7 《工程热力学》
国家"十一五"规划教材 童钧耕 主编 高等教育出版社
7.1 《工程热力学》封面
7.2 《工程热力学》版权页
7.3 《工程热力学》目录
7.4 《工程热力学》精选内容
第二章 热力学第一定律
自然界所发生的一切运动都伴随着能量的变化. 热力学第一定律就是能量守恒与转换 定律在热现象中的体现,它是工程热力学的主要理论基础之一.本章讨论热力学第一定律 的实质及其应用.
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热力学第一定律的实质
能量守恒与转换定律是自然界的基本规律之一. 它指出: 自然界中的一切物质都具有能 量,能量不可能被创造,也不可能被消灭,但可以从一种形态转变为另一种形态;在能量的 转化过程中能量的总量保持不变. 热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象中的应用,它确定了热力过程中热力 系统与外界进行能量交换时,各种形态能量数量上的守恒关系. 我们知道,运动是物质的属性,能量是物质运动的度量.分子运动学说阐明了热能是 组成物质的分子, 原子等微粒的杂乱运动—热运动的能量. 既然热能和其它形态的能量都是 物质的运动, 那么热能和其它的能量可以相互转换, 并在转化时数量守恒完全是理所当然的. 一个耗电 200W 的电视机,在稳定运行的状态下,不管在播放什么节目,都向环境散热 200W,它对房间的加热效应与 200W 的电热器,2 个 100W 的电灯的效果是一样的,这是 能量守恒原理的必然结论. 在工程热力学研究的范围内,主要考虑的是热能和机械能之间的相互转换与守恒,所 以第一定律可表述为: "热是能的一种, 机械能变热能, 或热能变机械能时, 它们间的比值是一定的. 或 " "热 可以变为功,功也可变为热;一定量的热消失时必产生相应量的功,消耗一定量的功时必出 现与之对应的一定量的热. " 热力学第一定律是人类在实践中累积经验的总结,它不能用数学或其它的理论来证明, 但第一类永动机迄今仍未造成以及由第一定律所得出的一切推论都与实际经验相符合等事 实,可以充分说明它的正确性.
22 热力学能和总能
一,热力学能
能量是物质运动的量度,运动有各种不同的形态,相应地就有各种不同的能量.力学中 研究过物体的动能和位能, 前者决定于物体宏观运动的速度, 后者取决于物体在外力场中所 处的位置.它们都是因为物体作机械运动而具有的能量,都属机械能.宏观静止的物体,其 内部的分子,原子等微粒不停地作着热运动.据气体分子运动学说,气体分子在不断地作不 规则的平移运动,这种平移运动的动能是温度的函数.如果是多原子分子,则还有旋转运动 和振动运动,根据能量按自由度均分原理和量子理论,这些能量也是温度的函数.总之,这 种热运动而具有的内动能是温度的函数.此外,由于分子间有相互作用力存在,因此分子还 具有位能,称内位能,它决定于气体的比体积和温度.内动能,内位能,维持一定分子结构 的化学能和原子核内部的原子能以及电磁场作用下的电磁能等一起构成所谓的热力学能. 在 无化学反应及原子核反应的过程中,化学能,原子核能都不变化,可以不考虑,因此热力学 能的变化只是内动能和内位能的变化. 我国法定计量单位中热力学能的单位是焦耳,用符号 J 表示,热力学能用符号 U 表示, 1kg 物质的热力学能称比热力学能,用符号 u 表示,比热力学能的单位是 J/kg. 根据气体分子运动学说,热力学能是热力状态的单值函数.在一定的热力状态下,分子 有一定的均方根速度和平均距离, 就有一定的热力学能, 而与达到这一热力状态的路径无关, 因而热力学能是状态参数. 由于气体的热力学状态可由两个独立状态参数决定,所以热力学能一定是两个独立状 态参数的函数,如:
u = f (T , v) 或 u = f (T , p ) ; u = f ( p, v )
(21)
物质的运动是永恒的,要找到一个没有运动而热力学能为绝对零值的基点是不可能的, 因此热力学能的绝对值无法测定.工程计算中,关心的是热力学能的相对变化量 ΔU ,所以 实际上可任意选取某一状态的热力学能为零值,作为计算基准.
二,总能
工质的总能量除热力学能外,还包含工质在参考坐标系中作为一个整体,因有宏观运 动速度而具有动能及因有不同高度而具有位能. 前一 种能量称之为内部储存能, 后两种能量则称之为外部 储存能. 系统的宏观动能和系统内动能的差异可用图 2-1 形象地说明.图中左侧水中叶轮虽因水分子的热
运动而受到撞击,但宏观效果抵消,叶轮不会转动.右侧水分子仍在作热运动,但由于其作 宏观运动而驱使叶轮转动作功. 热力学能和机械能是不同形式的能量,但是可以同时储存在热力系统内.人们把内部 储存能和外部储存能的总和, 即热力学能与宏观运动动能及位能的总和, 叫做工质的总储存 能,简称总能.若总能用 E 表

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