第1-热力学第一定律.pptx

1-1 系统和平衡状态系统和平衡状态 系统系统人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。外界外界与体系发生质、能交换的物系。与体系发生质、能交换的物系。边界边界系统与外界的分界面（线）。系统与外界的分界面（线）。1.1.1 热力系统热力系统(系统、体系系统、体系)和外界和外界 1）系统与外界的人为性）系统与外界的人为性 2）外界与环境介质的关系）外界与环境介质的关系 3）边界可以是：）边界可以是：a）刚性的或可变形的或有弹性的刚性的或可变形的或有弹性的 b）固定的或可移动的固定的或可移动的 c）实际的或虚拟的实际的或虚拟的注意：注意：1 汽缸汽缸-活塞装置（移动和固定边界）活塞装置（移动和固定边界）2 移动和虚构边界移动和虚构边界31.1.2 热力系分类热力系分类 按组元数按组元数 单元系单元系 多元系多元系按相数按相数 单相系单相系 复相系复相系注意：注意：1）不计恒外力场影响；）不计恒外力场影响；2）复相系未必不均匀）复相系未必不均匀湿蒸汽；湿蒸汽；单元系未必均匀单元系未必均匀气液平衡分离状态。气液平衡分离状态。1.按组元和相按组元和相4 闭口系闭口系（控制质量（控制质量CM）没有质量越过边界没有质量越过边界 开口系开口系（控制体积（控制体积CV）通过边界与外界有质量交换通过边界与外界有质量交换2.按系统与外界质量交换按系统与外界质量交换5 1）闭口系与系统内质量不变的区别；）闭口系与系统内质量不变的区别；2）开口系与绝热系的关系；）开口系与绝热系的关系；3）孤立系与绝热系的关系。）孤立系与绝热系的关系。注意：注意：4.简单可压缩系简单可压缩系 由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交 换容积变化功的有限物质系统。换容积变化功的有限物质系统。绝热系绝热系 与外界无热量交换与外界无热量交换;孤立系孤立系 与外界无任何形式的质能交换。与外界无任何形式的质能交换。3.按能量交换按能量交换65.热力系示例热力系示例 1刚性绝热气缸刚性绝热气缸-活塞系统，活塞系统，B侧设有电热丝侧设有电热丝 红线内红线内闭口绝热系闭口绝热系黄线内黄线内不包含电热丝不包含电热丝闭口系闭口系黄线内黄线内包含电热丝包含电热丝闭口绝热系闭口绝热系蓝线内蓝线内孤立系孤立系72刚性绝热喷管刚性绝热喷管取喷管为系统取喷管为系统开口系绝热系开口系绝热系81.1.3 平衡状态和状态参数平衡状态和状态参数 热力学状态热力学状态 系统宏观物理状况的综合。系统宏观物理状况的综合。1.热力学状态热力学状态 无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态热平衡热平衡：在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外界 处处温处处温度相等。度相等。力平衡力平衡：在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外 界处处压界处处压力相等。力相等。热力平衡的热力平衡的充要条件充要条件系统同时达到热平衡和力平衡系统同时达到热平衡和力平衡。2.平衡状态平衡状态9讨论：讨论：1）系统平衡与均匀）系统平衡与均匀2）平衡与稳定平衡与稳定 平衡可不均匀平衡可不均匀 稳定未必平衡稳定未必平衡102)状态的单值函数。状态的单值函数。物理上物理上与过程无关；与过程无关；数学上数学上其微量是全微分。其微量是全微分。3)状态参数分类状态参数分类 广延量广延量 强度量强度量又：广延量的比性质具有强度量特性，如比体积又：广延量的比性质具有强度量特性，如比体积工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数。工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数。1)状态参数是宏观量状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效，是大量粒子的统计平均效 应，只有应，只有平平衡态衡态才有状参，系统有才有状参，系统有多多个状态参数，如个状态参数，如3.