工程热力学3 内能与热力学第一定律
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工程热力学三大定律
工程热力学是研究能量转化和传递的学科,其中三大定律是工程热力学的三个基本定律。
这三大定律分别是:
第一定律:能量守恒定律。
它指出,能量不能被创造或销毁,只能从一种形式转换为另一种形式。
在一个封闭系统中,能量的增加等于它的减少。
这一定律是热力学的基础,也是工程热力学的基础。
第二定律:熵增定律。
它指出,任何封闭系统中的熵都不会减少,只会增加或保持不变。
熵是一个系统混乱程度的度量,因此这个定律意味着所有自然过程都会使系统变得更加混乱。
这一定律在工程热力学中被广泛应用,特别是在热力学循环和能量转换中。
第三定律:绝对零度定律。
它指出,当一个物体的温度降到绝对零度时,它的熵将达到最小值。
这一定律是热力学的最终定律,也是工程热力学的一个基本定律。
它被用来确定理想气体的热力学性质,以及热力学循环的效率。
这三大定律是工程热力学的基础,它们在能源转换和利用中具有重要的应用价值。
了解这些定律可以帮助工程师设计更高效的能源系统,提高能源利用效率。
- 1 -。
工程热力学公式大全1.热力学第一定律:ΔU=Q-W其中,ΔU表示系统内能的变化,Q表示系统吸收的热量,W表示系统对外所做的功。
2.热力学第二定律(卡诺循环):η=1-Tc/Th其中,η表示热机的热效率,Tc表示冷源温度,Th表示热源温度。
3.单级涡轮放大循环功率:W=h_1-h_2其中,h_1表示压缩机入口焓,h_2表示涡轮出口焓。
4.热力学性质之一:比热容C=Q/(m*ΔT)其中,C表示比热容,Q表示系统吸收的热量,m表示系统的质量,ΔT表示温度变化。
5.热力学性质之二:比焓变ΔH=m*C*ΔT其中,ΔH表示焓变,m表示系统的质量,C表示比热容,ΔT表示温度变化。
6.理想气体状态方程:PV=nRT其中,P表示气体的压力,V表示气体的体积,n表示气体的物质量,R表示气体常数,T表示气体的温度。
7.热机制冷效率:ε=(Qh-Qc)/Qh其中,ε表示热机的制冷效率,Qh表示热机吸收的热量,Qc表示热机传递给冷源的热量。
8.熵变表达式:ΔS=Q/T其中,ΔS表示熵变,Q表示系统吸收的热量,T表示温度。
9.热力学性质之三:比容变β=-(1/V)*(∂V/∂T)_P其中,β表示比容变,V表示体积,T表示温度,P表示压力。
10.工作物质循环效率η_cyc = W_net / Qin其中,η_cyc表示工作物质的循环效率,W_net表示净功,Qin表示输入热量。
这只是一小部分工程热力学公式的示例,实际上工程热力学涉及面较广,还有许多其他常用公式。
与热力学相关的公式使工程师能够更好地理解和解决与能量转换和热力学有关的问题,在工程设计和应用中起到重要的作用。
第三章 热力学第一定律热力学第一定律是研究热力学的主要基础之一,也是分析和计算能量转化的主要依据,并且在我们以后的几章分析中也离不开它。
对其他热力学理论的建立也起着非常重要的作用。
热一律的建立1840—1851年间,迈耶、焦耳、赫尔姆霍茨建立了热力学第一定律,它指出了能量转化的数量关系,随着分子运动论的建立和发展,肯定了热能与机械能相互转化的实质是热能与机械能都是物质的运动,其相互转化就是物质由一种运动形态转变为另一种运动形态的运动且转化时能量守恒,把能量守恒定律应用于热力学,就叫做热力学第一定律,至此热力学第一定律完全建立。
本章重点:1 讨论热力学第一定律的实质。
2 能量方程的建立及工程实际中的应用。
3—1 热力学第一定律的实质实质:热一律的实质是能量转化与守恒定律在热现象上的应用。
能量转化守恒定律指出:在自然界中,物质都具有能量,能量有各种不同的形式,既不能创造,也不能随意消失,而只能从一种形态转化成另一种形态。
