热力学第一定律当量原理热力学解析式总能量内能

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,热力学第一定律 当量原理,热力学解析式 总能量 内能,介绍热力学第一定律,及其应用和总能量、内能的定义,热力学第一定律解析式的应用,热力学第一定律的应用,2/8,第二章 热力学第一定律,21,热力学第一定律 当量原理,一、热力学第一定律,能量守恒与转换定律：,一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，既不能消灭，也不能创造，但能够从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中，能量的总和保持不变，热力学第一定律在热力学中的应用就是能量守恒与转换定律。,能量守恒与转换定律说明不可能制造一种不断做功而又不供给能量的机器,这种假想的机器叫第一类永动机,。因为功必须由能量转换而来，不能无中生有地创造能量，而使永动机不断地自动做功。,图,1-2-1,所示，设体系与外界没有热量的交换，那么重物下降表明外界通过叶轮对体系所做的功，扰拌作用使体系内的气体温度升高，然后让叶轮停止转动，外界没有对体系做功，让热力学体系对外放出热量，温度降低，最后又恢复至原来的温度。,二、热功当量,上述热力学体系，经过变化，起始状态和终了状态完全一样，并未发生任何变化，根据热力学第一定律，可知外界对体系所做的功必定与体系向外界散失热量，从能量上来说，应该是相等的。但在工程上，功和热量采取的单位不同，所以说热和功是当量的。若以,w,表示重物下降时所做的功，,Q,表示体系向外散失的热量，那么上述当量关系就写成,Q,=,AW,在,SI,制中，功率的单位为瓦特，简称瓦，以符号,W,表示。每秒钟完成,1,焦耳的功，叫做,1,瓦，那么每秒钟完成,1,千焦耳的功，就叫做,1,千瓦，以符号,KW,表示。因此功的单位除用牛顿米或焦耳表示外，还可用千瓦小时,(,KWh,),表示。,1KWh=10003600=3610J,=3600,KJ,在工程制中，热量的单位是千卡,(Kcal),，它是,1kg,纯水在,Iatm,下，温度自,14.5C,升高至,15.5C,所需的热量，而单位是千克米,(,kgm,),，所以公式中的换算系数,A,是,l,千克米功的热当量，简称,A,为功热当量，根据大量的精确实验测出,A,的倒数，即,1,A=427kgm,kcal,，叫做热功当量。,在工程制中，功率的单位是马力，以符号,hp,表示。每秒钟完成,75kgm,的功，叫做,1,马力，因此功的单位除用千克米表示外，还用马力小时表示所以,关于,SI,制与工程制之间的能量换算关系可以根据前述得到。,二、热力循环,假若热力学体系由起始状态经过一系列中间状态，最后又回到了起始状态，这样所形成的一个闭合过程，叫做热力循环，或简称循环,。,在热力循环的每一微小过程中，体系与外界可以有功的交换，也可以有热量的交换，若体系与外界交换的功为,dw,，交换的热量为,dQ,，那么在整个热力循环中，体系与外界交换的净功,w,。应是每一微小过程中功的,dw,的代数和，即,体系与外界交换的净热量也应该是每一微小过程中热量,dQ,的代数和。即,由于体系完成了一个循环，体系的状态没有发生变化，所以根据热力学第一第定律，体系与外界的换热量和体系与外界交换的净热量应该相等，即,例 喷气发动机空气与燃油的质量比为,125:1,，若燃油消耗量为,12,，燃油的发热量为,41800,，燃气从尾喷管喷出的速度为,450,，试求：（,1,）流出气体的当量功率为多少千瓦？（,2,）燃油的热能转变为气体动能的百分比,解 因为燃油消耗量为,所以空气的消耗量为,燃气流出的当量功率就是燃气出口的动能，它等于,=2552,KW,燃油的热能转变为气体的动能的百分比为,22,热力学第一定律的解析式,一、解析式的建立,设某体系由状态经过过程,A,变化至状态,2,，并且由状态,2,经过程,C,回到状态,1,（,见图,122,），可得,若该体系由状态,1,经过另一过程,B,至状态,2,，并且由状态,2,仍然经过程,C,又回到状态,1,（见图,122,),，同理可得,式上述两式相减得,或,上式表示由状态,1,至状态,2,，不管是经过程,A,或是过程,B,，的值都是一样的,即变化量（）与变化途径无关，而只决定于始点和终点的状态，因此,（）应该是某一状态参数的微分，现在令该参数以,E,表示，就可积分为起点和终点的该状态参数之差，即,或,式中,过程中体系与外界之间交换的热量。对体系加热取正值；反之，体系向外放热，取负值；,过程中体系与外界之间交换的功，体系对外界的功，取正值，反之，外界对体系的做功，取负值；,体系起始和终了两状态的总能量，取与功相同的单位。,上式表明外界对体系的加热量减去体系对外界所作的功，将使体系的总能量增加。,上式也可写成,该式说明外界对体系的加热量等于体系总能量的变化，并对外界做功。,对于微元过程，上式可以写成,dQ,=,dE,+,dW,这就是热力学第一定律解析式。对于,1,kg,工质而言，各种能量均以小写英文字母表示其物理量，那么热力学第一定律解析式可写成,例,4,kg,气体进行状态变化过程中，加入热量,754,kJ,，并做功,490,kJ,，求这一过程中每千克气体的能量变化合多少千卡,?,解 每千克气体的能量变化为,=66,=660.23884,=15.76,23,总能量 内能,总能量是体系在某一状态下的全部能量。本课程只研究体系进行物理变化和化学变化的各种能量，它包括三种能量：一是体系作整体运动时的宏观动能,E,；二是在重力场中，体系位于某一高度,Z,的位能 ；三是与体系整体运动和重力场存在无关，体系内部气体分子作无规则运动所具有的内部热能,U,(,简称内能,),。因此，体系的总能量,E,为,若体系中只有,l,kg,的工质，则总能量,e,为,式中,u,内能,(),v,体系作整体运动的速度,(),Z,体系距海平面的高度（,m,）。,气体的内能由四部分能量所组成：分子作无规则的平移运动所具有的平移动能；多原子组成的分子作旋转运动所具有的旋转动能；分子内部的原子作振动所具有的振动能；这三种能量都是温度的函数。此外还有由于分子间的作用力所形成的位能，这能量随分子间的距离的变化而变化，亦即决定于比容。故可知气体的内能决定于气体的温度和比容，将它们写成数学关系式，即,温度和比容是状态参数，内能也是一个状态参数，它可以有全微分，并且内能的变化只决定于起始和终了状态，而与过程的途径无关，即,根据内能的性质，,如图,123,中所表示的过程,A,、,B,、,C,和,D,，它们起始和终了的两状态相同，所以它们的内能变化均应相等，即,=,对于完全气体，分子之间无作用力，所以内能中无位能，而仅有三种动能，因此，完全气体的内能仅是温度的函数，即,只要起始和终了的温度相同，不论其变化过程的途径如何，完全气体的内能变化也都相等，,图,124,表示自起始状态,1(,下,),经过不同的过程,A,、,B,、,C,和,D,分别达到状态，,Z,、,Z,、,Z,和,Z,，那么,=,=,若热力学体系是静止的闭口体系，即选择气缸内的气体作为研究对象，当它进行状态变化时，气体的宏观动能及位能没有变化，仅有功能的变化，因此热力学第一定律解析式就写成,图,121,图,1-2-2,图,1-2-3,图,1-2-4,