状态参数的特性和分类状态参数的特性和分类114.系统状态相同的充分必要条件系统状态相同的充分必要条件 系统两个状态相同的充要条件：系统两个状态相同的充要条件：所有所有状态参数一一对应相等状态参数一一对应相等 简单可压缩系两状态相同的充要条件：简单可压缩系两状态相同的充要条件：两个独立的两个独立的状态参数对应相等状态参数对应相等5.状态参数坐标图状态参数坐标图 简单可压缩系只有两个独立参数，故可用平面坐标上一简单可压缩系只有两个独立参数，故可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点：点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点：pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3OOO121.1.4 准静态过程准静态过程 定义：定义：偏离平衡态无穷小，随时偏离平衡态无穷小，随时 恢复平衡的状态变化过程恢复平衡的状态变化过程。进行条件进行条件：破坏平衡的势破坏平衡的势 过程进行无限缓慢过程进行无限缓慢工质有恢复平衡的能力工质有恢复平衡的能力准静态过程可在状态参数图上用准静态过程可在状态参数图上用连续实线连续实线表示表示无穷小无穷小 能量的转化通过工质的状态变化过程完成，过程是指系统能量的转化通过工质的状态变化过程完成，过程是指系统从一个平衡状态向另一个平衡状态变化时全部状态的总合。从一个平衡状态向另一个平衡状态变化时全部状态的总合。131.1.5 可逆过程可逆过程定义定义：系统可经原途径返回原来状系统可经原途径返回原来状 态而在外界不留下任何变化态而在外界不留下任何变化 的过程的过程。可逆过程与准静态过程的关系可逆过程与准静态过程的关系非准静态非准静态不可逆不可逆准静态准静态可逆可逆单纯传热过程单纯传热过程14非准静态过程，不可逆非准静态过程，不可逆准静态过程，不可逆准静态过程，不可逆准静态过程，可逆准静态过程，可逆作功过程作功过程pFfpb 1.可逆可逆=准静态准静态+没有耗散效应没有耗散效应 2.一切实际过程不可逆一切实际过程不可逆 3.可逆过程可用状态参数图上实线表示可逆过程可用状态参数图上实线表示 讨论：讨论：151.1.6 热力循环热力循环1)定义定义：封闭的热力过程封闭的热力过程 特性特性：一切状态参数恢复原值一切状态参数恢复原值，即2)可逆循环与不可逆循环可逆循环与不可逆循环3)动力循环（正向循环）动力循环（正向循环）输出净功；在输出净功；在pv图及图及Ts图上顺时针进行；图上顺时针进行；膨胀线在压缩线上方；吸热线在放热线上方。膨胀线在压缩线上方；吸热线在放热线上方。164.逆向循环逆向循环 制冷循环制冷循环 热泵循环热泵循环 一般地讲：输入净功；一般地讲：输入净功；在状态参数图逆时针运行；在状态参数图逆时针运行；吸热小于放热。吸热小于放热。17 动力循环：动力循环：热效率热效率逆向循环：逆向循环：制冷系数制冷系数供暖系数供暖系数5.循环循环经济性指标：经济性指标：181.2.1 温度和温标温度和温标温度的概念温度的概念 温度是物质的属性，当两个温度不同的物体相互接触时，温度是物质的属性，当两个温度不同的物体相互接触时，温度是物质的属性，当两个温度不同的物体相互接触时，温度是物质的属性，当两个温度不同的物体相互接触时，它们之间将发生热量传递，若没有其它物体影响，这两个物它们之间将发生热量传递，若没有其它物体影响，这两个物它们之间将发生热量传递，若没有其它物体影响，这两个物它们之间将发生热量传递，若没有其它物体影响，这两个物体的温度将趋于一致，最终将达到温度相等（体的温度将趋于一致，最终将达到温度相等（体的温度将趋于一致，最终将达到温度相等（体的温度将趋于一致，最终将达到温度相等（热平衡热平衡热平衡热平衡）。）。）。）。温度是热平衡的判据温度是热平衡的判据温度是热平衡的判据温度是热平衡的判据。1-2 基本状态参数基本状态参数测温的基础测温的基础热力学零定律热力学零定律 如如如如果果果果两两两两个个个个物物物物体体体体分分分分别别别别与与与与第第第第三三三三个个个个物物物物体体体体处处处处于于于于热热热热平平平平衡衡衡衡，则则则则这这这这两两两两个个个个物物物物体体体体彼彼彼彼此此此此也必处于热平衡。