高等工热4能量与热力学第一定律课件

4能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律4-1热力学第一定律及系统的储存能热力学第一定律及系统的储存能4-2功和热功和热4-3闭口系和开口系能量平衡方程闭口系和开口系能量平衡方程4-4瞬变流动分析瞬变流动分析4-1 4-1 热力学第一定律形成历史热力学第一定律形成历史Carnot（1796-1832）：1832他先患猩红热，又得了他先患猩红热，又得了脑膜炎最后死于霍乱，所以几乎所有研究数据都被烧脑膜炎最后死于霍乱，所以几乎所有研究数据都被烧毁了。计算热毁了。计算热功功当量的数值，约当量的数值，约365kgw.m/kcal，明，明确确指出热不是一种物质而是一种能量的形成，最早有指出热不是一种物质而是一种能量的形成，最早有热力学中能量守恒概念热力学中能量守恒概念。其弟于其死后其弟于其死后46年（年（1878年）将其部份手稿交给年）将其部份手稿交给法科学院。但由于晚了近法科学院。但由于晚了近50年，其间年，其间J.R.Mayer和和焦焦耳耳提出功能互换的原理，不把提出功能互换的原理，不把Carnot视为能量守恒定视为能量守恒定律的创始人。律的创始人。J.R.MayerJ.R.Mayer是一是一名名德国医生，但对行医兴趣不德国医生，但对行医兴趣不大，大，喜欢搞自己的喜欢搞自己的研究。研究。1840年左右，年左右，Mayer的第一篇论文寄给德国物理年鉴，文中的第一篇论文寄给德国物理年鉴，文中提出能提出能量守恒和转换的概念量守恒和转换的概念，认为运动，热、电等都，认为运动，热、电等都可以归结为一种力的现象，它们有一定的规律可以归结为一种力的现象，它们有一定的规律转换，但此转换，但此论文被退回并未发表论文被退回并未发表。1842年年Mayer不死心又投稿到化学和药学不死心又投稿到化学和药学年鉴上，除了重述能量守恒的概念，并提出热年鉴上，除了重述能量守恒的概念，并提出热可以作功，功也可以产生热的能量等价的观念，可以作功，功也可以产生热的能量等价的观念，并根据比热实验数据推出热功当量并根据比热实验数据推出热功当量1kcal=365kgw.m，此文也未受重视此文也未受重视。1845年年自自费费印印发发了了第第三三篇篇论论文文，明明确确指指出出如如何何计计算算热热功功当当量量：气气体体在在等等压压膨膨胀胀过过程程中中所所作作的的功功等等于于定定压压下下所所吸吸热热量量与与定定容容下下所所吸吸的的热热量量之差。之差。即即Cp-Cv=RMayer公式公式。因因为为Mayer所所用用推推理理方方法法无无法法为为当当代代人人所所习习惯惯，同同时时又又与与焦焦耳耳发发生生谁谁是是第第一一个个发发现现能能量量守守恒恒的的人人的的争争议议，加加上上两两个个小小孩孩先先后后夭夭折折，一一连串打击导致精神失常，在精神病院受尽折磨。连串打击导致精神失常，在精神病院受尽折磨。J.P.Joule花花了了将将近近40年年的的时时间间来来证证明明由由功功转转换换成成热热时时，功功和和所所产产生生热热之之比比是是一一个个恒恒定定的的值值，即即热热功功当当量量。从从 1843年年 发发 表表 了了 一一 系系 列列 论论 文文 描描 述述如如何何测测热热功功当当量量（当当时时并并未未得得到到重重视视），到到1878年得到当量值年得到当量值423.85kgwm/kcal=4.154Joule/cal与与 现现 今今 的的 标标 准准 值值 误误 差差 在在 1%之之 内内。R.Clausius德国科学家德国科学家R.Clausius是第一位把热力学第是第一位把热力学第一运动定律用数学形式表达出来的人。在一运动定律用数学形式表达出来的人。在1850年，年，Clausius提出提出dQdu+AdW热热量量Q包包括括两两部部分分，其其中中之之一一为为u，包包括括添添加加的的自自由由热热和和做做内内功功所所耗耗去去的的热热（如如果果有有内内功功时时）。U与与总总热热量量一一样样，是是微微观观粒粒子子的的速速度度和和温温度度的的函函数数。A是热功当量，是热功当量，W是外功。