由一个系统转逆到另一个系统。
在能量转化和传递过程中,能量的总和保持不变,这个定律对任何一个系统都可写成∆⇒⇒//系统进入 离开即输入系统的能量-输出系统的能量=系统储存的能量的变化量。
能量守恒定律不适从任何理论推导出来的,而是人类在长期的生产斗争和科学实验中积累的丰富经验的总结,并为无数实践所证实。
它是自然界中最普遍、最基本的规律之一。
普遍适用于机械的、热能的、电磁的、原子的、化学的等多变过程。
物理学中的功能原理、工程力学中的机械能守恒定律等。
其实质都是能量守恒与转化定律,热一律就是能量转化与守恒定律在热现象上的应用。
这个定律指出,热能与其它形式的能量相互转化和总能量守恒。
机械能 热能 化学能 电磁能在本课程范围内主要是热能与机械能的相互转化,因此:热一律也可表示为:热→功,功→热。
一定量热消失时,必产生与之数量相当的功。
消耗一定量的功时,必产生相当数量的热。
用数学形式表示:Q AW = 1427kcalA kg m =⋅W TQ = 1kg m J kcal A⋅=Q W = kJ这一关系表明,热一律确立了热与机械能相互转化时,热量与功量在数量上的关系。
能量与热力学第一定律统一性质的能量平衡方程将以不同形式不同内容出现,本章将对热力学第一定律的应用逐一加以讨论。
3—1热力学第一定律和系统的储存能能量转换及守恒定律指出:自然界中的一切物质都具有能量;能量有各种不同形式,并能从一种形式转化为另一种形式;在转换中能量的总数保持不变。
对于孤立系,无论其内部如何变化,它的总能量保持不变时,能量守恒及转换定律可以简单表示为 △E iso =0(3-1)热力学第一定律的一般表示式: Q=△E+W tot (3-2)物系储存的能量有内部储存能喝外部储存恩呢个之分。
与物质内部粒子的微观运动和粒子在空间的位置有关的能量称为内部储存能,简称内能,用U 表示。
在不涉及物质内部结构变化时,内能仅只微观运动能和微观位能,合称热能。
物体作整体运动时还可以有其它能量,这类能量要由物系外的参考系坐标确定,故称为物系的外部储存能。
物系的储存能是△E=△U+m △c 2+m △z(3-3)3—2功热力学通常沿用力学中功的定义:功是力与平行于力的作用12线的位移的乘积。
系统给出的功和外界对功的使用方式无关。
热力学中所说的功都是只系统而言,是系统给出的或得到的功,系统给出了多少功,外界就获得数量相等的功。
膨胀功是热能变为机械能的基本形式的功。
如过程是可逆的,膨胀功表示为(3-4)表面张力可逆功的一般表示式为:(3-5)式中的负号表示表面时外界应对系统做功。
在涉及电磁场现象时,外力场变化还会出现其它模式的功。
当外电场发生变化时,为使电介质中的电偶子转动而沿一定方向排列,系统对外完成的可逆极化功为(3-6)式中,是电场强度,是总电矩。
当外电磁场改变时,为使磁偶子定向,磁性物质热力系对外作的可逆磁化功可表示为(3-7)式中,是磁场强度,是总磁矩。
从式(3-4)~(3-7)可看出,无论哪种模式都是可逆功,如非可逆,功就不能如此表示,而且都具有下列共同形式:(3-8)其中称为广义功,代表某种强度量,叫广义功,是在re dW pdV =·sur ten dW dA σ=-pol dW EdP =-E P mag dW HdI =-H I ()i re i i dW F dx =-i W i F i dx iF作用下产生的广义位移的微分量,是一广延量。
工程热力学-热力学第一定律讲稿正文第一篇:工程热力学-热力学第一定律讲稿热力学第一定律一、热力学第一定律的实质自然界的物质处于不断地变化中,转化中的守恒与守恒中的转化时自然界的基本法则之一。
