第章热力学基本定律(热一律)

动能：Ek = mc2/2 势能：Ep = mgz
内动能（分子平、转、振动）：=f(T)
物理内能
内位能（分子间引力）：= f(T, v)
化学内能（化学反应时） 核能（核裂、聚变时） 工程热力学不涉及
系统的总储存能： E = Ek + Ep + U
内能的导出
（1）闭口系循环能量方程
δQ
对于任意闭口系： 吸热： δQ 对外做功： δW
系统
dE
δW
储存能的变化量：dE 循环后： dE = 0
热一律：进入的能量 – 离开的能量 = 储存能的变化量
（2）内能的导出
p1
对于循环1a2c1：
b
( Q W ) ( Q W ) 0
1a 2
2c1
a c
对于循环1b2c1：
2
( Q W ) ( Q W ) 0
V
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1b 2
2c1
( Q W ) ( Q W )
Q与W类比
能量传递方式 性质 推动力 标志参数 公式 公式适用条件 图示
W 过程量
Δp dV , dv
w pdv
准静态或可逆
P-V(示功图)
p
W
Q 过程量
ΔT dS , ds
q Tds
可逆
T-s（示热图）
T
Q
V
S
3、随物质传递的能量
1．流动工质本身携带的能量：u + c2/2 + g z
2．流动功(或推动功)
第二章 热力学基本定律
本章内容、要求：
内容
热力学第一定律 热力学第二定律
掌握
1.内能、焓、熵、各种功等概念 2.定律的实质 3.定律的数学表达式及其适用范围 4.定律的应用
§2-1 热力学第一定律的实质
§2.1.1 背景 • 17-18th，热质学为主。但无法解释如冰摩擦融化等热现象 • 18th初，工业革命，热效率只有1% 推动对规律的研究 • 1842年，Mayer阐述能量守恒和转化定律，未引起重视 • 1840-1849年，Joule用多种实验证明热一律，得到公认 • 1909年，C. Caratheodory最后完善热一律：公理化
1a 2
1b 2
状态参数
Why?
定义：dU = Q - W U ：内能，状态函数
二、系统与外界传递的能量
1、功
力学中的功：W＝F x
（1）做功W （2）传热Q （3）随物质传递的能量
热力学中对功的定义：热力系统通过边界而传递的 能量,且其全部效果可表现为举起重物。
容积变化功：因系统容积变化与外界交换的功（包括：
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系统对外界作的膨胀功为：
A
W = p(A dx ) =pdV
m kg： W =pdV
2
W 1 pdV
p
1 kg： w =pdv
2
w 1 pdv
适用范围：准静态过程、可逆过程
p0
dx
（2）有关规定、说明
1）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数
对外为正 2）正负号规定： 对内为负
Af
3）系统所做膨胀功输出的有用功WR：
希望： 尊重客观规律，不要误入歧途。
§2.1.2 热一律的实质
热力学第一定律：热能与机械能是可以相互转换的， 且转换前后的总量保持不变。
实质：能量守恒和转换定律在热现象中的应用。
文字表达式：
对于任意热力系统： 进入系统的能量-离开系统的能量=系统内部储存能的变化量
§2-2 能量的传递形式
热一律：
1）对于准静态、可逆过程，用上述公式计算，但还需要已 知p-v函数关系。
2）对于非平衡过程，不能用上述公式计算，但有些情况可 利用外界条件计算：
系统膨胀功=-外界反力对系统所做的功 若外力R已知，则：
2
w 1 Rdx
[例1]
空气从状态1 (p1，V1)膨胀到状态2 (p2，V2)， （1） p-V图上过程线为直线；（2）可逆定温过 程。求w
p
R
准静态： WR＝ W – Wf –p0(V2 –V1)
p0
可逆： WR＝ W –p0(V2 –V1)
p 1.
p
4)示功图---- p-v图
W 微元过程： w =pdV = 微元面积
.2
1-2过程：W
2
1
pdV
= 投影面积
dV
V W是过程量，与路径有关
p p0
1
2
(3) 容积变化功的计算
2
w 1 pdv
膨胀功和压缩功）。
是热力学最重要的一种功: 膨胀:实现热能→机械能；机械能 →热能虽可通过摩擦等方法实现，但只有压缩是可逆的。
其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等
(1)准静态过程的容积变化功
以汽缸中m kg工质为系统: 活塞向右移动微元距离dx， dx很小，近似认为 p 不变，可视为准静态过程.
第一类永动机
第一类永动机：不消耗能量而能对外连续作功的机器
亨内考的“魔轮”(13世纪)
达·芬奇的“永动机”(15世纪)
斯特尔的水力永动机(16世纪)
浮力永动机
梁星人“宇宙引力”永动机
梁星人：祖籍广东梅县，
出生于马来西亚，留学美国， 通晓8 种语言，获美国核物 理哲学博士及经济学博士学 位，现为新加坡华人。
进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统储存能的变 化
系统与外界交换的能量，
主要有三种形式：
（1）功：W （2）热量：Q （3）随物质带进（出）的物质本 身的能量
系统内物质 本身的能量
一、系统的储存能
储存能：系统内物质本身具有的能量。包括：
外部储存能
(系统整体宏观运 动具有的能量)
内部储存能
(系统内粒子具运 动有的能量,U )
1
微元体dm 的运动，需上游工质 的推动以克服系统内工质的反 力：外界对系统做了功。
设微元体在推力(p A)作用下 移动了dx ,则：
Wf = p A dx = pdV = pvdm
p1
(1)
(2)
2
V
[例2]
大气压pb =0.1MPa，活塞+重物共195kg，面积 100cm2,初始状态下弹簧与活塞接触但不受力，弹 簧刚度150N/cm，把重物拿去100kg后，活塞无摩 擦上升20cm。求w
2、热量
1、定义：系统与外界在温差的推动下传递的能量 2、符号：Q（q） 3、单位：J （J/kg） 4、正、负号规定：吸热为正，放热为负