高等工程热力学-能量与热力学第一定律

('能量与热力学第一定律统一性质的能量平衡方程将以不同形式不同内容出现，本章将对热力学第一定律的应用逐一加以讨论。3—1热力学第一定律和系统的储存能能量转换及守恒定律指出：自然界中的一切物质都具有能量；能量有各种不同形式，并能从一种形式转化为另一种形式；在转换中能量的总数保持不变。对于孤立系，无论其内部如何变化，它的总能量保持不变时，能量守恒及转换定律可以简单表示为△Eiso=0（3-1）热力学第一定律的一般表示式：Q=△E+Wtot(3-2)物系储存的能量有内部储存能喝外部储存恩呢个之分。与物质内部粒子的微观运动和粒子在空间的位置有关的能量称为内部储存能，简称内能，用U表示。在不涉及物质内部结构变化时，内能仅只微观运动能和微观位能，合称热能。物体作整体运动时还可以有其它能量，这类能量要由物系外的参考系坐标确定，故称为物系的外部储存能。物系的储存能是△E=△U+12m△c2+m△z(3-3)3—2功热力学通常沿用力学中功的定义：功是力与平行于力的作用线的位移的乘积。系统给出的功和外界对功的使用方式无关。热力学中所说的功都是只系统而言，是系统给出的或得到的功，系统给出了多少功，外界就获得数量相等的功。膨胀功是热能变为机械能的基本形式的功。如过程是可逆的，膨胀功表示为redWpdV\uf03d(3-4)表面张力可逆功的一般表示式为：·surtendWdA\uf073\uf03d\uf02d（3-5）式中的负号表示表面时外界应对系统做功。在涉及电磁场现象时，外力场变化还会出现其它模式的功当外电场发生变化时，为使电介质中的电偶子转动而沿一定方向排列，系统对外完成的可逆极化功为poldWEdP\uf03d\uf02d（3-6）式中，E是电场强度，P是总电矩。当外电磁场改变时，为使磁偶子定向，磁性物质热力系对外作的可逆磁化功可表示为magdWHdI\uf03d\uf02d（3-7）式中，H是磁场强度，I是总磁矩。从式（3-4）~（3-7）可看出，无论哪种模式都是可逆功，如非可逆，功就不能如此表示，而且都具有下列共同形式：()ireiidWFdx\uf03d\uf02d（3-8）其中iW称为广义功，iF代表某种强度量，叫广义功，idx是在iF作用下产生的广义位移的微分量，ix是一广延量。各种模式的功都可独立作用，故过程可逆时系统的总功应是()()()()totredWpdVdAHdIEdP\uf073\uf03d\uf02b\uf02d\uf02b\uf02d\uf02b\uf02d\uf02b···或()()totreireiidWdWFdx\uf03d\uf0e5\uf03d\uf02d\uf0e5（3-9）3—3热能当两个物系互相作用时，一物系由于温差而向另一温度较低的物系传递的能量称为热量。这是热量测定的基础，称为力量的量热学定义。根据热力学原理把热量定义为：一个质量不变的系统，不作为功而通过边界传递的能量称为热量。热力学是从物系的状态变化研究外界作用的。除理想气体典型过程的特殊情况外，直接计算功或热量都是困难的。为了简化△u与△h的计算，一般方法是根据具体工质的比热容和状态方程，并选定u与h的计算起点，计算出各状态下的u与h值，绘成相应的物性图表，进行热力分析时物性图表代替繁复的物性计算。传热和作功都是外界对系统的作用，一个质量不变的系统外界的作用不属于热就是功，但功的模式不限于一种。和物系有关的功有n种模式，确定平衡物系的独立参数应是n+1个。状态公理是指质量不变的系统，而且不但系统的总质量不变，其各组分的质量也不变。化学系统的独立参数要用化学平衡常数确定，不是状态公理所能解决的。3—4闭口系和开口系闭口系能量平衡一般方程将热力学第一定律付诸应用时，要根据有无物质交换而把热力系分为闭口系和开口系。闭口系的总质量不变，这部分质量称为控制质量，开口系物质进出的空间称为控制容积。闭口系的总质量不变，但质量恒定的系统并不一定就是闭口系。闭口系的总质量是定值，也不等于内部各组分的质量不能变化。热力分析时一般都不计及物系因位置变化而引起的能量改变，即物系的位置是固定的。分析工质与过程的性质对热功转换的影响时，因闭口系质量为定值，热力学第一定律可写成：q\uf03d△updv\uf02b\uf0f2(3-10)给定工质及初始态后，上式中△u为定值，q的数值随过程的性质而定。