流开口系统,后续很多式子基于此两式,第二章 小结,5、u与 h,U,H 广延参数 u,h 比参数,U 系统本身具有的内部能量,H 不是系统本身具有的能量，开口系中随工质流动而携带的，取 决于状态参数的能量,第二章 小结,6、四种功的关系,准静态下,闭口系过程,开口系过程,7、热力学第一定律的不同表述：闭口系统经历一个循环，系统与外界所交换的净功等于净热量；系统储存能量的增加量等于传入系统的净能量。,第二章 小结,闭口系,第二章 小结,闭口系第一定律的推论绝热闭口系由初态变化至终态，则

15、沿连接此两个状态的所有绝热过程所做的功相同；系统经历一个外功为零的过程由初态变化到终态，则沿连接此二状态的所有零功过程与外界交换的热量相等。,思考题,工质膨胀是否一定对外作功？,做功对象,定容过程是否一定不作功？,开口系，技术功,定温过程是否一定不传热？,相变过程（冰融化，水汽化）,水轮机,思考题,气体边膨胀边放热是可能的,对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能,回顾,1、本质：能量守恒与转换定律,通用式,2、热一律表达式：,3、热力学第一定律表达式和适用条件,任何工质，任何过程,任何工质，准静态过程,任何工质，任何稳流过程,4、准静态下两个热力学微分关系式,适合于闭口系统和稳流开口系统,

16、5、u与 h,U,H 广延参数 u,h 比参数,U 系统本身具有的内部能量,H 不是系统本身具有的能量，开口系中随工质流动而携带的，取 决于状态参数的能量,6、四种功的关系,准静态下,闭口系过程,开口系过程,能量方程式的应用,确定研究对象选择热力系统画出示意图写出对应的能量方程具体问题，具体分析，简化方程求解化简后的方程,活塞汽缸设备内装有5kg的水蒸气，由初态的热力学能u1=2709.0kJ/kg，膨胀到u2=2659.6kJ/kg，过程中加给水蒸气的热量为80kJ，通过搅拌器输入轴功18.5kJ。若系统无动能和位能的变化，求通过活塞所做的功。,1.能量守恒,解：以水蒸气为系统，此系统为闭口

17、系。由闭口系热一律得：,2.充气问题,储气罐原有气体m0,u0,输气管状态不变，h,经时间充气，关阀门,储气罐中气体m,求：储气罐中气体内能u,忽略动、位能变化，且管路、储气罐、阀门均绝热,m0,u0,h,四种可取系统,1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,1)取储气罐为系统(开口系),忽略动位能变化,h,绝热,无作功部件,无离开气体,1)取储气罐为系统(开口系),经时间充气，积分概念,h,h是常数,四种可取系统 2）,1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系

18、,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,2）取最终罐中气体为系统(闭口系),h,m0,m-m0,绝热,m-m0,四种可取系统3),1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统(闭口系),m0,h,m-m0,m0与m-m0有温差传热Q1,m-m0对m0作功W1,?,?,m-m0,四种可取系统 4),1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h

19、,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统(闭口系),m0,h,m-m0,m0与m-m0有温差传热Q1,m0得m-m0作功W1,?,?,4）取储气罐原有气体为系统(闭口系),m0,h,m-m0,四种可取系统,1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,利用热一律的文字表达式,进 出 内能变化,h,内能变化：,取储气罐为系统(开口系),进：,出：,m0,u0,结果说明,1）取系统不同，考虑的角度不同,流动功在开口系反映为质量携带焓的一部分，在闭口系反映为做功

20、,2）若m00，,m0,u0,h,3.取系统问题之二,已知：p1=35bar,t1=16,h0,V,要求：输出4kW,持续30s(kW=kJ/s),允许：p1 p2=3.5bar,求：需要的容积V,解1:取储气罐为系统（开口）,h0,V,解1:取储气罐为系统（开口）,V,h0,解2：取气体为系统（闭口）,V,h0,u2 0,解3：取储气罐和汽机为系统（开口）,V,h0,进 出 内能变化,内能变化：,进：,出：,u2 0,4.闭口系能量方程式应用,例：闭口系从状态1沿1-2-3途径到达状态3，传递给外界的热量为47.5kJ，系统对外做功为30kJ。,求（1）若沿1-4-3途径变化，系统对外做功为

21、15kJ，求过程中系统与外界传递的热量。取闭口系：过程1-2-3写能量方程：Q=U+W条件代入：Q123=U+W123U=Q123-W123=-47.5-30=-77.5kJQ143=U+W143=-77.5+15=-62.5kJ,（2）若系统由状态3沿曲线到达1点，外界对系统做功6kJ，求该过程中系统与外界传递的热量。Q31=U31+W31Q31=77.5-6=71.5kJ,（3）若U2=175kJ，U3=87.5kJ，求过程2-3传递的热量及状态1的热力学能。对2-3过程：W23=Pdv=0Q23=U23+W23=U23=U3-U2=-87.5kJU1=U3-U=87.5-（-77.5）=

22、165kJ,讨论热力学能是状态参数，其变化只取决于初终状态，与变化路径没有关系；热与功是过程量，其变化不仅和初终态有关，还与变化路径有关。,5.其它功例,He,Q,l,真空,已知：缓慢加热He气p1=1.013bar,p2=3.039bar活塞面积A=0.1m2,无摩擦弹簧刚度k=105N/m,求：He作功量W,物理学过：弹簧变形与力的关系,弹簧功,解1：由弹簧功求He作功量,He,Q,l,真空,解2：由He参数求作功量,He,Q,l,真空,缓慢加热：准静态,关键求p与V的关系,6.概念理解,三块相同的金属块被加热到温度TA；第一块迅速被冷却到环境温度T0，其熵变为SA；第二块在环境中缓慢冷却

23、到T0，其熵变为SB；第三块先与温度为TB(TA TB T0)的热源接触，达到平衡后再被冷却到环境温度T0，其熵变为SC；试说明这三个过程熵变的大小关系。,6.熵的概念的理解,熵是状态参数，其变化量与过程无关：,7.试判断下列各情况的熵变是：a）正；b）负；c）可正可负；d）零,1）闭口系经历一可逆变化过程，系统与外界交换功量 10kJ，热量-10kJ，系统熵变。,“-”,2）闭口系经历一不可逆变化过程，系统与外界交换功量10 kJ，热量-10kJ，系统熵变。,“-”or”+”,3）在一稳态稳流装置内工作的流体经历一不可逆过程,装置作功20kJ，与外界交换热量-15kJ，流体进出口熵变。,“+”or”-”,4）在一稳态稳流装置内工作的流体流，经历一可逆过程，装置作功20kJ，与外界交换热量-15kJ，流体进出口熵变。,“-”,5）流体在稳态稳流的情况下按不可逆绝热变化，系统对外作功10kJ，此开口系统的熵变。,0,作业,2-42-102-152-18,第二章 完End of Chapter Two,