工程热力学：第四次课-热力学第一定律

1、1可逆过程( reversible process) 定义：系统可经原途径返回原来状 态而在外界不留下任何变化 的过程。可逆过程与准静态过程的关系非准静态不可逆准静态可逆单纯传热过程2功(work)的定义和可逆过程的功 1功的力学定义 2功的热力学定义：通过边界传递的能量其全部效果可表现为举起重物。3可逆过程功的计算功是过程量功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示功和热量 3 系统对外作功为“+”外界对系统作功为“-”5功和功率的单位：附：4功的符号约定：4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： 4计算式及状态参数图热

2、量是过程量（T-s图上）表示5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。The First Law Of Thermodynamics第二章 热力学第一定律第二章 热力学第一定律2-1. 第一定律的建立2-2. 闭口系的能量方程2-3. 开口系的质量守恒方程2-4. 开口系的能量方程2-5. 能量方程的应用2-1. 第一定律的建立热力学第一

3、定律实际上包含热现象在内的能量守恒与转换定律 自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数值不变机械能守恒来源于“活力守恒”1564-1642意大利惠更斯（Huygens )1669莱布尼兹（Galileo )1686德国1738丹尼尔.伯努利（Daniel Bernoulli )彭塞利1829法国摆、斜面弹性碰撞守恒萨迪.卡诺1796-1832法国活力力x路程重量x高度=机器功效法国1792-1843科里奥利术语“功”伽利略（Galileo )10z势能增量机械能守恒x12y合力功z12yx动能增量热质说的失

4、败改变了对热的认识热质说:热是一种特殊的物质，称为“热质（Caloric）”。热质由没有重量的微细粒子组成，可以从一个物体流向另一个物体，其数量是守恒的。热质的粒子互相排斥，从而物体具有热胀的性质。1783法国拉瓦锡15世纪-18世纪 培根、胡克、牛顿、罗蒙诺索夫、热动说：热是组成物质的微观粒子运动的表现，它可以由物质的机械运动转化而来。热质说佯谬1797伦福德Rumford慕尼黑兵工厂大炮镗钻孔，发现摩擦可以无休止的产生热量英国1799戴维H.Davy英国两块冰摩擦实验永动机梦想的破灭促使考虑能量关系热力学第一定律另一说法：第一类永动机是不可能制成的 从十三世纪的法国人享内考提出第一个永动机

5、方案到后来种种方案都以失败而告，以致法国科学院在1775年声明：本科学院以后不再审查有关永动机的一切设计。如果永动机不成立，能量之间应满足什么关系？量热学的发展提供了实验手段1593伽利略 温度计1702阿蒙顿 空气温度计1724华伦海特 华氏温标1742摄尔修斯 摄氏温标荷兰瑞典意大利1780J.Black布莱克英国发现热的强度（温度）和热的数量（热量）不同，他和他的学生后来正式提出了比热、热容量、潜热（Latent heat）等概念。蒸汽机的发展需要热力学理论1769英国瓦特加了冷凝器1807富尔顿美国应用于轮船1825用于火车1785应用于纺织为蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究热、功、能

6、量间的关系，以提高热机效率。 Julius Robert Mayer (1814 - 1878) 小医生与啤酒匠发现科学新理德国迈耶1840印度尼西亚 产生思想1842论自然力（即能）守恒的论文同一单位不同单位小医生与啤酒匠发现科学新理James rescottJoule 1818-1889英国焦耳18411847热功当量实验仪1849论热功当量焦耳的实验装置James rescottJoule 1818-1889焦耳实验的结果 ：40年400多次热功当量 J = 4.1868 kJ/kcal 绝热功与路径无关热是与功等效的传递能量N.mcal热力学第一定律的建立20一、第一定律的实质 能量守

7、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，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。21热力学第一定律的建立一、物体的能量形式 能量：用来表征物理系统做功的本领，以多种形式存在 内部能量、外部能量、总能量二、功的种类 体积变化功： 轴功： 推动功： 流动功： 技术功： 有用功： 无用功： 内部功：系统体积变化所完成的膨胀功或压缩功系统通过轴与外界交换的功开口系因工质流动而传递的功-焓开口系工质进出口质量的推动功之差技术上可以利用的功（动能+位

8、能+轴功）可用于提升重物、驱动机器的功除有用功之外的功 工质在机器内部对机器的做功一般情况动内势电磁与物质种类无关与物种有关热力学第一定律外参数内参数内参数：与坐标系无关外参数：与坐标系有关微观粒子的动能分子移动分子转动分子振动电子移动电子自旋原子核自旋气体占主固体占主微动能对温度有贡献微观粒子的势能气体固体共价键离子键核键分子间力分子间力（强）分子间引力（弱）化学键力核键力微势能对温度和比体积有贡献25热力学能（内能）的微观意义内动能内位能（比体积和温度的函数）化学能核能热力学能 U热能相变位能非相变位能（温度的函数） 热力学能是储存能，状态函数，广延量，用符号 U 表示，其绝对值无法测定，

9、只能求出它的变化值。热力学能（内能）的特点 热力学能零点人为定 热力学能是由微观粒子的动、势能构成可逆、不可逆初终平衡 微元过程比参数型 ( )/m2-2. 闭口系的能量方程（内能）循环可逆（简单可压缩）准静态不可逆功一般处于非平衡非均匀态，微元处于局部平衡状态 强度量 广延量 比参数局部状态内参数满足简单可压缩物质状态公理开口系的基本假定进出口局部区域态函数均布开口系的基本假定 进口体积流量面积速度 进口压力进出口有无热量热一律可用于局部平衡系统单位时间进入系统的质量 离开系统的能量 = 系统质量的变化无核反应单位时间通过进出口断面的质量流量多进出口求和 控制体内系统的质量2-3. 开口系的质量守恒方程2-4. 开口系的能量方程流动能推动功时段闭口系2-4. 开口系的能量方程流动功推动功单位质量推动功(压能)dt时段能差功热比焓2-4. 开口系的能量方程状态量焓