人们从无数的实践经验中总结出:自然界一切物质都具有能量,能量既不能创造也不能消灭,各种不同形式的能量都可以从一个物体转移到另一个物体,也可以从一种能量形式转变到另一种能量形式,但在转移过和转变程中,它们的总量保持不变。
这一规律称为能量守恒与转换定律。
而热力学第一定律就是能量守恒与转换定律在热现象中应用,它确定了热力工程中热力系与外界进行能量交换时,各种形态的能量在数量上的守恒关系。
在工程热力学中热力学第一定律可以表述为:热可以变为功,功也可以变为热,一定的热量消失时必产生相应的功,消耗一定量的功时必出现与之对应的一定量的热。
二、热力系统常用到的能量形式(一)、储存能1、内储存能/热力学能(U):组成热力系统的大量微观粒子本身所具有的能量。
热力学能是下列各种能量的总和:(1)分子热运动所形成的内动能。
(2)分子间相互作用力所形成的内位能。
(3)构成分子的化学能和构成原子的的原子能。
2、外储存能(1)宏观动能(Ek):相对于热力系统以外的的参考坐标,由于宏观运动速度而具有的能量。
Ek12mc2f(2)重力位能(Ep):在重力场中,热力系统由于重力作用而具有的能量。
Ep mgz3、热力系统的总储存能(E):是内储存能与外储存能之和,即: E U Ek Ep U e u12cf212mc2f mgz 或gz(二)迁移能:能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式做功和传热,传递过程中的功量和热量称为迁移能。
热力系统与外界存在势差时,进行的能量交换途径有三种:功量交换、热量交换、质量交换。
1、功量(1)体积功:在压力差的作用下,热力系统体积膨胀或收缩时与外界交换的功量。
(2)轴功(Ws):热力系统通过叶轮机械的轴和外界交换的功量。
第三章内能与热力学第一定律3.1 能量守恒-热力学第一定律的实质能量守恒原理——自然界一切物质都具有能量。
能量可从一种形式转变为另一种形式,但不能创造,也不能消灭,能量的总量是恒定的。
本质分析:运动是物质的固有属性,是物质的存在形式,没有运动的物质正如没有物质的运动一样不可思议。
能量是物质运动的度量,物质存在各种不同形态的运动,因而能量也具有不同的形式。
各种运动形态可以相互转化,这就决定了各种形式的能量也能够相互转换。
能量的转换反映了运动由一种形式转变为另一种形式的无限能力。
物质和能量相互依存。
既然物质不能创造和消灭,能量也就不能创造和消灭。
能量守恒反映的是物质世界运动不灭、生生不息这一事实。
目前,能量这一概念已贯穿了所有物理学科,并已成为物理学中统一的概念之一。
热力学第一定律--在任何发生能量传递和转换的热力过程中,传递和转换前后能量的总量保持恒定。
热力学第一定律实质上是能量转化与守恒原理在热现象中的运用。
它给出了热能传递以及与其它形式能量转化所遵从的原则,是对任何热力系、任何过程中的各种能量进行定量分析的基本依据。
它的建立同时宣告了那种不耗费任何能量,就可连续不断对外作功的所谓第一类永动机是造不成的。
3.2 内 能3.2.1 状态参数--内能我们在第一章介绍了热和功的概念,现在将它们联系起来。
让系统按一定的方式由初始平衡态1改变到终了平衡态2,过程中系统吸收的净热量⎰21Q δ为Q ,而系统所作之净功⎰21W δ为W 。
然后来计算W Q -。
再次让系统从同一个初态1开始而改变到同一个终态2,但是这一次是按另一方式而经历一条不同的路径。
多次进行这样的实验,但每次所取的路径不同。
我们就会发现,在每一情形中,W Q -都相同。
也就是说,虽然Q 与W 各自与所取路径有关,但W Q -与却与系统从初态1改变到终态2的路径完全无关,而只与初、终两个(平衡)状态有关。
图3-1 不同路径的热力过程结论:在热力学中,存在着一个状态函数,这个函数在系统终态时的数值减去它在系统初态时的数值就等于这个过程中的变化量W Q -。
