工程热力学第3讲-第2章-1热力学第一定律

能量的传递形式：
1）作功
与过程有关，通过边界
2）传热
与过程有关，通过边界
3）随物质进入或离开系统而带入或带出其本身所具有的能量。
↑与状态有关
2.2 能量的传递形式
功W：
功的定义： 力 力方向上的位移
热力学上功的定义I：当热力系与外界发生能量传递时，如果对外 界的唯一效果可归结为举起重物，此即为热力系对外作功。
–准静态容积功：w = pdv 只与系统内部参数有关 –不平衡过程容积功：w = Rdx 与边界、外界有关
非容积功：与容积变化无关的功。如拉伸功w拉伸= - dl ，表面 张力功w表面张力= - σdA，电功等等。
2.2 能量的传递形式
功W：
示功图 (p-V)：
mkg工质：
W =pdV
2.1 热力学第一定律
热力学第一定律表述：
热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定 的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。
第一类永动机是不可能制成的。
…
本质：能量守恒与转换定律在热现象上的应用。
文字表达式：
进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统内部储存能量的增量
单位：W
1 马力 =735 瓦
2.2 能量的传递形式
功W：
功的性质：过程量——除与过程的初终状态有关外，还与过程本 身有关。
微元过程功δW：表示一个无限小的功量，而不是功的无限小增量。
2
1 W W W2 W1
功的一般表达式：W = F dx
功的分类： 容积功：气体膨胀或者气体受压缩时外界对气体所作的功。
内部储存能（内能）U
内能
分子动能 分子位能
化学能
转动 振动
– 内能U 代表储存于系统内部的能量。 核能
– 是温度和比容的函数，是状态量。
– 单位：J kJ
– 比内能u : kJ/kg
计算：
e = u + ek + ep E = U + Ek + Ep
2.2 能量的传递形式
内能U：
程本身有关。
热量与容积变化功的比较：
能量传递方式 性质 推动力
容积变化功 过程量
压力 p
传热量 过程量
温度 T
标志 公式 条件
dV , dv w = pdv
准静态或可逆
dS , ds q = Tds
可逆Байду номын сангаас
2.2 能量的传递形式
热量如何表达—“熵”（ Entropy ）的引入：
克劳修斯最早定义： 刘仙洲教授命名为“熵”
–计算可逆过程的传热量
2.2 能量的传递形式
功W：
示功图与示热图： p
1
p
W pdV
W
p外
2
T Q TdS
Q
示功图
V
示热图
S
2.2 能量的传递形式
储存能E：
定义：物质本身所具有的能量。
移动
分类：
外部储存能 – 宏观动能 Ek = mc2/2 – 宏观位能 Ep = mgz
热力学上功的定义II：功是系统与外界相互作用的一种方式，在 力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。
功的单位： J KJ
功的热力学符号约定：系统对外界作功取为正，外界对系统作功 取为负。
比功w：
定义：单位质量的物质所作的功。
单位：J/kg
功率N：
定义：单位时间内完成的功。
2.1 热力学第一定律
基础：
热功当量测定
理论：迈耶 / 分子运动学说 实验：焦耳----热功当量
原理：水温升高可测得热 量， 重物下降可测得功
数学形式：亥姆霍兹
焦耳的实验研究：
数值：1 cal = 4.1868 J
焦耳是英国著名的实验物理学家，家境富裕。16岁在名家道尔顿处 学习，使他对科学浓厚兴趣。
CH2-2 热力学第二定律
1 热力学第二定律
2 卡诺循环、循环热效率和 卡诺定理
3 克劳修斯不等式
4 熵和熵方程
5 孤立系统熵增原理
学习要求
CH2-1 热力学第一定律
掌握热力学第一定律
掌握三种能量传递形式 (做功 / 传热 / 储存能变化)
掌握三种功
(容积功、推进功、技术功、轴功)
掌握三个能量方程 (闭口系统、开口系统、稳定流动)
过程装备与控制工程专业
工程热力学
第三讲
山东大学机械工程学院 过程装备与控制工程研究所
本讲内容
CH2-1 热力学第一定律
1 热力学第一定律 本质 表述 表达式
2 能量的传递形式 做功 传热 储存能变化
3 能量方程 闭口系统能量方程 开口系统能量方程 稳定流动能量方程
2
W 1 pdV
1kg工质：
w =pdv
2
w 1 pdv
p
1
p 1.
p外 2
W . 2
V
2.2 能量的传递形式
热量Q：
定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的 推动下，以微观无序运动方式传递的能量。
热量的单位：J KJ 热量的热力学符号约定：系统吸热为正，系统放热为负。 热量的性质：过程量——除与过程的初终状态有关外，还与过
当时电机刚出现，焦耳在1841年发表文章指出:“热量与导体电阻和 电流平方成正比。”这就是著名的焦耳—楞次定律。
探求热和得到的或失去的机械功之间是否存在一个恒定的比值，又 成了焦耳感兴趣的问题。1845年，焦耳为测定机械功和热之间的转 换关系，设计了“热功当量实验仪”，并反复改进，反复实验。 1849年发表《论热功当量》。1878年发表《热功当量的新测定》， 最后得到的数值为423.85公斤·米/千卡。焦耳测热功当量用了三十 多年，实验了400多次，付出大量的辛勤劳动。
dS Qrev
T
ds qrev
T
ds: 可逆过程 qrev除以传热时的T 所得的商
熵的说明：
符号规定
–系统吸热时为正 Q > 0
dS > 0
–系统放热时为负 Q < 0
dS < 0
熵的物理意义：
–熵体现了可逆过程
–传热的大小与方向
–微观意义：系统内部分子的混乱程度
用途： –判断热量方向
dU 的物理意义：代表闭口系统某微元过程中系统通过边界交换的
微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。
内能总以变化量出现，内能零点人为确定。
内能的导出:
根据热力学第一定律：
Q
W
对于循环
(Q W ) 0
即dU = Q - W=0