也必处于热平衡。也必处于热平衡。也必处于热平衡。热力学第零定律是温度测量的理论依据热力学第零定律是温度测量的理论依据热力学第零定律是温度测量的理论依据热力学第零定律是温度测量的理论依据 。19温标温标温标温标温度的数值表示法。温度的数值表示法。温度的数值表示法。温度的数值表示法。建立温标的三个要素：建立温标的三个要素：建立温标的三个要素：建立温标的三个要素：a.a.选择温度的固定点，规定其数值；选择温度的固定点，规定其数值；选择温度的固定点，规定其数值；选择温度的固定点，规定其数值；b.b.确定温度标尺的分度方法和单位；确定温度标尺的分度方法和单位；确定温度标尺的分度方法和单位；确定温度标尺的分度方法和单位；c.c.选择某随温度变化的物性作为温度测量的选择某随温度变化的物性作为温度测量的选择某随温度变化的物性作为温度测量的选择某随温度变化的物性作为温度测量的 依据。依据。依据。依据。热力学温标和国际摄氏温标热力学温标和国际摄氏温标 用用用用热热热热力力力力学学学学温温温温标标标标确确确确定定定定的的的的温温温温度度度度称称称称为为为为热热热热力力力力学学学学温温温温度度度度，用用用用符符符符号号号号T T 表表表表示，单位为示，单位为示，单位为示，单位为 KK（开）。（开）。（开）。（开）。热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）:英英英英国国国国物物物物理理理理学学学学家家家家开开开开尔尔尔尔文文文文（Kelvin)Kelvin)在在在在热热热热力力力力学学学学第第第第二二二二定定定定律律律律基基基基础础础础上上上上建立，也称建立，也称建立，也称建立，也称开尔文温标。开尔文温标。开尔文温标。开尔文温标。热热热热力力力力学学学学温温温温标标标标取取取取水水水水的的的的三三三三相相相相点点点点为为为为基基基基准准准准点点点点，并并并并定定定定义义义义其其其其温温温温度度度度为为为为273.16 273.16 KK。温差。温差。温差。温差1 1KK相当于相当于相当于相当于水的三相点温度的水的三相点温度的水的三相点温度的水的三相点温度的1/273.161/273.16。20摄氏温标摄氏温标摄氏温标摄氏温标:标标标标准准准准大大大大气气气气压压压压下下下下，纯纯纯纯水水水水的的的的冰冰冰冰点点点点温温温温度度度度为为为为0 0 ，纯纯纯纯水水水水的的的的沸沸沸沸点点点点温温温温度度度度为为为为100 100，纯纯纯纯水水水水的的的的三三三三相相相相点点点点（固固固固、液液液液、汽汽汽汽三三三三相相相相平平平平衡衡衡衡共共共共存存存存的的的的状态点）温度为状态点）温度为状态点）温度为状态点）温度为0.010.01 。瑞瑞瑞瑞典典典典人人人人摄摄摄摄尔尔尔尔修修修修斯斯斯斯（CelsiusCelsius）于于于于17421742年年年年建建建建立立立立。用用用用摄摄摄摄氏氏氏氏温温温温标确定的温度称为标确定的温度称为标确定的温度称为标确定的温度称为摄氏温度摄氏温度摄氏温度摄氏温度，用符号，用符号，用符号，用符号t t 表示，单位为表示，单位为表示，单位为表示，单位为 。选选选选择择择择水水水水银银银银的的的的体体体体积积积积作作作作为为为为温温温温度度度度测测测测量量量量的的的的物物物物性性性性，认认认认为为为为其其其其随随随随温温温温度度度度线线线线性性性性变变变变化化化化，并并并并将将将将0 0 100 100 温温温温度度度度下下下下的的的的体体体体积积积积差差差差均均均均分分分分成成成成100100份份份份，每每每每份份份份对应对应对应对应1 1 1 1。