热力学第一定律及其应用热力学是研究能量转化和传递的物理学分支,是理解自然界中能量转换和工程应用的基础。
热力学第一定律是热力学的基本定律之一,它描述了能量守恒的原理。
本文将介绍热力学第一定律的基本原理、公式以及其在工程和自然界中的应用。
热力学第一定律,也被称为能量守恒定律,是指在一个封闭系统中,能量的变化等于系统内部能量的增加减去从系统中传出的能量。
这可以用以下等式表示:ΔU = Q - W其中,ΔU表示系统内部能量的变化,Q表示系统吸收的热量,W表示系统对外做的功。
热力学第一定律的基本原理是能量守恒。
根据能量守恒原理,能量在一个封闭系统中既不能被创造,也不能被销毁,只能从一种形式转换为另一种形式。
在应用热力学第一定律时,常见的情况包括恒压过程、恒容过程和绝热过程。
首先,考虑恒压过程,这是指系统在恒定压力下进行的过程。
在恒压过程中,热量可以通过热传导或燃烧等方式输入系统,在这种情况下,根据热力学第一定律,内能的变化等于系统吸收的热量减去对外所做的功。
其次,恒容过程是指系统在恒定体积下进行的过程。
在这种情况下,系统对外不做功,因为体积没有改变。
因此,根据热力学第一定律,内能的变化等于系统吸收的热量。
最后,绝热过程是指系统与外界没有热交换的过程。
在绝热过程中,系统既不吸热也不传热,因此根据热力学第一定律,内能的变化等于系统对外所做的功。
热力学第一定律不仅在热力学中有广泛应用,而且在各种实际工程中也具有重要意义。
在能源领域,热力学第一定律可用于分析和优化能量转换系统。
例如,在燃烧动力学中,可以利用热力学第一定律来计算燃烧过程中产生的热量和对外做的功。
这对于设计和改进燃烧设备、提高能源利用率至关重要。
此外,热力学第一定律也被应用于工程热力学、制冷与空调等领域。
例如,在制冷循环中,热力学第一定律用于计算制冷剂在蒸发器和冷凝器中的热量交换,并确定系统的制冷量。
这对于设计高效的制冷设备和空调系统非常重要。
在生物学和生物医学领域,热力学第一定律被用来研究生物系统中能量转换和代谢过程。
第三章 热力学第一定律本章要求:掌握储存能、热力学能、焓的物理意义,掌握膨胀(压缩)功、轴功、技术功、流动功的联系与区别,熟练选取热力系统,应用热力学第一定律解决具体问题。
1.基本概念热力学第一定律:能量既不能被创造,也不能被消灭,它只能从一种形式转换成另一种形式,或从一个系统转移到另一个系统,而其总量保持恒定,这一自然界普遍规律称为能量守恒与转换定律。
把这一定律应用于伴有热现象的能量和转移过程,即为热力学第一定律。
第一类永动机:不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机,称为第一类永动机。
热力学能:热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和。
外储存能:也是系统储存能的一部分,取决于系统工质与外力场的相互作用(如重力位能)及以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量(宏观动能)。
这两种能量统称为外储存能。
轴功:系统通过机械轴与外界传递的机械功称为轴功。
流动功(或推动功):当工质在流进和流出控制体界面时,后面的流体推开前面的流体而前进,这样后面的流体对前面的流体必须作推动功。
因此,流动功是为维持流体通过控制体界面而传递的机械功,它是维持流体正常流动所必须传递的能量。
焓:流动工质向流动前方传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量。
对于流动工质,焓=内能+流动功,即焓具有能量意义;对于不流动工质,焓只是一个复合状态参数。
