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1、第2讲基本概念热力学第一定律本讲稿第一页，共二十一页1.5 状态方程式和状态参数坐标图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基本状态参数之间的热力学函数又称状态方程如：如：压容图和温熵图状态参数坐标图状态参数坐标图状态参数坐标图，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。的特性和计算，值得注意。本讲稿第二页，共二十一页1.6 热力过程、功和热量热力过程、功和热量 热力系统的状态变化过程称热力过程，简称过程热力系统的状态变化过程称热力过程，简称过程 process 由一系列准平衡（静态）状
2、态组成的过程称为由一系列准平衡（静态）状态组成的过程称为“准平衡过程准平衡过程”quasiequilibrium如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径(passpass)逆向进行逆向进行时，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一过程称为可逆过程(reversible process)功功(work,mechanical workwork,mechanical work)被定义为力与力方向上的位被定义为力与力方向上的位移的乘积移的乘积在力在力F F的作用下沿力的方向产生
3、位移的作用下沿力的方向产生位移dxdx，则该力所作的功为，则该力所作的功为 W W=FdxFdx 本讲稿第三页，共二十一页膨胀功的计算膨胀功的计算 expansion workexpansion work 膨胀功的推导膨胀功的推导设气缸内气体的压力为设气缸内气体的压力为p，活塞面积为，活塞面积为A，当活塞移动，当活塞移动dx时时 W=Fdx=pAdx=pdV 从状态从状态1到状态到状态2对每对每kg工质，系统作功工质，系统作功习惯规定：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系统对外作功时功取正，而外界对系统作功时功取负负本讲稿第四页，共二十一页热量 Transfer of He
4、at Energy定义：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与热能的差别：虽然两者都是能量，但热能是指物质内与热能的差别：虽然两者都是能量，但热能是指物质内所
5、含有的以分子的微观运动为特征的能量；热量则是这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。观形态的能量。本讲稿第五页，共二十一页例题1.1假设图假设图1.7气缸内为气体，气缸和活塞绝热，两者间无摩擦。气缸内为气体，气缸和活塞绝热，两者间无摩擦。若将若将a中的重物突然移去，中的重物突然移去，b中的小球依次移去，试分析气
6、缸中的小球依次移去，试分析气缸内气体所经历的状态是准平衡过程？可逆过程？内气体所经历的状态是准平衡过程？可逆过程？ab图1.7例题1.1附图结论：结论：a为非平衡过程，但有时近似处理为平衡过程（一定误差）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，近似为可逆过程为准平衡过程，近似为可逆过程本讲稿第六页，共二十一页热力学中有关的功量 轴功：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流动功流动功Flow work ：维持工质流动所必须支付：维持工质流动所必须支付的功称为流动功的
7、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技术功：技术功是指在工程上可资利用的功 有用功：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：无用功：膨胀功中无法加以利用的功本讲稿第七页，共二十一页1.7热力循环热力循环 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态的热
8、力过程 a process for which the end state is identical to the initial state 1)正正向向循循环环：对对外外作作功功的的循循环环称称为为正正向向循循环环power cycle;direct cycle2)逆向循环：消耗功的循环称为逆向循环逆向循环：消耗功的循环称为逆向循环reverse cycle3)循环经济性：循环经济性代表能量利用的经济性，指通循环经济性：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过循环收到的效益和所付代价的比值 本讲稿第八页，共二十一页第第2章章 热力学基本定律热力学基本定律 th
9、e 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热力学第二定律：说明转换过程中能量的品质问题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
10、改变量。这是我们所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熟知的基本原理本讲稿第九页，共二十一页2.1 热力学第一定律热力学第一定律 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于系统的热和功三方面讨论热力学第一定律的关系 2.1.1 热力学能热力学能 Internal Energy定义定义：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）分子热运动能量，这是分子移动、转动、分子内部振动等能
11、量量 2）分子间力形成的内位能，与分子间的平均距离有关）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）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以后系统所具有的总能量用符号 Esys 表示表示 热力学能用符号热力学能用符号U表示表示 每每kg物质的热力学能用小写符号物质的热力学能用小写符号u表示表示 称比热力学能称比热力学能本讲稿第十页，共二十一页热力学能的特征：热力学能为微观粒子的能量热力学能为微观粒子的能量 符号符号U 单位（单位（J）比热力学能：单位比热力学能：单位kg物质物质 的热力学能的热力学能 u=U/m J/kg当不考虑化学能、核能、电