热力学温标热力学温标热力学温标热力学温标与与与与摄氏温标摄氏温标摄氏温标摄氏温标的关系：的关系：的关系：的关系：1 K=1 1 K=1 t t t t=T T 273.15 273.15 KK21华氏温标和朗肯温标华氏温标和朗肯温标华氏温标和摄氏温标华氏温标和摄氏温标附：附：T R=t +459.67t=5/9t-32t =9/5t +32221.2.2 压力压力绝对压力绝对压力 p;表压力表压力 pe（pg）;真空度真空度 pv当地大气压当地大气压pb23常用压力单位：常用压力单位：24 如图，已知大气压如图，已知大气压 pb=101 325 Pa，U型管内型管内 汞柱高度差汞柱高度差H=300 mm，气体表，气体表B读数为读数为0.254 3 MPa，求：，求：A室压力室压力pA及气压表及气压表A的读数的读数peA例题例题1 1：解：解：25261.2.3 比体积和密度比体积和密度比体积比体积单位质量工质的体积单位质量工质的体积密度密度单位体积工质的质量单位体积工质的质量两者关系两者关系:2713 热力学能、焓和熵热力学能、焓和熵1.3.1 热力学能和总能热力学能和总能UchUnuUthUk 平移动能平移动能转动动能转动动能振动动能振动动能Up总（储存）能总（储存）能总能总能热力学能，内部储存能热力学能，内部储存能外部储存能外部储存能宏观动能宏观动能宏观位能宏观位能热力学能热力学能28热力学能是状态参数热力学能是状态参数热力学能单位热力学能单位 工程中关心工程中关心宏观动能与内动能的区别宏观动能与内动能的区别1.3.2 焓焓1.推动功和流动功推动功和流动功推动功：系统引进或排除工质传递的功量。推动功：系统引进或排除工质传递的功量。pvp1v11o29流动功：系统维持流动流动功：系统维持流动 所花费的代价。所花费的代价。推动功在推动功在p-v图上：图上：302.焓焓定义：定义：H=U+pV h=u+pv单位：单位：J（kJ）J/kg（kJ/kg）焓是状态参数。焓是状态参数。物理意义：引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。物理意义：引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。1.3.3 熵熵1.定义定义2.熵是状态参数熵是状态参数311.4.1 功和可逆过程的功功和可逆过程的功 1功的力学定义功的力学定义 2功的热力学定义：功的热力学定义：通过边界传递的能量其全部通过边界传递的能量其全部效果可表现为举起重物。效果可表现为举起重物。3可逆过程功的计算可逆过程功的计算功是过程量功是过程量功可以用功可以用p-v图上过程线图上过程线与与v轴包围的面积表示轴包围的面积表示1-4 功和热量功和热量 32 系统对外作功为系统对外作功为“+”外界对系统作功为外界对系统作功为“-”5功和功率的单位：功和功率的单位：附：附：4功的符号约定：功的符号约定：膨胀：膨胀：膨胀：膨胀：d dv v 0,0,w w 0 0压缩：压缩：压缩：压缩：d dv v 0,0,w w 0 033346讨论讨论有用功概念有用功概念其中其中:W膨胀功膨胀功(compression/expansion work)；Wl摩擦耗功；摩擦耗功；Wp排斥大气功。排斥大气功。pbf例例2例例3例例2：1kg 某种气态工质，从初态某种气态工质，从初态1可逆膨胀到达终态可逆膨胀到达终态2的过程中的过程中分别遵循：分别遵循：（2）求：两过程中各作功多少（求：两过程中各作功多少（a、b、c为常数）为常数）解：解：（1）（2）（1）可用面积可用面积1A2MN1表示表示可用面积可用面积1B2MN1表示表示功与初、终态及中间过程有关！功与初、终态及中间过程有关！返回返回35例例3：有一橡皮气球，当其内部压力为有一橡皮气球，当其内部压力为0.1 MPa（和大气压相（和大气压相同）时是自由状态，其容积为同）时是自由状态，其容积为0.3 m3。当气球受太阳照。当气球受太阳照射而气体受热时，其容积膨胀一倍而压力上升到射而气体受热时，其容积膨胀一倍而压力上升到0.15 MPa。设气球压力的增加和容积成正比。试求：。设气球压力的增加和容积成正比。试求：（1）该膨胀过程的）该膨胀过程的 p f（v）关系；）关系；（2）该过程中气体作的功；）该过程中气体作的功；（3）用于克服橡皮球弹力所作的功。）用于克服橡皮球弹力所作的功。1236 气球受太阳照射而升温必较缓慢，可假定其气球受太阳照射而升温必较缓慢，可假定其 ，所以关键在于求出，所以关键在于求出 p f（v）解解:(1)由题意由题意37（3）（2）返回返回3839用外部参数计算不可逆过程的功用外部参数计算不可逆过程的功?401.4.2 热量热量1定义：定义：仅仅由于温差而仅仅由于温差而 通过边界传递的能量通过边界传递的能量。