第四章热力学第一定律
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（2）在2B1过程中
Q2B1 (U1 U2 ) W2B1 10 5 15(kJ)
由于工质沿1A2B1回到初态系统经历了一个循 环，内能变化量为
U U1 U1 0 工质沿1A2B1回到初态时的净功为
W Q U Q 35 kJ
工质沿1A2B1回到初态时的净吸热量为：
Q1A2 50 kJ
U2 U1 10 kJ W2B1 5 kJ
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 对外作的净功。
解：（1）在1A2过程中
W1A2 Q1A2 (U2 U1) 50 10 40(kJ)
因为 W1A2 0 所以系统对外界做功，工质膨胀。
三、热力学第一定律的一般表达式
输入系统的 能量
系统输出 的能量
系统中储存能量 的变化量
能量
系统储存的能量 传递中的能量
（一）系统的储存能
系统储 存的能
量
内部
储存能
热力学 能
状 态
参
外部
数
储存能
机械能
1.内部储存能
•
热 力 学 能
（ 内 能 ）
分子动能（移动、转动、振动） (T)
translation rotation vibration
第一节 热力学第一定律
一、实质：
能量转换及守恒定律在热力过程中的应用
二、热力学第一定律的表述：
•热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可 以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换 过程中，能量的总值不变。
•“第一类永动机(Perpetual –motion machine of the first kind)是不可能制成的”
定义：
在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。
规定: 系统吸热热量为正，系统放热热量为负
单位： kJ 或 kcal 且l kcal=4.1868kJ 特点:
是传递过程中能量的一种形式，与热力过程有关
可逆过程： q Tds q Tds
功
定义: 种类:
除温差以外的其它不平衡势差所引起 的系统与外界传递的能量.
w = pdv - dl - dA +…...
简单可压缩系统
w =pdv
可逆过程
q = Tds
w = pdv
适用于任何工质 、可逆过程 的热一律表达式
q = du + pdv
q = u + pdv Tds = du + pdv
单位工质
Tds = u + pdv
•容积功W： 在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。
规定: 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。
膨胀功是热变功的源泉
可逆过程： w pdv w pdv
•轴功Ws: Shaft work 通过轴系统与外界传递的机械功
单位：l J=l Nm •其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等
任何工质、可逆过程
•理想气体内能变化计算
定容过程: w 0 q = u + w 用定值比热计算: u cvT
u qv
用平均比热计算: u cvmT
t2
t2
t1
u
cvdt
cvdt
cvdt
cvm
t2 0
t2
cvm
t1 0
t1
t1
0
0
适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程
Ep mgz
宏观动能 以外界为参考坐标的系统宏观
kinetic 运动所具有的能量
Ek
Байду номын сангаас
1 2
mwg
2
系统总储存能 total energy
E = U + Ek + Ep e = u + ek + ep
（二）系统与外界传递的能量
热量
热源
过 程
系
功
参
功源 数
统
随物质传递的能量 质源
状 态 参
数
热量
随物质传递的能量
流动工质本身 具有的能量
E
U
1 2
mwg 2
mgz
流动功(或推动功)
为推动流体通过控制体界 面而传递的机械功.
推进功（流动功、推动功）
A
W推 = p A dl = pV w推= pv
p pV
dl
取决于控制体进出口界面工质的热力状态
流动功与其它功区别
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
适用条件： 1）任何工质 2) 任何过程
• 系统吸热：Q＞0； 系统放热： Q ＜0。
• 系统对外做功：W ＞0； 外界对系统做功： W＜0
• 系统内能增加： △U ＞0； 系统内能减少： △U ＜0
功 （ w） 是广义功
闭口系与外界交换的功量
容积功 拉伸功 表面张力功
pdv
w拉伸= - dl w表面张力= - dA
适用于理想气体 、任意过程的热一律表达式
q = cvdT + w q = cvT+ w
单位工质
适用于理想气体 、可逆过程的热一律表达式
q = cvdT+ pdv q = cvT+ pdv
Tds = cvdT + pdv Tds = cv T + pdv
单位工质
例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
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，由外界做出，流动工质所携带的能量
第二节 闭口系统热一律表达式
Energy balance for closed system
•一般式 Q = dU + W Q = U + W
Q
W
q = du + w 单位工质 q = u + w
第四章 热力学第一定律
The First Law of Thermodynamics
学习目标：
•深刻理解热力学第一定律的实质 •深刻理解能量、储存能、热力学能的概念，及 热力学能、焓的物理意义;掌握理想气体热力学 能及焓的变化量的计算；理解容积功、轴功、 技术功、流动功等概念
•熟练应用热力学第一定律解决具体问题
分子位能（相互作用） (v)
binding forces
说明：
内能是状态量
理想气体u=f(T) 实际气体u=f(T,v)
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
2.外部储存能
macroscopic forms of energy