稳态稳流工况:工质以恒定的流量连续不断地进出系统,系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定,不随时间变化,称稳态稳流工况。
技术功:在热力过程中可被直接利用来作功的能量,称为技术功。
动力机:动力机是利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备。
压气机:消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备称为压气机。
节流:流体在管道内流动,遇到突然变窄的断面,由于存在阻力使流体压力降低的现象。
2.常用公式外储存能:1.宏观动能:221mc E k =2.重力位能:mgz E p =式中g —重力加速度。
第三章内能与热力学第一定律3.1 能量守恒-热力学第一定律的实质能量守恒原理——自然界一切物质都具有能量。
能量可从一种形式转变为另一种形式,但不能创造,也不能消灭,能量的总量是恒定的。
本质分析:运动是物质的固有属性,是物质的存在形式,没有运动的物质正如没有物质的运动一样不可思议。
能量是物质运动的度量,物质存在各种不同形态的运动,因而能量也具有不同的形式。
各种运动形态可以相互转化,这就决定了各种形式的能量也能够相互转换。
能量的转换反映了运动由一种形式转变为另一种形式的无限能力。
物质和能量相互依存。
既然物质不能创造和消灭,能量也就不能创造和消灭。
能量守恒反映的是物质世界运动不灭、生生不息这一事实。
目前,能量这一概念已贯穿了所有物理学科,并已成为物理学中统一的概念之一。
热力学第一定律--在任何发生能量传递和转换的热力过程中,传递和转换前后能量的总量保持恒定。
热力学第一定律实质上是能量转化与守恒原理在热现象中的运用。
它给出了热能传递以及与其它形式能量转化所遵从的原则,是对任何热力系、任何过程中的各种能量进行定量分析的基本依据。
它的建立同时宣告了那种不耗费任何能量,就可连续不断对外作功的所谓第一类永动机是造不成的。
3.2 内 能3.2.1 状态参数--内能我们在第一章介绍了热和功的概念,现在将它们联系起来。
让系统按一定的方式由初始平衡态1改变到终了平衡态2,过程中系统吸收的净热量⎰21Q δ为Q ,而系统所作之净功⎰21W δ为W 。
然后来计算W Q -。
再次让系统从同一个初态1开始而改变到同一个终态2,但是这一次是按另一方式而经历一条不同的路径。
多次进行这样的实验,但每次所取的路径不同。
我们就会发现,在每一情形中,W Q -都相同。
也就是说,虽然Q 与W 各自与所取路径有关,但W Q -与却与系统从初态1改变到终态2的路径完全无关,而只与初、终两个(平衡)状态有关。
图3-1 不同路径的热力过程结论:在热力学中,存在着一个状态函数,这个函数在系统终态时的数值减去它在系统初态时的数值就等于这个过程中的变化量W Q -。
这一状态函数的物理含义是什么?Q 是通过热量传递而加进系统的能量,而W 是系统做功过程中所放出的能量,因此,W Q -应为系统从外界得到的净能量。
由热力学第一定律,这一能量不会自行消失,必等于系统内部能量的增加。
故我们称这个函数为内能函数,用字母U 表示。
系统在终态2的内能减去系统在初态1的内能就是系统内能的变化,这个量具有一个确定的值,它不依赖于系统怎样由初态1变到终态2的过程。
U U U ∆=-12(3-1) W Q U -=∆ (3-2) 微分形式W Q dU δδ-= (3-3) 正如势能一样,对于内能来说,重要的也是它的变化。
如果把某一标准参考态的内能定为某一任意值,则对其它任何态的内能就可以确定一个值。
热力学第一定律的一个重要推论——状态参数内能存在。
由式(3-2)或式(3-3),第一定律还同时提供了定量测定内能变化的方法。
微观分析:内能是系统内物质微观粒子所具有的能量。
