工程热力学与传热学热力学第一定律实质优秀课件.ppt

工程热力学与传热学热力学第一定律实质1第1页，本讲稿共28页2-1 热力学第一定律的实质、内能一、热力学第一定律的实质一、热力学第一定律的实质（一）能量守恒定律（一）能量守恒定律 能量无处不在，能量转化无时不有。能量无处不在，能量转化无时不有。那么：那么：常见的能量有那些形式呢？常见的能量有那些形式呢？能量的转化是如何实现的？能量的转化是如何实现的？能量转化遵循什么规律呢？能量转化遵循什么规律呢？2第2页，本讲稿共28页能量形式能量形式能量形式能量形式实实实实 例例例例机械能机械能机械能机械能流动的河水、被拉开的弓、声音等流动的河水、被拉开的弓、声音等电能电能电能电能电器设备所消耗的的能量都是电能电器设备所消耗的的能量都是电能热能热能热能热能热源厂、厨房、火电厂等热源厂、厨房、火电厂等化学能化学能化学能化学能巧克力、燃料等都储存有化学能巧克力、燃料等都储存有化学能1.各种各样的能量各种各样的能量3第3页，本讲稿共28页1.汽艇在海上行驶汽艇在海上行驶化学能转化为机械能化学能转化为机械能2.用电照明用电照明电能转化为光能（电磁能）电能转化为光能（电磁能）3.篝火燃烧篝火燃烧化学能转化为热能化学能转化为热能4.原子弹爆炸原子弹爆炸核能转化为机械能核能转化为机械能2.能量之间的转化能量之间的转化4第4页，本讲稿共28页3.能量转化与守恒定律能量转化与守恒定律能量转化与守恒定律能量转化与守恒定律能量转化与守恒定律能量转化与守恒定律 自自然然界界一一切切物物质质都都具具有有能能量量。能能量量既既不不可可能能被被创创造造，也也不不可可能能被被消消灭灭，但但能能够够从从一一种种形形式式转转转转化化化化为为另另一一种种形形式式，或或者者从从一一个个（一一些些）物物体体转转转转移移移移到到另另一一个个（一一些些）物物体体，在在转转化化或或传递的过程中能量的总和始终保持不变。传递的过程中能量的总和始终保持不变。【注意】【注意】【注意】【注意】1.1.分分析析物物理理过过程程、求求解解实实际际问问题题时时，对对减减少少的的某某种种能能量量，要要追追踪踪它它的的去去向向；对对增增加加的的能能量量，要要能能查查寻寻它它的的来来源源。可可以以按照按照“总的减少量总的减少量总的减少量总的减少量=总的增加量总的增加量总的增加量总的增加量”列出数学方程。列出数学方程。2.2.能能源源利利用用实实际际就就是是不不同同形形式式能能量量之之间间的的转转换换，把把不不便便于于人人们利用的能量形式转变成便于利用的形式。们利用的能量形式转变成便于利用的形式。5第5页，本讲稿共28页（二）热力学第一定律 热力学第一定律实质就是热力学第一定律实质就是能量守恒和转换定能量守恒和转换定律在热现象上的应用律在热现象上的应用。表表述述1 1：热热可可以以变变为为功功，功功也也可可以以变变为为热热；一一定定量量的的热热消消灭灭，必必产产生生一一定定量量的的功功；消消耗耗一一定定量量的的功功时时，必出现与之相应数量的热。必出现与之相应数量的热。6第6页，本讲稿共28页First Law of Thermodynamics7第7页，本讲稿共28页 表述表述2：第一类永动机是造不成的：第一类永动机是造不成的8第8页，本讲稿共28页热一定律在热力循环中的应用l热力循环中工质接受的净热量应该等于工质对外界所做的净功：l对于1kg工质而言9第9页，本讲稿共28页例2-1l一台柴油发动机，功率7.35kW，燃油消耗率为272.1g/(kW.h)，试求它的废气每小时所排出的热量。l（柴油的发热量为43961.4kJ/kg）10第10页，本讲稿共28页从这个例题我们可以学到什么？l功率l燃油消耗量（率）l发热量l单位统一l采用国际单位，注意不同单位制的换算11第11页，本讲稿共28页二、内能（internal energy）l定义：工质内部所具有的各种微观能量工质内部所具有的各种微观能量l l实质：实质：组成物质的微观粒子所具有的能组成物质的微观粒子所具有的能量量l l符号：符号：U，单位：，单位：J 或或kJ12第12页，本讲稿共28页主要包括：主要包括：（1）内动能：内动能：物质内部的分子，原子等微观粒子不停地作热物质内部的分子，原子等微观粒子不停地作热 运动的热运动动能。运动的热运动动能。是温度的函数。是温度的函数。