是外功。W.Thomson(LordKelvin)后来将后来将u称称为内能。为内能。4-1 4-1 热力学第一定律及系统的储存能热力学第一定律及系统的储存能1能量转换及守恒条件能量转换及守恒条件一切物质具有能量一切物质具有能量能量不能创造也不能消亡，一种形式到另一种形式能量不能创造也不能消亡，一种形式到另一种形式能量的总量保持不变能量的总量保持不变2热力学第一定律热力学第一定律能量转换与守恒定律在热现象中的应用能量转换与守恒定律在热现象中的应用3系统的储存能系统的储存能El内能：内能：U微观动能微观动能-分子热运动分子热运动微观位能微观位能-分子吸引分子吸引化学能化学能-分子内束缚原子分子内束缚原子原子内部的束缚能原子内部的束缚能l外部储存能外部储存能宏观动能宏观动能+重力势能重力势能4-2 4-2 功和热功和热1功功（1）功的热力学定义）功的热力学定义如果系统对外界的单一效果可归结为提升一个重物，如果系统对外界的单一效果可归结为提升一个重物，则系统作了功。则系统作了功。（2）膨胀功）膨胀功流动功流动功系统付诸质量迁移做的功系统付诸质量迁移做的功（3）表面张力做功）表面张力做功，表面张力表面张力，A表面积表面积（4）可逆极化功）可逆极化功 电介质的点偶极子转动而沿一定方向排列电介质的点偶极子转动而沿一定方向排列E，电场强度，电场强度，p，总电矩，总电矩（5 5）可逆磁化功）可逆磁化功 磁偶极子定向磁偶极子定向H，磁场强度，磁场强度，I，总磁矩，总磁矩可不可以用可不可以用表面张力的原理表面张力的原理来利用来利用太阳能太阳能？用广义功来分析爱情？用广义功来分析爱情？（6 6）广义功）广义功（7 7）总功）总功爱情喜欢爱情喜欢 x x付出付出 喜欢产生动力喜欢产生动力爱情是过程量，不是状态量爱情是过程量，不是状态量2热热l量热学定义量热学定义物系间由于温差而传递的能量物系间由于温差而传递的能量l热力学定义热力学定义质量不变系统，不做功而通过边界传递的能量质量不变系统，不做功而通过边界传递的能量3功和热是过程量功和热是过程量4状态公理状态公理组成不变的平衡闭口系统，组成不变的平衡闭口系统，n+1独立参数确定状态独立参数确定状态n：功交换的数目：功交换的数目1：热交换：热交换4-3 闭口系和开口系的能量方程1闭口系能量方程闭口系能量方程l闭口系：与外界不交换质量，控制质量闭口系：与外界不交换质量，控制质量l能量平衡方程能量平衡方程一般形式一般形式闭口系闭口系火箭火箭燃气内能燃气内能动能动能2开口系能量方程开口系能量方程l开口系开口系：与外界有质量交换，控制容积与外界有质量交换，控制容积l稳定流动能量方程式稳定流动能量方程式单股流体非稳态流动单股流体非稳态流动多股流体时多股流体时3-4 瞬变流动分析l瞬变流动瞬变流动流动过程中控制容积各处状态随时间变化流动过程中控制容积各处状态随时间变化l单股流体开口系能量方程单股流体开口系能量方程忽略重力势能：忽略重力势能：积分：积分：充气与放气过程充气与放气过程单独分析单独分析不分析过程细节不分析过程细节分析充放前的平衡态分析充放前的平衡态能量平衡、状态方程、质量平衡方程能量平衡、状态方程、质量平衡方程一一充气充气1刚性容器绝热充气（快速充气）刚性容器绝热充气（快速充气）即：即：（1）由：由：（2）(1)(2)（3）积分积分（2）（3）联立联立（4）若充气前为真空，则若充气前为真空，则由（由（4）式代入）式代入充气后温度为充气前的充气后温度为充气前的K倍倍2刚性容器等温充气（慢速充气）刚性容器等温充气（慢速充气）状态方程：状态方程：积分：积分：能量方程能量方程:积分：积分：3非等容绝热充气状态方程：状态方程：（a）能量方程能量方程（b）代入（代入（a）积分：积分：（a）（b）联立：二二刚性容器放气刚性容器放气1刚性容器绝热放气刚性容器绝热放气状态方程状态方程（1）（2）联立联立(1)(2)温度按绝热过程变化温度按绝热过程变化能量方程能量方程则则由由联立（联立（1）（）（2）2刚性容器等温放气刚性容器等温放气状态方程状态方程：积分积分能量方程能量方程换热量换热量