基本概念热力学第一定律

基本概念热力学第一定律第1页，课件共21页，创作于2023年2月1.5状态方程式和状态参数坐标图

基本状态参数之间的热力学函数又称状态方程如：

压容图和温熵图■状态参数坐标图状态参数坐标图，尤其是描述过程的图，可以帮助我们理解过程的特性和计算，值得注意。第2页，课件共21页，创作于2023年2月1.6热力过程、功和热量

热力系统的状态变化过程称热力过程，简称过程

process

由一系列准平衡（静态）状态组成的过程称为“准平衡过程”

quasiequilibrium如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径(pass)逆向进行时，能使系统和外部都返回原来状态而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程

(reversibleprocess)功(work,mechanicalwork)被定义为力与力方向上的位移的乘积在力F的作用下沿力的方向产生位移dx，则该力所作的功为

δW=Fdx

第3页，课件共21页，创作于2023年2月膨胀功的计算expansionwork

膨胀功的推导设气缸内气体的压力为p，活塞面积为A，当活塞移动dx时

δW=Fdx=pAdx=pdV

从状态1到状态2对每kg工质，系统作功习惯规定：系统对外作功时功取正，而外界对系统作功时功取负第4页，课件共21页，创作于2023年2月热量Transfer

of

HeatEnergy定义：热量是指热力过程中系统与外界之间因温差的原因而传递的能量

Bringingthesystemanditssurroundingsincontact,iftheyareindifferenttemperatures,Theinteractionbetweenthemwillbeoccurred,thisinteractionisheattransferofenergy与热能的差别：虽然两者都是能量，但热能是指物质内所含有的以分子的微观运动为特征的能量；热量则是这种能量在传递过程中的大小度量与功也有区别：无论是传递过程中的热量还是物质所具有的热能，能量的大小是微观粒子的热运动能量；功则是一种宏观形态的能量。第5页，课件共21页，创作于2023年2月例题1.1假设图1.7气缸内为气体，气缸和活塞绝热，两者间无摩擦。若将a中的重物突然移去，b中的小球依次移去，试分析气缸内气体所经历的状态是准平衡过程？可逆过程？

ab图1.7例题1.1附图结论：a为非平衡过程，但有时近似处理为平衡过程（一定误差）b为准平衡过程，近似为可逆过程第6页，课件共21页，创作于2023年2月热力学中有关的功量

轴功：所谓轴功是指热力系统通过轴和外界之间交换的功量或机械功

Shaftworkorrotationalmechanicalwork流动功Flowwork

：维持工质流动所必须支付的功称为流动功

Whenmassentersorleavesacontrolvolume,workisrequiredtopushthefluidintooroutofthesystem.

技术功：技术功是指在工程上可资利用的功

有用功：将膨胀功中无法加以利用的一部分除去之后的功称为有用功

无用功：膨胀功中无法加以利用的功第7页，课件共21页，创作于2023年2月1.7热力循环

cycle指工质从某一初态出发经历一系列热力状态变化后又回到原来初态的热力过程

aprocessforwhichtheendstateisidenticaltotheinitialstate

1)正向循环：对外作功的循环称为正向循环powercycle;directcycle2)逆向循环：消耗功的循环称为逆向循环reversecycle3)循环经济性：循环经济性代表能量利用的经济性，指通过循环收到的效益和所付代价的比值

第8页，课件共21页，创作于2023年2月第2章热力学基本定律

theFirstLawofThermodynamics主要讨论在热能和机械能的转换过程中必须遵守的两个基本定律热力学第一定律：规定了转换过程中的数量守恒关系热力学第二定律：说明转换过程中能量的品质问题能量守恒定律用于具有热现象的能量转换过程，称为热力学第一定律对于一个系统，外界通过边界向系统交换的各种形态的能量总和恰好等于系统内部的能量改变量。这是我们所熟知的基本原理第9页，课件共21页，创作于2023年2月2.1热力学第一定律

本节分热力系统本身能量表示方法和变化情况、外界作用于系统的热和功三方面讨论热力学第一定律的关系

2.1.1热力学能

InternalEnergy定义：系统内部工质所具有的各种形式能量的总和称热力学能，过去称为内能。它包含有：1）分子热运动能量，这是分子移动、转动、分子内部振动等能量2）分子间力形成的内位能，与分子间的平均距离有关3）化学能、原子核能、电磁能等以后系统所具有的总能量用符号Esys

