3热力学第一定律 讲义.pptVIP

第三章 能量与热力学第一定律 深入理解热力学第一定律的实质，能够正确、灵活地应用热力学第一定律表达式来分析计算工程实际中的有关问题。 掌握能量、储存能、热力学能、迁移能的概念 掌握体积变化功、推动功、轴功和技术功的概念及计算式。 焓的定义 3.1 热力学第一定律的实质 3.3 热力学第一定律的一般表达式 3.3.1 充气 (1) 刚性容器绝热充气 (2) 刚性容器等温充气 指充气过程很慢，系统与外界随时保持热平衡 对能量方程进行化简后得到： (3) 非等容绝热充气 充气过程中控制容积的体积要改变 能量方程经过简化后为： 3.3.2 放气 (1)刚性容器绝热放气 根据过程特征，简化后的能量方程为： 若充气过程中压力保持不变，则状态方程可以表示为： 将上式代入，削去dm/m后得到： 积分后得到计算终温的公式： 若利用状态方程求取dT/T，则可以得到： 利用参数关系式表示上式中各能量项，则有： * * 基本要求: 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2% ? 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 1909年，C.Caratheodory最后完善热一律 热力学第一定律 焦耳（Joule）和迈耶(Mayer)自1840年起，历经20多年，用各种实验求证热和功的转换关系，得到的结果是一致的。 即： 1 cal = 4.1840 J 焦耳关于热功功量的测定，是建立能量守恒定律的实验基础。 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。 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 将能量守恒与转化定律应用于热效应就是热力学第一定律，但是能量守恒与转化定律仅是一种思想，它的发展应借助于数学。马克思讲过：一门学科只有在能成功地运用数学时，才算是真正的发展了。 应该找到一个量纲也是能量的、与系统状态有关的函数，把它与功和热量联系起来，由此说明功和热量转换的结果其总能量还是守恒的。这个函数就是内能U。 3.2 内能的导出 闭口系循环过程的热一律表达式 要想得到功，必须化费热能或其它能量 热一律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的” 储存能的导出 闭口系循环 对于循环1a2c1 对于循环1b2c1 状态参数 p V 1 2 a b c 定义 dE= ? Q - ? W 储存能 E：状态函数 ?Q = dE+ ?W Q = ? E+ W 闭口系热一律表达式 ！！！两种特例 绝功系 ? Q = dE  绝热系 ? W = - dE 热力学第一定律指出： 对于绝热过程 热量则可作为导出量而被定义为： 上述表达式分别称为喀喇氏、玻因凯尔、基南和夏皮罗表达式。 三种表达形式各异，但都表达了能量在传递和转换过程中是守恒的。其一般关系式可表达为： 流入系统的能量—流出系统的能量 =系统能量的增量 以上关系式对于求解类似充气和放气过程的不稳定流动问题更为方便。 根据能量守恒定律,对于一般热力系进行分析: 对上式进行积分后得到: 应用于闭口系统后得到: 由于反映了热功转换的基本关系,又称基本表达式. 3.3 开口系统能量方程的一般表达式 用流率形式表示: 对于多股流体: 以进、出口均为单股流体为例进行分析： 在给定时间间隔内对上式积分，并忽略进、出口势能变化，可以得到瞬变流动能量方程： 若视工质为理想气体，系统的容积和质量之间的关系可以表示为： 应用中的问题： 1、由于瞬变流动中系统质量为变量，因此确定系统的质量需要三个状态参数。 2、求解的基本方程包括：能量方程、状态方程和质量守恒方程。 3、充气截面参数和放气截面参数应采用不同方法处理。 4、研究中，充气和放气不是同时进行的。 5、平衡热力学只能分析计算充气和放气瞬变流动的结果，而不能回答过程进行的细节。 6、为简化问题将工质视为理想气体，比热视为定值。 选取热力系统、确定热力系统性质、选择热力学第一定律解析式，并进行简化后得到： 因为： 所以： 用参数关系式表示上式能量项： 由于dv=0，故有： 代回原式削去m项，则得到： 积分后得到： 若削去温度T，则得到： 以T=PV/RT代入，积分后得到： 对于绝热刚性真空容器充气，则有： 思考：对于非真空容器，充气后温度的变化？ 因为： 所以：