12、磁能等时，热力学能当不考虑化学能、核能、电磁能等时，热力学能U只与温度、只与温度、压力等有关压力等有关 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，但不是基本状态量状态量，但不是基本状态量 本讲稿第十一页，共二十一页2.1.2 总能量总能量 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指系统内微观粒子能量、系统本身宏观能量之和 EsysUEpEk 系统的动能系统的动能 Ek 1/21/2mc2系统的位能系统的位能 Ep mgz当系统状态发生改变由状态当系统状态发生改变由状态1过渡到状态过渡到状态2后，
13、系统的总能量后，系统的总能量改变为改变为 EE2E1（U2U1）（）（Ep2Ep1）（）（Ek2Ek1）本讲稿第十二页，共二十一页2.1.3 热力学第一定律的一般表达式热力学第一定律的一般表达式 当系统由状态当系统由状态1 1经历一系列状态变化达到终状态经历一系列状态变化达到终状态2 2时，系统总能量时，系统总能量的变化如何？的变化如何？EsysEinEout（mineinQ）（）（mouteoutW）当系统处于宏观上静止时当系统处于宏观上静止时 U（mineinQ）（）（mouteoutW）moutminQWEsys 能量守恒能量守恒参见图：考虑外界作用：参见图：考虑外界作用：本讲稿第十三页
14、，共二十一页闭口系统能量方程闭口系统能量方程 总体（热力过程）总体（热力过程）UQ W 或或 QUW 或或 quw微元（热力过程微元（热力过程）QdUW 或或 qduw n功的计算：可逆过程功的计算：可逆过程 这里功的数量并不等于可以利用的功这里功的数量并不等于可以利用的功无物质进入和离开系统无物质进入和离开系统思考一下：为什么？思考一下：为什么？本讲稿第十四页，共二十一页2.1.5开口系统的能量方程开口系统的能量方程 稳定流动系统稳定流动系统（系统内总质量不变系统内总质量不变，状态变化），状态变化）EsysQWm（eineout）稳态稳流系统稳态稳流系统（系统内总质量不变系统内总质量不变，状
15、态不变化），状态不变化）QWm（eout ein）质量在进入和离开系统时带有的能量质量在进入和离开系统时带有的能量 功：系统输出功与可以获得并利用的功在数量上相同功：系统输出功与可以获得并利用的功在数量上相同注意：上述能量中注意：上述能量中 u 由状态所确定由状态所确定 pv 同样由状态所确定同样由状态所确定 能不能将两者合并？能不能将两者合并？热力学能热力学能 u动能动能 ek 位能位能 ep推动功推动功 pv本讲稿第十五页，共二十一页定义：焓=热力学能+推动功状态参数焓的定义：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，分这也是一个状态参数，单位与热力学能的单
16、位相同，分别为：别为：J、J/kg本讲稿第十六页，共二十一页例题例题2.1气缸内储有定量的气缸内储有定量的CO2气体，初态气体，初态p1300kPa，T1200，V10.2m3。经历一可逆过程后温度下降至。经历一可逆过程后温度下降至T2100。如果过程中压力和比容间的关系满足如果过程中压力和比容间的关系满足pv1.2常数，试确定该常数，试确定该过程中过程中CO2气体所作的功、比功、热力学能变化量，气体与气体所作的功、比功、热力学能变化量，气体与外界之间的热量交换。外界之间的热量交换。解：取解：取CO2气体为系统（闭口系统）气体为系统（闭口系统）1)1)功：可逆功：可逆wwpdvpdv本讲稿第十
17、七页，共二十一页续解续解Wmw0.6719450063425 J 因气体体积变化，故此功称为膨胀功。W0，为气体对外做功。在终态，气体体积为V20.656m3，所以(E)W0。2)系统内热力学能的变化：(E)sysUmcv(T2T1)查表取cv0.656kJ/kgK所以U0.671103(100200)44018J （说明系统的热力学能是减少的）3)Q的计算：QUW63425（44018）19407 J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。本讲稿第十八页，共二十一页例题例题2.2已知汽轮机进口
18、水蒸气参数为已知汽轮机进口水蒸气参数为p19MPa，t1500，流速，流速cf150m/s；出口水蒸气参数为；出口水蒸气参数为p20.5MPa，t2180，流，流速速cf2120m/s。蒸气的质量流量。蒸气的质量流量qm330t/h。蒸气在汽轮。蒸气在汽轮机中进行稳定的绝热流动，求汽轮机的功率。机中进行稳定的绝热流动，求汽轮机的功率。解：取系统如下图所示解：取系统如下图所示（稳态稳流）（稳态稳流）分析：分析：Q=0 U=0einu1p1v1c12/2gz1einu2p2v2c22/2gz2 系统对外作功：系统对外作功：Wtm（u1u2）（）（p1v1p2v2）（c12/2c22/2）（）（gz
19、1gz2）m（h1h2）（）（c12c22）/2 g（z1z2）例题2.2附图moutminws本讲稿第十九页，共二十一页续解续解：对每对每kg工质，功可以表示为：工质，功可以表示为：wt（h1h2）（）（c12c22）/2g（z1z2）略去其中位能差，可计算得：略去其中位能差，可计算得：w wt t（h h1 1h h2 2）（）（c c1 12 2c c2 22 2）/2/2 (3386.4(3386.42812.1)2812.1)10103 3(50(502 21201202 2)/2)/2 568.4568.410104 4J/kgJ/kgP Pm wt 33033010103 3568.4568.410104 4/3600/360052.152.110103 3 kW kW 本讲稿第二十页，共二十一页习题: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、83）习题 P51 2-1、2-2、2-13、2-17本讲稿第二十一页，共二十一页