（2）内位能：内位能：由于分子间相互作用力的存在所具有的位能，由于分子间相互作用力的存在所具有的位能，与气体的比体积有关。与气体的比体积有关。13第13页，本讲稿共28页不考虑不考虑内动能内动能+内位能内位能+化学能化学能+原子核能原子核能+电磁能电磁能内动能内动能+内位能内位能内能内能（3）化学能，原子核能，电磁能。化学能，原子核能，电磁能。14第14页，本讲稿共28页15第15页，本讲稿共28页 比内能比内能：单位质量工质的能单位质量工质的能。符号符号符号符号：u；单位：单位：J/kg 或或kJ/kgkJ/kg。内内能是温度和比体积的函数，即取决于工质所处能是温度和比体积的函数，即取决于工质所处的状态，是状态参数。的状态，是状态参数。16第16页，本讲稿共28页 热力学能的大小是相对的。热力学能的大小是相对的。气体工质的比内能可表示为气体工质的比内能可表示为 任任任任何何何何状状状状态态态态下下下下系系系系统统统统内内内内能能能能的的的的数数数数值值值值不不不不可可可可能能能能为为为为零零零零。由由由由于于于于在在在在工工工工程程程程内内内内中中中中只只只只计计计计算算算算工工工工质质质质在在在在状状状状态态态态变变变变化化化化中中中中的的的的内内内内能能能能的的的的变变变变化化化化量量量量，因因因因此此此此内内内内能能能能的的的的零零零零点点点点可可可可以以以以人人人人为为为为地地地地规规规规定定定定，例例例例如如如如，通通通通常常常常取取取取0K0K时气体的内能为零。时气体的内能为零。17第17页，本讲稿共28页三、热力系统的储存能热力系统的储存能热力系统的储存能：热力系统的储存能：储存于热力系统的能量。储存于热力系统的能量。（1）内部储存能）内部储存能热力学能热力学能 （2）外部储存能）外部储存能宏观动能，宏观位能。宏观动能，宏观位能。18第18页，本讲稿共28页2.宏观位能：宏观位能：宏观位能：宏观位能：Ep，单位为，单位为 J 或或 kJ 3.储存能储存能：E E，单位为单位为 J J 或或 kJ 比储存能比储存能：e e，单位为单位为单位为单位为 J/kg 或或 kJ/kg1.宏观动能宏观动能 ：Ek ，单位为单位为J J或或kJ 19第19页，本讲稿共28页2-2 热力学第一定律的数学表达式l能量平衡方程式l讨论闭口系统、稳定流动、开口系统三种系统的能量方程20第20页，本讲稿共28页一、一、闭口系统的能量方程闭口系统的能量方程（energy equation）热力系统：取封闭在汽缸活塞系统中的工质热力系统：取封闭在汽缸活塞系统中的工质假设：假设：气缸内有气缸内有1kg工质工质 从外界吸热从外界吸热 q 工质由平衡态工质由平衡态1变化到平衡态变化到平衡态2，对外作功对外作功 w，忽略工质宏观动能，位能的变化忽略工质宏观动能，位能的变化21第21页，本讲稿共28页推导l q w=u=u2 -u1 或或 q=w+ul对于对于m工质，可写为：工质，可写为：Q=U+W l对于微元过程，可写为：对于微元过程，可写为：以上三式都可以称为闭口系统热力学第一定以上三式都可以称为闭口系统热力学第一定律解析式律解析式22第22页，本讲稿共28页意义：工质吸收的热量意义：工质吸收的热量 a:一部分用于改变工质的内能一部分用于改变工质的内能 b:另一部分以机械能的形式传递给外界。另一部分以机械能的形式传递给外界。适用条件：适用条件：a:可逆过程，不可逆过程可逆过程，不可逆过程 b:理想气体，实际气体理想气体，实际气体 c:工质初，终态为平衡状态工质初，终态为平衡状态23第23页，本讲稿共28页膨胀功的概念l在状态变化过程中，由热转化为机械功的部分始终是q-u。l闭口系统工质所做的机械功也称为容积变化功或膨胀功24第24页，本讲稿共28页注意l能量方程中的热量、功量、内能的变化量都是代数值，根据热工转化的实际情况，可为正值、零、负值。l工程上统一规定：吸热为正、作膨胀功为正、内能增加为正 放热为负、作压缩功为负、内能减少为负25第25页，本讲稿共28页对于单位质量工质对于单位质量工质,对于单位质量工质的可逆过程对于单位质量工质的可逆过程对于单位质量工质的可逆过程对于单位质量工质的可逆过程,26第26页，本讲稿共28页例2-227第27页，本讲稿共28页第二章课后作业l思考题1，练习题1l作业上交要求：同第一章作业，于下周二上午（交到课代表杨立新处）28第28页，本讲稿共28页