表示热力学能用符号U表示每kg物质的热力学能用小写符号u表示称比热力学能第10页，课件共21页，创作于2023年2月热力学能的特征：热力学能为微观粒子的能量——

符号U

单位（J）比热力学能：单位kg物质的热力学能

u=U/mJ/kg当不考虑化学能、核能、电磁能等时，热力学能U只与温度、压力等有关

U=U（T，v）

当系统属性和状态确定后，该能量是一定的，所以它是一个状态量，但不是基本状态量

第11页，课件共21页，创作于2023年2月2.1.2总能量

总能量——指系统内微观粒子能量、系统本身宏观能量之和

Esys＝U＋Ep＋Ek

系统的动能Ek

＝1/2mc2系统的位能Ep＝

mgz当系统状态发生改变由状态1过渡到状态2后，系统的总能量改变为

ΔE＝E2－E1＝（U2－U1）＋（Ep2－Ep1）＋（Ek2－Ek1）

第12页，课件共21页，创作于2023年2月2.1.3热力学第一定律的一般表达式

当系统由状态1经历一系列状态变化达到终状态2时，系统总能量的变化如何？ΔEsys＝Ein－Eout＝（minein＋Q）－（mouteout＋W）当系统处于宏观上静止时

ΔU＝（minein＋Q）－（mouteout＋W）

moutminQWΔEsys

能量守恒参见图：考虑外界作用：第13页，课件共21页，创作于2023年2月闭口系统能量方程

总体（热力过程）

ΔU＝Q

－W

或

Q＝ΔU＋W

或

q＝Δu＋w微元（热力过程）

δQ＝dU＋δW

或

δq＝du＋δw

功的计算：可逆过程

这里功的数量并不等于可以利用的功无物质进入和离开系统思考一下：为什么？第14页，课件共21页，创作于2023年2月2.1.5开口系统的能量方程

稳定流动系统（系统内总质量不变，状态变化）

ΔEsys＝Q－W＋m（ein－eout）稳态稳流系统（系统内总质量不变，状态不变化）

Q＝W＋m（eout

－ein

）质量在进入和离开系统时带有的能量

功：系统输出功与可以获得并利用的功在数量上相同注意：上述能量中

u

由状态所确定

pv

同样由状态所确定能不能将两者合并？热力学能

u动能

ek

位能

ep推动功

pv第15页，课件共21页，创作于2023年2月定义：焓=热力学能+推动功

状态参数焓的定义：H=U+pV

或h=u+pv这也是一个状态参数，单位与热力学能的单位相同，分别为：J、J/kg第16页，课件共21页，创作于2023年2月例题2.1气缸内储有定量的CO2气体，初态p1＝300kPa，T1＝200℃，V1＝0.2m3。经历一可逆过程后温度下降至T2＝100℃。如果过程中压力和比容间的关系满足pv1.2＝常数，试确定该过程中CO2气体所作的功、比功、热力学能变化量，气体与外界之间的热量交换。解：取CO2气体为系统（闭口系统）1)功：可逆δw＝pdv第17页，课件共21页，创作于2023年2月续解W＝mw＝0.671×94500＝63425J因气体体积变化，故此功称为膨胀功。W>0，为气体对外做功。在终态，气体体积为V2＝0.656m3，所以(ΔE)W<0。2)系统内热力学能的变化：(ΔE)sys＝ΔU＝mcv(T2－T1)查表取cv＝0.656kJ/kg·K所以ΔU＝0.671×103×(100－200)＝－44018J（说明系统的热力学能是减少的）3)Q的计算：Q＝ΔU＋W＝63425＋（－44018）＝19407J该例题中气体对外作出的功量大于气体热力学能的减少量，减少的部分由外界对气体的加热量所补充。另外此处能量的单位用焦耳显得不方便，用kJ则好些。第18页，课件共21页，创作于2023年2月例题2.2已知汽轮机进口水蒸气参数为p1＝9MPa，t1＝500℃，流速cf1＝50m/s；出口水蒸气参数为p2＝0.5MPa，t2＝180℃，流速cf2＝120m/s。蒸气的质量流量qm＝330t/h。蒸气在汽轮机中进行稳定的绝热流动，求汽轮机的功率。解：取系统如下图所示（稳态稳流）分析：Q=0ΔU=0ein＝u1＋p1v1＋c12/2＋gz1ein＝u2＋p2v2＋c22/2＋gz2

系统对外作功：Wt＝m[（u1－u2）＋（p1v1－p2v2）＋（c12/2－c22/2）＋（gz1－gz2）]

＝m[（h1－h2）＋（c12－c22）/2

＋g（z1－z2）]例题2.2附图moutminws第19页，课件共21页，创作于2023年2月续解：对每kg工质，功可以表示为：

wt＝（h1－h2）＋（c12－c22）/2＋g（z1－z2）略去其中位能差，可计算得：wt＝（h1－h2）＋（c12－c