《工程热力学》课件-5 热力学第一定律的实质

热力学第一定律的实质010203了解热力学第一定律的实质掌握热力学能、外部储存能的定义掌握总储存能的表达式及其含义课程要求热力系统的储存能能量是物质运动的量度，运动有各种不同的形态，相应的就有各种不同的能量。系统储存的能量称为储存能，它有内部储存能与外部储存能之分。系统的内部储存能即为热力学能。2热力学能－u热力学能:用U表示，单位是J或kJ。比热力学能(1kg工质的热力学能):用u表示，单位是J/kg或kJ/kg。

热力系统的储存能增加热力学能(内能）的两种方法:做功和传热2热力学能－u热力系统的储存能2热力学能－u热力系统的储存能热力系统的储存能2热力学能－u热力系统中与物质内部分子结构以及分子运动形式有关的微观能量的总和，统称为热力学能，单位J组成：内位能（分子间相互作用力产生的能量）内动能（分子的移动动能、转动动能和分子内部原子的振动动能）什么是内能？热力系统的储存能2内动能定义：内动能是指物体内部微观粒子（如分子、原子等）做无规则热运动所具有的能量。简单来说，就是这些微观粒子因为在物体内部“乱跑”而具有的能量。热力系统的储存能2内动能类比：可以把物体内的分子想象成一群在操场上乱跑的小朋友。每个小朋友（分子）跑来跑去的这种运动就带有能量，这就类似于内动能。而且分子运动得越剧烈，内动能就越大。例如，加热一杯水，水的温度升高，水分子运动就会加快，它的内动能也就增加了。热力系统的储存能2内动能与温度的关系：温度是物体内部分子热运动剧烈程度的标志。温度越高，分子的热运动越剧烈，内动能也就越大。所以，内动能和温度密切相关。内能是温度的函数热力系统的储存能2内动能内能是温度的函数热力系统的储存能3内位能

内位能（也称为分子势能或内能中的势能部分）是由于物体内部微粒（分子、原子等）之间的相互作用而具有的能量。这些微粒之间存在着引力和斥力，内位能的大小取决于微粒之间的相对位置。

热力系统的储存能3内位能从宏观到微观的类比在宏观上，我们知道弹簧的弹性势能公式为

，

，其中是弹簧的劲度系数，是弹簧的形变量。可以把这个概念类比到微观粒子上。以固体为例，固体中的原子就像被微小的“弹簧”连接着。当固体受到外力挤压或拉伸时，原子间的距离发生变化，就如同弹簧被压缩或拉伸一样。这种由于原子间相对位置变化而产生的能量就是内位能。热力系统的储存能3内位能在微观层面，固体中的原子（或分子）之间存在相互作用力，就像弹簧连接着一样。当固体受到外力作用时，原子间的距离会发生变化。例如，对一块金属施加压力，金属原子之间的距离会减小；当拉伸金属时，原子之间的距离会增大。这种原子间相对位置的变化导致了能量的储存或释放，这就是微观内位能的变化。热力系统的储存能3内位能物态变化中的内位能函数关系（以水为例）在水的物态变化过程中，内位能会发生明显的变化。在冰（固态）中，水分子之间通过氢键形成规则的四面体结构，分子间距离相对固定。当冰吸收热量融化成水（液态）时，氢键部分断裂，水分子间的距离和排列方式发生变化。热力系统的储存能

内位能从能量角度看，这个过程中内位能增加。假设用表示内位能，T表示温度，在冰融化过程中，温度T保持在0℃（在标准大气压下），但内位能随着冰的融化而增大。虽然很难用一个简单的函数精确描述这个过程中的内位能变化，但可以定性地知道在物态变化区间内，内位能是随着物态从固态到液态的转变而增加的，而且这个变化与分子间作用力的改变以及分子间相对位置的变化密切相关。课堂练习【多选题】实际气体的内能就是()与()的函数A、温度B、热量C、熵D、比体积E、功