按尺度大小,它可分为多个层次。
由物体表面向内首先是分子尺度,内能包括分子无规则移动、转动、振动运动的动能,以及由于分子间相互作用力而具有的势能;在分子尺度以下,内能还包括不同原子束缚成分子的能量,电磁偶极矩的能量;在原子尺度内,内能还包括自由电子绕核旋转即自旋的能量,自由电子与核束缚成原子的能量,核自旋的能量;在原子核尺度以下,内能还包括核能,等等。
热力系所进行的过程往往不涉及分子结构及核的变化,此时系统内部的化学能和核能等可不考虑。
因此,热力学中的内能一般只停留在最上面的层次--分子尺度(单质为原子或离子)上,如不特别说明,仅指分子热运动的各种动能和分子间相互作用引起的势能。
我们通常讲的热能也就是这一层次的内能。
既然内能U是状态参数,因此可用其它独立状态参数表示。
如对简单可压缩系,其内能可表示为()VTfU,=或()pTfU,=;()VpfU,=(3-4)内能中分子热运动的动能只是温度的函数,而分子间相互作用的势能还与分子间距离,即与物质所占的体积有关。
内能U作为一种能量,其法定计量单位也是焦耳,用字母J表示。
单位质量的内能称为比内能,用小写字母u表示,单位是kgJ/。
3.2.2 总能内能是储存于系统内部的能量。
若系统整体在作宏观运动和/或处于引力场中,则其外部还储存有规则运动的动能及势能。
则系统的总储存能(简称总能,用E 表示)P K E E U E ++=(3-5) 或 mgz mc U E ++=221(3-6)式中,c 、z 是系统在某一外部参考坐标系中的速度和高度。
单位质量的总能,即比总能e gz c u e ++=221(3-7)若考虑外部储存能,则由热力学第一定律,式(3-1)和(3-2)应分别表示为W Q E -=∆(3-8) W Q dE δδ-=(3-9) 总能中的内能、动能和势能都是储存能,是系统在某一状态下所含有的能量,但我们不能说系统含有多少热或功。
因功、热都是转换中的能量,采用不同的方式、路径使系统从初始状态达到相同的终态,其可有不同的值,也即其在某一状态下没有确定的值。
3.3 焓3.31 推动功和流动功将物质送入或送出具有一定压力的热力系是要做功的。
如图3-2所示,设某开口系统进口处的压力为1p ,欲克服这一压力将一定量的物质从该开口系的进口送入,外界需做的功为11111111V p L A p L F W ===式中1F 、1L 、1A 和1V 分别为进口处外界需施加的力、移动的距离、截面积及物质所占的体积。
同样,若要将物质从开口系的出口送出,而出口处的压力为2p ,物质所占的体积为2V ,则系统需做的功为222V p W =它们都具有相同的形式,即pV W = (3-10) 我们称其为推动功。
它是将处于压力p ,体积为V 的111v p c 图3-2 开口系统能量平衡物质推入或推出系统所需做的功。
推动功只起克服抵抗运送物质的作用,它不改变所送物质的状态,当然也不改变其内能。
对于稳定流动系统,流入与流出开口系统的质量时刻相等。
则每一定量物质(在进、出口处的压力、体积分别为11,V p 和22,V p )的流入流出,系统作出的净功为推动功之差,即()pV V p V p W ∆=-=1122 (3-11) 我们将其称为流动功。
它是系统为维持物质流动所需做的功。
3.32 状态参数--焓一定量的物质流入系统,不仅这些物质的内能U 随之进入了系统,同时还带入了外界的推动功pV ,因此,进入系统的能量应是pV U +。
物质流出系统所带出的能量也是如此。
故在热力计算中pV U +时常整体出现,为简化公式和方便运算,我们将其定义为焓,用符号H 表示,即pV U H += (3-12) 单位质量的焓称为比焓,用h 表示,即pv u h += (3-13)因具有能量量纲,焓的单位是J ,比焓的单位是kg J /。