如改变过程使pdv\uf0f2增加，因q与pdv\uf0f2的差值△u不变，q将增加与pdv\uf0f2增加相同的数量。式（3-2）用于火箭的热力分析时，可取0Q\uf03d,0totW\uf03d，简化为△E=△U+12m△2c=0即12m△2c=-△U（3-11）式中（-△U）是火箭所耗燃料释出的化学能，转变为燃气的动能而驱使火箭前进。3—5开口系能量平衡方程稳态稳流能量平衡方程对于边界固定不变的开口系，如汽轮机，净功即轴功sdW；对于边界可移动的开口系，如压力千斤顶，净功又称边界功。开口系的一般瞬时能量平衡方程为22.....()()22cvnetoutinoutindEccQWhmhmd\uf074\uf03d\uf02b\uf02b\uf02b\uf02d\uf02b（3-12）上式适用于各种不同场合下的能量转换，和过程是否可逆无关。稳态稳流能量平衡方程是开口系一般能量平衡方程的特例如控制容积内部各处的状态包括热力参数及流速在内都不随时间变化，则称为稳态稳流，简称稳定流动，流体力学中称为恒定流动。在稳态稳流中，不管是进出口截面上的状态，或者控制容积内各处的状态都是稳定的，同时各种流率也是稳定的，状态或流率中有任一项不满足稳定的要求，就不能叫做稳态稳流。稳态稳流能量平衡方程如下：22()()22netoutinccqwhh\uf03d\uf02b\uf02b\uf02d\uf02b（3-13）2()2netcdqdwdh\uf03d\uf02b\uf02b（3-13a）上式中netdw与2()2cd均属机械能项，都是工程技术上可资利用的功，合称为技术功tdw：2()2tnetcdwdwd\uf03d\uf02b代入式（3-13a）,得tdqdhdw\uf03d\uf02b（3-14）q\uf03d△thw\uf02b（3-14a）式（3-14）及式（3-14a）无论过程是否可逆均成立。以()dhdupv\uf03d\uf02b代入式（3-14）。对于可逆过程，因有dqdudpv\uf03d\uf02b，故可逆的技术功()tredw为()()tredwdqdhdqdupvdqdupdvvdpvdp\uf03d\uf02d\uf03d\uf02d\uf02b\uf03d\uf02d\uf02d\uf02d\uf03d\uf02d即()tredwvdp\uf03d\uf02d（3-15）3—6瞬变流动分析流动中，如控制容积内各处状态随时变化，则称为瞬变流动。从式（3-12）可得进出口均为单股流时开口系在d\uf074时间内的能量平衡方程，为22.()()22cvnetoutoutininccdQdEdWhdmhdm\uf03d\uf02b\uf02b\uf02b\uf02d\uf02b（3-16）平衡态下，单相物系状态参数之间有确定的关系，有状态方程表示。在我们的研究中，为简单计，把流体看作理想气体并采用定值摩尔热容。理想气体的状态方程为pVmRT\uf03d（3-17）瞬变流可归纳成下列几点：1.充气与放气应作两种不同情况单独处理，在我们的研究中充气与放气不是同时进行的；2.平衡态热力学只能分析计算充气或放气瞬变流动的结果如何，而不能回答过程随时间进行的细节；3.顺便流动的特点是系统的质量是变量，要用三个独立参数才能确定系统的状态；4.在我们的分析研究中，用到的基本方程式能量平衡方程，状态方程和质量平衡方程；5.为简单计，研究中把气体看作理想气体，并采用理想气体定值比热容分析计算。下面分别讨论充气与放气。放气对刚性容器充气，控制容积不变，但对气缸充气时体积要改变。充气较快时，接近绝热充气；充气很慢时，系统和外界随时保持平衡，接近等温充气。刚性容器绝热充气一般给出的条件是：进气参数，容积的体积V，充气前的温度T1和压力p1，充气后终压p2。要求计算充气终温T2及充气量△m。211112()LLkTTTTpkTTp\uf03d\uf02b\uf02d△2121()LVmmmppkRT\uf03d\uf02d\uf03d\uf02d对充气前后容器内气体温度的变化可作如下分析。假如容器原来是真空的，则vdUudmcTdm\uf03d\uf03d又因LpLdUhdmcTdm\uf03d\uf03d故pLvcTdmcTdm\uf03d即LTkT\uf03d上式表明，气体充入容器后温度将增加k倍。一般容器并非真空，充入的气体与原有气体混合。如原有气体的温度T1LkT,则充气后温度降低，T1