第章 工程热力学WORD版热力学第一定律.doc

第2章 热力学第一定律 一、教案设计 教学目标: 使学生深刻理解热量、储存能、功及内能、焓的物理意义，深刻理解热力学第一定律的实质并能熟练掌握应用热力学第一定律进行解题的方法，掌握其各种表达式（能量方程）的使用对象和应用条件。 知 识 点：深刻理解热量、储存能、功的概念，深刻理解内能、焓的物理意义 理解膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的联系与区别。 重 点：熟练应用热力学第一定律解决具体问题。 难 点：理解掌握热力学中各种功的定义及其计算，以及它们之间的区别和联系，切实理解热力系能量的概念，掌握各种系统中系统能量增量的具体含义。 教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论+习题课 师生互动设计：提问+启发+讨论 问：知道“永动机”是什么吗？ 问：你认为100℃的热水比50℃的温水含有的热量多？为什么？ 问：一个球放在10层楼的顶部，和放在3层楼顶，哪个做功多？为什么？ 问：为什么要引入焓这个状态参数？它的物理意义是什么？ 问：各种功之间有什么联系？ 学时分配：4学时+2学时（习题） 二、基本知识 第一节 热力学第一定律的实质 热力学第一定律的实质: 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 常数 对孤立系统： 或 第一类永动机：不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机。 第二节 热力学能和总能（系统的储存能） 系统的储存能的构成：内部储存能+外部储存能 一．热力学能（内能） 热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和，单位质量工质所具有的热力学能（内能），称为比热力学能（比内能）。U=mu 热力学能（内能）=分子动能+分子位能 分子动能包括：1．分子的移动动能 2.分子的转动动能.3．分子内部原子振动动能和位能 分子位能：克服分子间的作用力所形成 u=f (T,V) 或u=f (T,P) u=f (P,V) 注意: 热力学能（内能）是状态参数. 特别的: 对理想气体u=f (T) 问题思考: 为什么? 二、外储存能：系统工质与外力场的相互作用（如重力位能）及以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量（宏观动能）。 宏观动能： 重力位能： 式中 g—重力加速度。 系统总储存能： 或 第三节 系统与外界传递的能量 与外界热源,功源,质源之间进行的能量传递 一、功 除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量. 1．膨胀功W：在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。 单位：l J=l Nm 规定: 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。 膨胀功是热变功的源泉 2 轴功W: 通过轴系统与外界传递的机械功 注意: 刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换 二、热量 在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。 规定: 系统吸热热量为正，系统放热热量为负。 单位：kJ kcal l kcal=4.1868kJ 特点: 热量是传递过程中能量的一种形式，热量与热力过程有关,或与过程的路径有关. 三、随物质传递的能量 1．流动工质本身具有的能量 2． 流动功(或推动功之差)：维持流体正常流动所必须传递量，是为推动流体通过控制体界面而传递的机械功. 推动1kg工质进、出控制体所必须的功 注意: 流动功仅取决于控制体进出口界面工质的热力状态。流动功是由泵风机等提供 思考：与其它功区别 焓的定义：焓=内能+推动功 对于m千克工质： 对于1千克工质：h=u+ p v 焓的物理意义： 对流动工质(开口系统)，表示沿流动方向传递的总能量中，取决于热力状态的那部分能量. 对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合状态参数 思考为什么：特别的对理想气体 h= f (T) 第四节 热力学第一定律的基本能量方程式 一、闭口系统能量方程 1.能量方程表达式 适用于mkg质量工质 1kg质量工质 注意: 该方程适用于闭口系统、任何工质、任何过程。 由于反映的是热量、内能、膨胀功三者关系，因而该方程也适用于开口系统、任何工质、任何过程. 特别的: 对可逆过程 思考为什么 2.循环过程第一定律表达式 结论: 第一类永动机不可能制造出来 思考：为什么 3.理想气体在刚性容器的内能变化计算（定容）：（为讲下章理想气体铺垫） 由得： ， 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程 或： 二、开口系统能量方程 由质量守恒原理： 进入控制体的质量一离开控制体的质量=控制体中质量的增量 能量守恒原理： 进入控制体的能量一控制体输出的能量=控制体中储存能的增量 设控制体在时间内: 进入控制体的能量= 离开控制体的能量= 注：不考虑机器摩擦引起的损失，因此机器内部功Wi此时等于轴功Ws 控制