由于U 、p 、V 都是状态参数,故它们的复合参数--焓H 也是一个状态参数。
其在某一状态下的值与达到这一状态的路径无关。
所以,考虑到式(1-1)和式(3-4),有()V p f pV U H ,=+=(3-14a ) 及用其它独立状态参数表示的()T p f H,= ,()V T f H ,= (3-14b ) 同样也有12212121H H dH H H b a -==∆=∆⎰---- (3-15) 和 ⎰=0dH (3-16)对于开口系统,焓是进出系统时随物质一起转移的能量。
在热力设备中,工作物质总是不断地从一处流到另一处,其所携带的能量不是内能而是焓。
对于闭口系统,焓作为一种复合参数,后面将要讲到,其变化可表示定压下系统所吸收的热量。
故焓在热力计算中有广泛的应用。
3.4 能量方程式——热力学第一定律的表达式能量方程式是系统变化过程中的能量平衡方程式,是分析状态变化过程的根本方程式。
它可以从系统在状态变化过程中各项能量的变化和它们的总量守恒这一原则推出。
把热力学第一定律的原则应用于系统中的能量变化时,可写成如下形式:进入系统的能量-离开系统的能量=系统中储存能量的增加(3-17)式(3-17)是系统能量平衡的基本表达式,任何系统、任何过程均可据此原则建立其平衡式。
3.4.1 闭口系统能量方程式锁定一定量的物质即为一闭口系统。
对于闭口系统,进入和离开系统的能量只包括热和功两项。
设其在状态变化过程中,从外界吸入净热量Q ,并向外界作出净功W 。
若系统的宏观动能和势能变化可忽略,则其储存能量的增加即为内能的增加U ∆。
根据式(3-17)可得U W Q ∆=-此亦即式(3-2)。
上式可写为W U Q +∆= (3-18a )式(3-18a )为热力学第一定律应用于闭口系而得的能量方程式,称为热力学第一定律解析式。
它表示:加给系统的热量一部分用于增加系统的内能,储存于系统的内部,其余以做功的方式传递给外界。
状态变化过程中热→功即热能转化的机械能为U Q W ∆-=。
这是热力计算的基本部分,故上式又称为最基本的能量方程式。
对于微元过程,第一定律解析式的微分形式是W dU Q δδ+=(3-18b)对于单位质量物质,则有w u q +∆= (3-18c )及 w du qδδ+= (3-18d ) 式(3-18)由能量守恒原理直接得来,没作任何假定,因此它对闭口系是普遍适用的。
不论系统进行的是可逆过程还是不可逆过程;也不论系统物质是何种气体、液体还是固体。
只需其初态和终态是平衡状态。
对于可逆过程pdV W =δ, ⎰=21pdV W 所以 pdV dU Q +=δ(3-19a ) ⎰+∆=21pdV U Q(3-19b )单位质量物质 pdv du q +=δ(3-19c )⎰+∆=21pdv u q (3-19d ) 对于循环过程 ⎰⎰⎰+=W dU Q δδ完成循环后,系统回到原状,而内能是状态参数,故 ⎰=0dU 。
于是 ⎰⎰=WQ δδ (3-20) 即闭口系在整个循环过程中与外界交换的净热量等于与外界交换的净功量。
3.4.2 开口系统能量方程式在实际的热力装置中实施的能量转换过程常常是较复杂的。
工作物质要循环不断地流经各相互衔接的热力设备,完成不同的热力过程,才能实现热功转换。
分析这类热力设备,常采用开口系统的分析方法。
假定:工作物质在设备内流动,其状态参数及流速在不同的截面是不同的。
在同一截面上,各点的参数也有差异。
但由于物质微观粒子热运动的缘故,热力参数差异不大,可作准平衡处理,近似看作均匀。
简单起见,截面上各点流速也认为相同,以各点流速的平均值作为截面上的流速。
(一)开口系统稳定流动能量方程式稳定流动过程是指开口系统内部及边界上各点工质的热力及运动参数都不随时间改变的流动过程。