第3章热力学第一定律
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第三章 能量与热力学第一定律 (6)基本要求深入理解热力学第一定律的实质,熟练掌握热力学第一定律及其表达式。
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。
掌握稳态稳流能量方程的应用 本章重点熟练应用热力学第一定律解决具体问题3.1 热力学第一定律的实质3.1.1热力学第一定律产生概述19世纪30-40年代,迈尔·焦耳(德国医生)发现并确定了能量转换与守恒定律。
恩格斯将这列为19世纪三大发现之一(细胞学说、达尔文进化论)。
能量守恒定律:一切物质都具有能量。
能量不能被创造,也不能被消灭,它只能由一种形式转变为另外一种形式,或者由一个系统传递给另外一个系统,在转换和传递的过程中,能量的总和不变。
至今为止,没有一个人提出一个事实不符合这条自然规律的,相反,在各个领域:天文、地理、生物、化学、电磁光、宏观、微观各领域都遵循 这条规律。
热力学是研究能量及其特性的科学,它必然要遵循这条规律。
热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力学中的应用,它确定了热力过程中各种能量在数量上的相互关系。
3.1.2热力学第一定律的实质实质: 能量守恒与转换定律在热力学中的应用。
收入-支出=系统储能的变化 或 =+sur sys E E 常数 对孤立系统:0=∆isol E 或 0=∆+∆sur sys E E 3.1.3 热力学第一定律的三种表述热力学第一定律实质就是热力过程中的能量守恒和转换定律,它建立了热力过程中的能量平衡关系,是热力学宏观分析方法的主要依据之一。
热力学第一定律可表述为:热和功可以互相转换,为了获得一定量的功必须消耗一定量的热。
根据热力学第一定律,要想得到机械能就必须花费热能或其它能量,那种幻想创造一种不花费能量就可以产生动力的机器的企图是徒劳的。
因此,热力学第一定律也可以表述为:不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不可能制造成功的。
热力学第一定律适用于一切热力系统和热力过程,不论是开口系统还是闭口系统,热力学第一定律均可表达为:进入系统的能量一离开系统的能量 = 系统储存能量的变化3.1.4闭口系统能量方程式闭口系统与外界没有物质交换,传递能量只有热量和功量两种形式。
第3章 热力学第一定律3-1 一辆汽车 1 小时消耗汽油 34.1 升,已知汽油发热量为 44000kJ/kg ,汽油密度 0.75g/cm3 。
测得该车通过车轮出的功率为 64kW ,试求汽车通过排气,水箱散热等各种途径所放出的热量。
解: 汽油总发热量Q = 34.1×10-3m3 ×750kg/m3 ×44000kJ/kg =1125300kJ汽车散发热量Qout = Q-W ×3600 = (1125300-64×3600)kJ/h = 894900kJ/h3-2 气体某一过程中吸收了 50J 的热量,同时,热力学能增加 84J ,问此过程是膨胀过程还是压缩过程?对外作功是多少 J ?解 取气体为系统,据闭口系能量方程式 Q = ΔU +WW = Q -ΔU = 50J -84J = -34J所以过程是压缩过程,外界对气体作功 34J 。
3-3 1kg 氧气置于图 3-1 所示气缸内,缸壁能充分导热,且活塞与缸壁无磨擦。
初始时氧气压力为 0.5MPa ,温度为 27℃,若气缸长度 2l ,活塞质量为 10kg 。
试计算拔除钉后,活塞可能达到最大速度。
解:由于可逆过程对外界作功最大,故按可逆定温膨胀计算:w = RgT ln V2/ V1 = 0.26kJ/(kg •K)×(273.15+ 27)K图3-1 图3-2×ln(A×2h)/ (A×h)= 54.09kJ/kgW =W0 + m'/2*Δc 2 = p0(V2 -V1)+ m'/2*Δc 2 (a )V1 =m1RgT1/ p1=1kg×260J/(kg•K)×300.15K /0.5×106Pa = 0.1561m3 V2 = 2V1 = 0.3122m3代入(a)c2 = (2×(54.09J/kg×1kg×103-0.1×106Pa×0.1561m3)/10kg)1/2= 87.7m/s3-4 有一飞机的弹射装置,如图 3-2,在气缸内装有压缩空气,初始体积为 0.28m3 ,终了体积为0.99m3,飞机的发射速度为61m/s ,活塞、连 杆和飞机的总质量为 2722kg 。
热力学第二定律1.自然界发生的过程一定遵守热力学第一定律,但遵守热力学第一定律的过程不一定能发生,因为它不能说明自然界过程进行的方向,热力学第二定律就是反映自然界过程进行方向和条件的定律。
2.热传导过程中,热量会自发地从高温物体传递给低温物体,但人们从来没有发现热量自发地从低温物体传给高温物体,这说明热传导过程具有方向性,要想使热量从低温物体传给高温物体,必须借助外界的作用。
3.机械能和内能的转化过程具有方向性,机械能转化为内能是可以自发进行的,而相反过程不能自发进行,要将内能全部转化为机械能,必然会引起其他影响。
4.第二类永动机不可能制成,它是指从单一热源吸热全部用来对外做功又不引起其他变化,把得到的内能全部转化为机械能,效率达到100%的热机。
5.热力学第二定律常见的有两种表述,克劳修斯的表述是按照热传导的方向性表述的,开尔文的表述是按照机械能与内能转化过程的方向性表述的,两种表述是等价的。
6.从微观看,热力学第二定律表明:与热现象有关的自发的宏观过程,总是朝着分子热运动状态无序性增加的方向,即熵增大的方向进行的。
热力学第二定律1反映自然界过程进行方向和条件的定律。
2.自然过程的方向性(1)热传导:两个温度不同的物体相互接触时,热量会自发地从高温物体传给低温物体,而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体,要实现低温物体向高温物体传递热量,必须借助外界的帮助,因而产生其他影响或引起其他变化。
(2)机械能和内能的转化过程:物体在水平面上运动,因摩擦而逐渐停止下来,但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后,在地面上重新运动起来。
要想将内能全部转化为机械能,必然会引起其他影响。
(3)气体的扩散现象:两种不同的气体可以自发地进入对方,最后成为均匀的混合气体,但这种均匀的混合气体,决不会自发地分开,成为两种不同的气体,除非使用物理或化学手段,但这必然要引起其他的变化。
(4)气体向真空的膨胀:气体可自发地向真空容器内膨胀,但绝不可能出现气体自发地从容器中流出,使容器内变为真空。