2符号约定：系统吸热符号约定：系统吸热“+”；放热放热“-”3单位：单位：4计算式及状态参数图计算式及状态参数图热量是过程量热量是过程量（T-s图上）表示图上）表示系统吸热；系统吸热；系统吸热；系统吸热；，系统放热。系统放热。系统放热。系统放热。，绝热，定熵过程。绝热，定熵过程。绝热，定熵过程。绝热，定熵过程。，411.4.3 热量与功的异同：热量与功的异同：1、均为通过边界传递的能量；、均为通过边界传递的能量；3、功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；、功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；4、功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量；、功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量；热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。功功2、均为过程量；、均为过程量；热是无条件的；热是无条件的；热热功是有条件、限度的。功是有条件、限度的。1-5 热力学第一定律及其解析式热力学第一定律及其解析式一、第一定律的实质一、第一定律的实质 能量守恒与转换定律在热现象中的应用能量守恒与转换定律在热现象中的应用。二、第一定律的表述二、第一定律的表述 热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。时候，他们之间的比值是一定的。或：或：热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。与之相应量的热。42三、热力学第一定律的解析式三、热力学第一定律的解析式 加入系统的能量总和加入系统的能量总和热力系统输出的能量总和热力系统输出的能量总和=热热力系总储存能的增量力系总储存能的增量43EE+dE流入：流入：流出：流出：内部贮能的增量内部贮能的增量：dE44或EE+dE45 闭口系，闭口系，忽略宏观动能忽略宏观动能Ek和位能和位能Ep，第一定律第一解析式第一定律第一解析式功的基本表达式功的基本表达式热热46讨论：讨论：1）对于可逆过程对于可逆过程2）对于循环对于循环3）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W 的的 “+”、“”、数值大小。、数值大小。热力学第一定律热力学第一定律 例例4热力学第一定律热力学第一定律 例例547注意：区分各截面间参数可不同。注意：区分各截面间参数可不同。1）各截面上参数不随时间变化。各截面上参数不随时间变化。2）ECV=0，SCV=0，mCV=0 1-6 稳定流动能量方程式稳定流动能量方程式一、稳定流动特征稳定流动特征流入系统的能量流入系统的能量:流出系统的能量流出系统的能量:系统内部储能增量系统内部储能增量:ECV=考虑到稳流特征：考虑到稳流特征：ECV=0 m1=m2=m;及及h=u+pv 二、二、稳定流动能量方程式稳定流动能量方程式稳定流动能量方程式稳定流动能量方程式4849讨论：1）改写式（）改写式（B）为式（）为式（C）热能转变热能转变成功部分成功部分输出轴功输出轴功流动功流动功机械能增量机械能增量（C）502）技术功技术功由式（由式（C）技术上可资利用的功技术上可资利用的功 wt可逆过程可逆过程513）第一定律第二解析式）第一定律第二解析式可逆可逆三、稳定流动能量方程式的应用三、稳定流动能量方程式的应用1.1.蒸汽轮机、气轮机蒸汽轮机、气轮机 流进系统：流进系统：流出系统：流出系统：内部储能增量：内部储能增量：0 052532.压气机压气机，水泵类，水泵类流入流入流出流出内部贮能增量内部贮能增量 0 03.换热器（锅炉、加热器等）换热器（锅炉、加热器等）54 流入：流入：流出：流出：内增：内增：0 0若忽略动能差、位能差若忽略动能差、位能差554.管内流动管内流动流入：流入：流出：流出：储存能增量：储存能增量：0 0对于气体工质，忽略位能对于气体工质，忽略位能绝热滞止绝热滞止滞止（总）焓滞止（总）焓56稳定流动能量方程稳定流动能量方程 例例6稳定流动能量方程稳定流动能量方程 例例757