第2讲基本概念热力学第一定律

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习题:
1)阅读:教材二章第一节,二节中一、二、三、 四、五 2）思考题 P50 6、7、8 3）习题 P51 2-1、2-2、2-13、2-17
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/m J/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
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。
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？
膨胀功的计算 expansion work
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 设气缸内气体的压力为p，活塞面积为A，当活塞移动dx 时 δ W=Fdx =pAdx=pdV 从状态1到状态2
W Fdx pdV
1 1 2 2
膨胀功的推导
对每kg工质，系统作功
w pdv
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－c22）/2 ＝(3386.4－2812.1)×103＋(502－1202)/2 ＝568.4×104J/kg P＝m wt ＝330×103×568.4×104/3600＝52.1×103 kW
状态参数焓的定义：
定义：焓=热力学能+推动功
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
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δ w＝pdv
续解
W＝mw＝0.671×94500＝63425 J 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 V 2 ＝ 0 .6 5 6 m 3 ， 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Δ U＝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 ）＝ 19407 J
闭口系统能量方程
无物质进入和离开系统
总体（热力过程） Δ U＝Q －W 或 Q＝Δ U＋W 或 q＝Δ u＋w 微元（热力过程） δ Q＝dU＋δ W 或 δ q＝du＋δ w
源自文库的计算：可逆过程
w pdv
1
2
这里功的数量并不等于可以利用的功 思考一下：为什么？
2.1.5开口系统的能量方程
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：
f ( p, v, T ) 0
pv RgT
■状态参数坐标图
压容图和温熵图
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。
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
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
Δ E＝E2－E1＝（U2－U1）＋（Ep2－Ep1）＋（Ek2－Ek1）
2.1.1 热力学能 Internal Energy 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
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 (reversible process) 功(work, mechanical work)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 δ W =Fdx
1
2
热量 Transfer of Heat Energy
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
Bringing the system and its surroundings in contact, if they are in different temperatures, The interaction between them will be occurred, this interaction is heat transfer of energy
循环功 t 消耗的热能
'
低温处取走的热量 消耗的功
向需要热处提供的热能 消耗的功
第2章 热力学基本定律 the First Law of
Thermodynamics
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
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？ Δ Esys＝Ein－Eout＝（minein＋Q）－（mouteout＋W） 参见图：考虑外界作用：
min
ΔEsys Q 能量守恒 W
mout
当系统处于宏观上静止时

Δ U＝（minein＋Q）－（mouteout＋W）
1 1.2 dv 1.2 dv w pv 1.2 p1v1 1.2 ( p1v1 p2 v2 ) 0.2 v v 1 1
Rg 189 (T1 T2 ) (200 100 ) 94500 J/kg 0.2 0.2
2 2
p1V1 300 103 0.2 m 0.671kg RT1 189 (200 372)
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。
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。 mout 解：取系统如下图所示 （稳态稳流）
稳定流动系统 （系统内总质量不变 ，状态变化） Δ Esys＝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
热力学能 动能 位能 推动功 ep pv u ek 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？
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
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

分析：Q = 0 Δ U = 0 ein＝u1＋p1v1＋c12/2＋gz1 ws 2 ein＝u2＋p2v2＋c2 /2＋gz2 min 系统对外作功： 例题2.2附图 Wt＝m[（u1－u2）＋（p1v1－p2v2） ＋（c12/2－c22/2）＋（gz1－gz2）] ＝m[（h1－h2）＋（c12－c22）/2 ＋g（z1－z2）]
a
结论：
图1.7例题1.1附图
b
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
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 Shaft work or rotational mechanical work 流动功Flow work ：维持工质流动所必须支付 的功称为流动功 When mass enters or leaves a control volume, work is required to push the fluid into or out of the system. 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
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 a process for which the end state is identical to the initial state 1) 正向循环：对外作功的循环称为正向循环power cycle; direct cycle 2) 逆向循环：消耗功的循环称为逆向循环reverse cycle 3) 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