第3章 热力学第一定律

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1、第3章热力学第一定律本章基本要求深刻理解热量、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；本章重点：熟练应用热力学第一定律解决具体问题人类在长期的生产实践和科学实验的基础上，建立了能量守恒与转换定律：自然界中的一切物质都具有能量，能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式，在转换过程中，能量的总量保持不变。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，文字表述有多种形式。（1）热能可以和其他形式的能量相互转化，转化过程中，能的总量保持不变；（2）在孤立系统中，能的形式可以转换

2、，但总量不变；（3）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是不可能制造成功的。这一质朴明显的定律，是人类经过长时间的生活、生产实践才逐渐认识的。史前，人们摩擦取火，在实践中掌握了机械能转变为热能的方法，后来又通过蒸汽机的发明和使用，实现了热能向机械能的转化。虽然实践中完成了两种形式能量的转化，但理解这一规律却晚的多，甚至对于热的本质也长期未能认识。17~19世纪上半期，西欧学术界普遍认为热是一种没有热量的流体，即“热素”，个别杰出的科学家，如波义耳，牛顿等对然早就指出物质微粒的运动，然而热的分子运动学说却到19世纪中期才被科学界公认。1840~

3、1851年间，经过梅耶，焦尔等人的努力，才最终建立了热力学第一定律。热力学第一定律是人类长期经验的总结，它不能用数学或其他的理论根据来证明。永动机到目前还没有制造成功，以及它得出的一切推论都与实际经验相符合等事实，可以充分说明其正确性。热力学第一定律是热力学的基本定律，适用于一切工质和一切热力过程，当遇到具体问题时，需要将它表示为数学解析式。对于任意系统，各项能量之间的平衡关系一般表示为：进入系统的能量—离开系统的能量=系统储存能的变化3．1系统的储存能13一、外储存能（宏观上）1、宏观动能：（E—energy；k—kinetic）2、重力位能：（p—posit

4、ion）二、内储存能（微观上）宏观静止的物体，其内部的分子、原子还在不停的做热运动，物体因热运动而具有的能量叫做内热能。热力学中把内热能叫做内能，即储存于物质内部的能量。用U（J）来表示，对于单位质量物质，用比内能u(J/Kg)来表示。此外还有化学能，核能等。在热力状态发生变化的过程中，物质分子结构和原子结构都不发生变化，化学能、核能不起作用，可以不加考虑。内能包括：分子在不停的做不规则的热运动（平移运动），这种平移运动的动能是热力学温度的函数，如果气体是多原子分子，还做旋转运动和振动运动。根据能量按照自由度均分原理和量子理论，这些能量也是温度的函数。2、分子位

5、能由于分子间作用力的存在，气体吸热膨胀时，分子间剧增大，一部分热能将用于克服分子引力做功，以内位能的形式贮存下来，此时内位能增加；反之，气体压缩时，分子间距离减小，内位能又以热能的形式释放出来，所以内位能大小与分子间距，即比容有关。综上，气体的内能取决于温度和比容，即：u=f(T，v)=f(P，v)=f(P，T)。对于理想气体来说，不存在分子间的作用力，即没有内位能，因此它只是温度的单值函数，u=f(T)。注意：气体的内能表示气体热运动的状态，所以内能也是气体的状态参数，在热力过程中，内能的变化只与初终状态有关，与过程无关，与功和热量不同。，三、总储存能1313

6、3．2系统与外界传递的能量系统与外界之间进行能量传递的方式有三种：传热；做功；物质交换。一、热量在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量叫做热量。系统吸热为正，放热为负，单位：kJ。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，是一个过程量。区别：因此，我们不能说系统有多少热量，而只能说系统具有多少热力学能。思考题：3-4，3-7二、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。系统对外作功为正，外界对系统作功为负。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：J；膨胀功是热变功的源泉。2．轴功W通过轴

7、系统与外界传递的机械功。三、随物质交换传递的能量1．流动工质本身具有的能量：2．流动功(或推动功)：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。13如图，工质经过管道进入气缸。设工质的状态参数是（P,v,T），用活塞推动工质进入另外的活塞，推动过程中工质的状态参数不变，作用在活塞上的压力为P，活塞面积f，则作用的力的大小为F=Pf，假设工质推动活塞移动了距离S，则所作的功为：对于每kg气体来说，在推动的过程中，工质的状态没有改变，即内能没有改变，传递给活塞的能量显然是从外界传递来的，为后方的活塞。推动功只有在工质移动位置时才起作用，工

8、质移动时，从后面获得推动