AD3外部储存能热力系统的储存能需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的宏观动能和重力位能:宏观动能：m—物体质量;c—运动速度重力位能：m—物体质量;g—重力加速度；z—相对于系统外的参考坐标系的高度4总储存能热力系统的储存能热力系统外部储存能属于机械能，内部储存能属于热能。虽然能量形式不同，都是热力系统所具有的能量。系统总储存能(E)=热力学能(U)+外储存能(Ek+Ep)单位质量工质的比储存能:4总储存能热力系统的储存能比储存能为状态参数,对于没有宏观运动且相对高度为零的系统，总储存能就等于热力学能，即系统总储存能(E)=热力学能(U)单位质量工质的比储存能:3储存能外部储存能内部储存能宏观动能重力位能热力学能内动能内位能热力系统的储存能课堂练习【例1-1】2kg工质在某一可逆过程中吸收了84J的热量，随后停止运动损耗40J动能，又自由下落了2m，求该工质的储存能变化量。（g取10m/s²）△E=84-40-2X10X2=4J第一类永动机是指一种不需要外界输入能量或者只需要一个初始能量就可以永远对外做功的机器。第一类永动机第1类永动机热力学第一定律1能量转换与守恒定律自然界中一切物质都具有能量，能量既不可能被创造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变为另一种形式，在转换中能量的总量恒定不变。热力学第一定律1能量转换与守恒定律18世纪初，工业革命，热效率只有1%。1842年，J.R.Mayer(迈耶）阐述热力学第一定律定律，但没有引起重视。热力学第一定律1能量转换与守恒定律1840-1849年，Joule用多种实验的一致性证明热力学第一定律，于1850年发表并得到公认。1909年，卡拉西奥多里(C.Caratheodory)最后完善热一律。热力学第一定律1能量转换与守恒定律自然界中一切物质都具有能量，能量既不可能被创造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变成另一种形式。在转换中，能量的总量保持不变。热力学第一定律1能量转换与守恒定律在中国传统文化体现热力学第一定律1能量转换与守恒定律实质：能量守恒与转换定律在研究与热能相关的能量传递与转换中的应用。表述：在热能与其它形式的能量互相转换时，能量的总量保持守恒。不花费能量就可以产生功的第一类永动机不可能制造成功。

进入系统的总能量—

离开系统的总能量系统储存能量的变化量热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒定律在热现象中的具体形式。其中Q代表系统内能的变化量，代表系统吸收的热量，W代表外界对系统做的功。热力学第一定律

热量是在热传递过程中系统吸收或放出的能量。当Q＞0系统吸收热量时，；当Q＜0系统放出热量时，。例如，在烧水的过程中，水（系统）从火焰（外界）吸收热量，为正值，水温升高，内能增加。如果把热的水杯放在冷空气中，水会向周围环境放出热量，为负值，水温降低，内能减少。热力学第一定律功是能量传递的另一种方式，它是通过宏观的机械作用来实现的。外界对系统做功，W＞0；系统对外界做功，W＜0。以气缸中的气体为例，当活塞压缩气体时，外界（活塞）对系统（气体）做功，为正值，气体的内能增加。如果气体膨胀推动活塞，系统（气体）对外界（活塞）做功，为负值，气体的内能减少。热力学第一定律例如，对于一个封闭的物理系统（如一个带有活塞的气缸内的气体），如果有热量从外界传入气缸（进入系统的能量），同时活塞被外力推动压缩气体，外界对气体做功（也是进入系统的能量），而气体可能会通过热传导向外界散失一部分热量（离开系统的能量），并且气体膨胀推动活塞对外做功（离开系统的能量）。最终气体内能的变化（系统储存能量的变化）就等于进入系统的总能量减去离开系统的总能量。热力学第一定律1能量转换与守恒定律作用：热力学第一定律是热力学的基本定律，是热力过程能量传递与转换分析计算的基本依据。它普遍适用于任何工质、任何过程。意义：确定了能量传递