重力位能 系统工质与重力场的相互作用 potential 所具有的能量
Q2B1 (U1 U2 ) W2B1 10 5 15(kJ)
由于工质沿1A2B1回到初态系统经历了一个循 环，内能变化量为
U U1 U1 0 工质沿1A2B1回到初态时的净功为
W Q U Q 35 kJ
工质沿1A2B1回到初态时的净吸热量为：
Q1A2 50 kJ
U2 U1 10 kJ W2B1 5 kJ
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 对外作的净功。
解：（1）在1A2过程中
W1A2 Q1A2 (U2 U1) 50 10 40(kJ)
因为 W1A2 0 所以系统对外界做功，工质膨胀。
三、热力学第一定律的一般表达式
输入系统的 能量
系统输出 的能量
系统中储存能量 的变化量
能量
系统储存的能量 传递中的能量
（一）系统的储存能
系统储 存的能
量
内部
储存能
热力学 能
状 态
参
外部
数
储存能
机械能
1.内部储存能
•
热 力 学 能
（ 内 能 ）
分子动能（移动、转动、振动） (T)
translation rotation vibration
第一节 热力学第一定律
一、实质：
能量转换及守恒定律在热力过程中的应用
二、热力学第一定律的表述：
•热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可 以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换 过程中，能量的总值不变。
•“第一类永动机(Perpetual –motion machine of the first kind)是不可能制成的”
定义：
在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。
规定: 系统吸热热量为正，系统放热热量为负
单位： kJ 或 kcal 且l kcal=4.1868kJ 特点:
是传递过程中能量的一种形式，与热力过程有关
可逆过程： q Tds q Tds
功
定义: 种类:
除温差以外的其它不平衡势差所引起 的系统与外界传递的能量.
w = pdv - dl - dA +…...
简单可压缩系统
w =pdv
可逆过程
q = Tds
w = pdv
适用于任何工质 、可逆过程 的热一律表达式
q = du + pdv
q = u + pdv Tds = du + pdv
单位工质
Tds = u + pdv
•容积功W： 在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。
规定: 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。
膨胀功是热变功的源泉
可逆过程： w pdv w pdv
•轴功Ws: Shaft work 通过轴系统与外界传递的机械功
单位：l J=l Nm •其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等
任何工质、可逆过程
•理想气体内能变化计算
定容过程: w 0 q = u + w 用定值比热计算: u cvT
u qv
用平均比热计算: u cvmT
t2
t2
t1
u
cvdt
cvdt
cvdt
cvm
t2 0
t2
cvm
t1 0
t1
t1
0
0
适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程
Ep mgz
宏观动能 以外界为参考坐标的系统宏观
kinetic 运动所具有的能量
Ek
Байду номын сангаас
1 2
mwg
2
系统总储存能 total energy
E = U + Ek + Ep e = u + ek + ep
（二）系统与外界传递的能量
热量
热源
过 程
系
功
参
功源 数
统
随物质传递的能量 质源
状 态 参
数
热量
随物质传递的能量
流动工质本身 具有的能量
E
U
1 2
mwg 2
mgz
流动功(或推动功)
为推动流体通过控制体界 面而传递的机械功.
推进功（流动功、推动功）
A
W推 = p A dl = pV w推= pv
p pV
dl
取决于控制体进出口界面工质的热力状态
流动功与其它功区别
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
适用条件： 1）任何工质 2) 任何过程
• 系统吸热：Q＞0； 系统放热： Q ＜0。
• 系统对外做功：W ＞0； 外界对系统做功： W＜0
• 系统内能增加： △U ＞0； 系统内能减少： △U ＜0
功 （ w） 是广义功
闭口系与外界交换的功量
容积功 拉伸功 表面张力功
pdv
w拉伸= - dl w表面张力= - dA
适用于理想气体 、任意过程的热一律表达式
q = cvdT + w q = cvT+ w
单位工质
适用于理想气体 、可逆过程的热一律表达式
q = cvdT+ pdv q = cvT+ pdv
Tds = cvdT + pdv Tds = cv T + pdv
单位工质
例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
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，由外界做出，流动工质所携带的能量
第二节 闭口系统热一律表达式
Energy balance for closed system
•一般式 Q = dU + W Q = U + W
Q
W
q = du + w 单位工质 q = u + w
第四章 热力学第一定律
The First Law of Thermodynamics
学习目标：
•深刻理解热力学第一定律的实质 •深刻理解能量、储存能、热力学能的概念，及 热力学能、焓的物理意义;掌握理想气体热力学 能及焓的变化量的计算；理解容积功、轴功、 技术功、流动功等概念
•熟练应用热力学第一定律解决具体问题
分子位能（相互作用） (v)
binding forces
说明：
内能是状态量
理想气体u=f(T) 实际气体u=f(T,v)
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
2.外部储存能
macroscopic forms of energy
重力位能 系统工质与重力场的相互作用 potential 所具有的能量