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多媒体教学课件 华北电力大学 能源与动力工程学院 第2章 热力学第一定律 第2章 热力学第一定律 热力学第一定律的实质 热力学第一定律的实质是能量守恒与转换定律在热力学中的应用。 18世纪初，工业革命，热效率只有1% 1842年，迈尔阐述热一律，但没有引起重视 1840~1849年，焦耳用多种实验的一致性证明热一律，于1950年发表并得到公认 1909年，C. Caratheodory最后完善热一律 热一律的表述 当热能在与其他形式能量相互转换时，能的总量保持不变。 热一律又可表述为：第一类永动机是不可能制成的。 永动机举例 永动机举例 永动机举例：自然热的利用 永动机举例：自然热的利用 焦耳和热一律 从1849到1878年，焦耳反复作了四百多次实验，所得的热功当量值几乎都是423.9千克米/千卡，这和现在公认值427千克米/千卡相比，只小0.7%。焦耳用惊人的耐心和巧夺天工的技术，在当时的实验条件下，测得的热功当量值能够在几十年时间里不作比较大的修正，这在物理学史上也是空前的。 焦耳和热一律 1843年8月，在考尔克的一次学术报告会上，焦耳作了题为《论磁电的热效应和热的机械值》的报告。他在报告中提出热量与机械功之间存在着恒定的比例关系，并测得热功当量值为1千卡热量相当于460千克米的机械功。这一结论遭到当时许多物理学家的反对。 焦耳和热一律 1845年在剑桥召开的英国科学协会学术会议上，焦耳又一次作了热功当量的研究报告，宣布热是一种能量形式，各种形式的能量可以互相转化。但是焦耳的观点遭到与会者的否定，英国伦敦皇家学会拒绝发表他的论文。1847年4月，焦耳在曼彻斯特作了一次通俗讲演，充分地阐述了能量守恒原理，但是地方报纸不理睬，在进行了长时间的交涉之后，才有一家报纸勉强发表了这次讲演。同年6月，在英国科学协会的牛津会议上，焦耳再一次提出热功当量的研究报告，宣传自己的新思想。会议主席只准许他作简要的介绍。只是由于威廉·汤姆孙在焦耳报告结束后作了即席发言，他的新思想才引起与会者的重视。直到1850年，焦耳的科学结论终于获得了科学界的公认。 第2章 热力学第一定律 热力学能的导出 闭口系循环 第2章 热力学第一定律 闭口系能量方程推导 对于准静态和可逆过程 简单可压缩系准静态过程闭口系能量方程： 例题1 定量空气在状态变化过程中对外放热60kJ，热力学能增加70kJ，问空气是膨胀还是被压缩？功量是多少？ 解：根据公式Q = ?U + W 因此 W0，说明外界对空气作功，即空气被压缩。 提示：热量的正负值及功的正负值要牢记 第2章 热力学第一定律 流动功 当质量为dm的工质在外力的推动下移动距离dx，并通过面积为A的截面进入系统时，则外界所作的流动功为 流动功特点 由于工质进出开口系统，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所携带和所传递和一种能量。 在工质流动时工质的状态并没有发生变化，因此热力学能没有变化，仅仅是工质的位置变化。 与宏观流动有关，流动静止，流动功不存在，pv 此时不代表流动功。 与所处状态有关，是状态量。 焓的定义 在有关热工计算的公式中，时常有U+pV组合出现，定义为焓，用H表示： H=U+pV 单位质量工质的焓称为比焓，用h表示 H=u+pv 焓的单位：J、kJ 比焓的单位：J/kg，kJ/kg 焓的物理意义 对于流动工质，焓是一种能量，它表示流动工质传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量。 在热力设备中，工质总是连续流动的，随工质流动而转移（传递）的能量中，取决于工质热力状态的部分是焓不是热力学能。即开口系随工质流动传递的能量是焓，不是热力学能，当然还包括工质的机械能（动能、位能），因此焓的应用比热力学能更广泛。 第2章 热力学第一定律 稳定流动特点 流入和流出热力系统的质量流量相等，且不随时间而变化； 进、出口处工质的状态不随时间而变化； 系统和外界交换的热量和功不随时间而改变。 开口系稳定流动能量方程推导 开口系稳定流动能量方程推导 技术功 定义：在工程热力学中，将工程技术上可以直接利用的动能差、位能差及轴功三项之和称为技术功，用Wt 表示 开口系稳定流动能量方程 关于技术功 可逆过程的技术功在压容图（p-v图，示功图）上表示，是曲线与纵坐标围成曲线面积。 dp0，工质压力降低，技术功为正，工质对机器做功，如汽轮机，燃气轮机 dp0，工质压力增加，技术功为负，机器对工质做功（消耗外界的功），如压气机、电风扇 稳定流动能量方程式的应用 锅炉及各种换热器 锅炉及各种换热器 汽轮机和燃气轮机 汽轮机和燃气轮机 压缩机械 压缩机械 喷管和扩压管 喷管和扩压管 绝热节流 绝热节流 课后思考题 制冷系数或供热系数均可大于1，这是否违反热