热力学第二章第一部分ppt课件.ppt
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1、第二章 热力学第一定律,The First Law of Thermodynamics,2-1 热力学第一定律的本质, 1909年,C. Caratheodory最后完善热一律,本质:能量转换及守恒定律在热过程中的应用, 18世纪初,工业革命,热效率只有1%, 1842年,J.R. Mayer阐述热一律,但没有 引起重视, 1840-1849年,Joule用多种实验的一致性 证明热一律,于1950年发表并得到公认,Conservation of energy,One of the most fundamental laws of nature,“During an interaction ,
2、energy can change from one form to another but the total amount of energy remains constant”,Energy cannot be created or destroyed,焦耳实验,1、重物下降,输 入功,绝热容 器内气体 T ,2、绝热去掉,气 体 T ,放出 热给水,T 恢复 原温。,焦耳实验,水温升高可测得热量, 重物下降可测得功,热功当量 1 cal = 4.1868 kJ,工质经历循环:,Mechanical equivalent of heat,闭口系循环的热一律表达式,要想得到功,必须化费热能
3、或其它能量,热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”,Perpetual motion machine of the first kind,Q,Perpetual motion machine of the first kind,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,Wnet,Qout,电加热器,2-2 热一律的推论内能,内能的导出,闭口系循环,Internal energy,内能的导出,对于循环1a2c1,对于循环1b2c1,状态参数,p,V,1,2,a,b,c,内能及闭口系热一律表达式,定义 dU = Q - W 内能U 状态函数,Q = dU + W Q = U + W,闭口系
4、热一律表达式,!两种特例 绝功系 Q = dU 绝热系 W = - dU,内能U 的物理意义,dU = Q - W, W, Q,dU 代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值,也即系统内部能量的变化。,U 代表储存于系统内部的能量 内储存能(内能、热力学能),内能的组成,分子动能 分子位能 binding forces 化学能 chemical energy 核能 nuclear energy,内能,microscopic forms of energy,移动 translation,转动 rotation,振动 vibration,系统总能 total energy,外部储
5、存能macroscopic forms of energy,宏观动能 kinetic Ek= mc2/2 宏观位能 potential Ep= mgz,机械能,系统总能,E = U + Ek + Ep,e = u + ek + ep,一般与系统同坐标,常用U, dU, u, du,内能的说明, 内能是状态量 state property,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,热一律的文字表达式,热一律: 能量守恒与转换定律,2-3 闭口系能量方程, W, Q,一般式,Q = dU + W Q = U + W,q = du + w q = u
6、+ w,单位工质,适用条件: 1)任何工质 2) 任何过程,Energy balance for closed system,Point function-Exact differentials- d Path function-Inexact differentials- ,闭口系能量方程中的功,功 ( w) 是广义功 闭口系与外界交换的功量,q = du + w,准静态容积变化功 pdv 拉伸功 w拉伸= - dl 表面张力功 w表面张力= - dA,w = pdv - dl - dA +.,闭口系能量方程的通式,q = du + w,若在地球上研究飞行器 q = de + w = du
7、+ dek + dep + w,工程热力学用此式较少,准静态和可逆闭口系能量方程,简单可压缩系准静态过程,w = pdv,简单可压缩系可逆过程, q = Tds,q = du + pdv,q = u + pdv,热一律解析式之一,Tds = du + pdv, Tds = u + pdv,热力学恒等式,门窗紧闭房间用电冰箱降温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程,T,电冰箱,Refrigerator Icebox,门窗紧闭房间用空调降温,以房间为系统,闭口系,闭口系能量方程,T,空调,Q,Air-condition, 2-4 开口系能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uou
8、t,gzin,gzout,能量守恒原则 进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统储存能量的变化,Energy balance for open system,推进功的引入,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,这个结果与实验不符,少了推进功,推进功的表达式,推进功(流动功、推动功),p,A,p,V,dl,W推 = p A dl = pV w推= pv,注意: 不是 pdv v 没有变化,Flow work,对推进功的说明,1、与宏
9、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, 而由外界做出,流动工质所携带的能量,可理解为:由于工质的进出,外界与系统之间所传递的一种机械功,表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量,开口系能量方程的推导,Wnet,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv,min,pvout,开口系能量方程微分式,Q + min(u
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