热力学第一定律在充气过程求解中的应用,热力学第一定律的定义

热力学第一定律在充气过程求解中的应用

热力学第一定律定义了当能量守恒定律应用于热力学时，它就是热力学第一定律。换句话说，热力学第一定律是热现象过程中能量转换与守恒定律之间的具体定量关系，即内能与其他形式能量转换之间的定量关系。该定律指出，在任何热力学系统从一种状态变化到另一种状态的过程中

什么是热力学第一定律？

当能量守恒定律应用于热力学时，它是热力学第一定律。 换句话说，热力学第一定律是热现象过程中能量转换与守恒定律之间的具体定量关系，即内能与其他形式能量转换之间的定量关系 该定律指出，在任何热力系统从一种状态变化到另一种状态的过程中，此外，它还定义了热力系统中物质的能量可以被转移，其形式可以被转化，在转化和转移过程中，各种形式的能量总量将保持不变。 事实证明，第一种永动机是无法制造的~详见http://baike.baidu.com/view/25098.htm，它在自然科学和工程的各个领域都有应用，所有自然现象都无一例外地服从热力学第一定律。 当研究任何自然过程的能量问题时，热力学第一定律必须毫无例外地应用。 在实际工作中，自然科学研究、热工程、化学工程等地方使用最为频繁。 我已经忘记了热力学第一定律的内容，它可以添加到我应该能够记住的内容中，因为在遵循热力学第一定律的同时，我还必须满足热力学第二定律。 只能遵守第一条法律，而忽略后者 例如，机械能不能完全转化为有用的功，必须有热量损失。理想机器 有许多遵守第一定律而不是第二定律的例子。 例如，热量从低温传递到高温。

热力学第一定律的定义

热力学第一定律定义了当能量守恒定律应用于热力学时，它就是热力学第一定律。换句话说，热力学第一定律是热现象过程中能量转换与守恒定律之间的具体定量关系，即内能与其他形式能量转换之间的定量关系。该定律指出，在任何热力学系统从一种状态变化到另一种状态的过程中

什么是热力学第一定律？

热力学第一定律在充气过程求解中的应用范文

热力学第一定律模型四:

主题:热力学第一定律在曝气过程解中的应用

热力学第一定律适用于求解各种曝气过程。根据充气容器是否是刚性的，容器分为刚性容器、柔性容器和弹性容器。根据充气容器是否隔热，充气过程可分为绝热或等温充气过程。通过对通货膨胀过程中典型问题的分析，深入研究了各种通货膨胀过程的求解方法。对工程热力学课程教学和工程应用具有一定的参考价值。

关键词:热力学第一定律；充气过程；不稳定流动；开放系统；

文摘:阐述了用热力学第一定律解决各种充气过程的问题。容器根据刚度分为刚性容器、柔性容器和弹性容器。充气过程根据绝热性分为绝热充气过程和等温充气过程。通过对典型充气过程的分析，研究了解决方法。该研究对工程热力学课程的教学和应用具有一定的价值。

关键词:热力学第一定律；充气过程；不稳定流；开放系统；

热力学第一定律的实质是能量守恒和转化定律在热现象中的应用，它决定了热力学系统在热力学过程中与外界交换能量时各种形式能量的量守恒关系。根据热力系统与外界的能量和物质交换，热力系统可分为封闭系统、开放系统和隔离系统。开放系统与外界的能量和物质交换也可分为稳定流过程和不稳定流过程[1，2]。充气过程是典型的不稳定流开放系统，是工程热力学的重点和难点，也是实际工程应用中常见的过程。常见的例子是通过输气管道给钢瓶、气球或带活塞的钢瓶充气。相关文件[3，4]分析并解决了一些通货膨胀过程中的问题。本文对常见的膨胀过程进行了系统的分类和总结，并对各种膨胀过程进行了详细的分析和求解，对工程热力学的教学和实际应用具有一定的参考价值。

1充气过程中热力学第一定律的表达式

对于膨胀过程的分析和求解，无论选择开放系统还是封闭系统，都是基于热力学第一定律。一般来说，容器的内部界面被选为边界，即边界内的控制容积被选为具有不稳定流动的开放系统。当入口和出口都是单股流时，开启系统位于D！热力学第一定律在时间上的表达式，即开放系统的能量方程，是:

其中:q-热

e-系统总能量

H——工作介质入口和出口焓

——工作介质入口和出口的流速

重力加速度

z-入口和出口高度

m-流入和流出系统的工作介质质量

W——系统传递给外界的工作

在充气过程中，只有工作介质流动而不流出系统。考虑到充气时工作介质在入口处的势能差和动能差一般可以忽略，充气时系统一般没有整体位移，系统宏观运动动能和系统重力势能在系统总能量E中的变化都为零。因此，开放系统的能量方程(1)可以简化为:

其中:u-热力学能量，也称为内能

为了便于分析和求解，比热容被假定为固定值，研究对象是理想气体，因此理想气体状态方程的微分形式，即方程(3)，可以用于分析和求解过程:

根据充气容器是绝热的还是刚性的，充气过程可分为刚性容器、柔性容器或弹性容器的绝热或等温充气过程。

2刚性集装箱充气过程分析

2.1刚性容器的绝热膨胀过程

对于刚性容器的绝热充气过程，其特点是充气过程中系统的体积不变，系统不与外界交换热量和工作，所以有d V=0、“Q=0、”W=0 .

问题1:了解输气管道中的气体参数p0、T0和h0，容器的容积V，充气前容器中的气体参数T1和p1，充气结束时容器的最终压力p2，求出最终充气温度T2和充气量# m。分析和解决步骤如下:

将d = 0和Q=0代入等式(2)是:

考虑到d U=d (mu) =mdu+udm，以及“min=dm，hin=h0，u=cV0T，h0=cp0T0”，替换上述公式:

式中:恒定压力下理想气体的cp0比热容

CV0——理想气体的定容比热容

K——进气管中工业质量的绝热指数，k=cp0/cV0

将d = 0代入等式(3):

结合等式(4)和等式(5)以消除dm/m，积分后计算最终温度的公式如下:

通过将方程(4)和方程(5)相结合，去掉d T/T，以T=p V/ (mRg)的形式代入并积分理想气体状态方程，可以得到充气量#m的计算公式如下:

问题2:给定输气管道中的气体参数h0，刚性绝热容器中的原始气体质量为m1，热力学能量为u1 空气体。充气一段时间后，容器具有m2质量和u2 空热力学能量，并得到u2和h0之间的关系。分析和解决步骤如下:

将d = 0和Q=0代入等式(2)是:

考虑到d U = d(μ)= mdu+udm，“min=dm，hin=h0”，代入上述公式可以得到:

u2和h0之间的关系可以从上述积分中获得，如下所示:

2.2刚性容器的等温充气过程

对于刚性容器的等温膨胀过程，其特征在于系统体积和系统温度不变，系统与外界之间进行热交换，系统不做任何外部工作。因此，有d V=0，d T=0，“Q≠0”，W=0。

问题3:了解输气管道中的气体参数p0、T0和h0，容器的容积V，充气前容器中的气体参数T1和p1，充气结束时容器的最终压力p2，计算充气过程中容器的放热量Q和充气量#m。分析和解决步骤如下:

将d V=0和d T=0代入等式(2)是:

考虑到d U = d(mu)= mdu+udm = MCv0D T+CV0Tm，以及“min=dm，hin=h0=cp0T0”，替换上述公式:

将d V=0和d T=0代入等式(3)是:

将理想气体的状态方程以m=p V/ (TRg)的形式代入上述方程并积分，即可得到充气量的计算公式如下:

公式(6)和公式(7)相结合以消除dm，并且考虑到cV0=Rg/ (k-1)，理想气体状态方程以T=p V/ (mRg)的形式被替换。积分后，容器充气放热量q的计算公式如下:

3挠性集装箱充气过程分析

3.1挠性容器的绝热膨胀过程

所谓容器柔性是指在充气过程中具有相同内压和外压力矩的容器。对于挠性容器的绝热膨胀过程，系统压力在整个膨胀过程中保持不变。由于充气过程中的体积变化，系统确实在外部工作，并且系统与外部没有热交换，因此dp=0，“W=pd V≠0”。Q=0 .

问题4:输气管道中的气体参数p0、T0、h0，充气前容器中的气体参数p1、V1、T1，充气结束时的容积V2，充气前容器中的气体压力p1等于容器承受的外部压力P。计算最终充气温度T2和充气量#m，而不管柔性容器的弹力如何。分析和解决步骤如下:

将“W=pd V”和“Q=0”代入等式(2)是:

考虑到d U=d (mu) =mdu+udm，上述公式的两边同时除以cV0m T，并用“min=dm和cV0=Rg/ (k-1)代替得到:

将dp=0代入等式(3)是:

结合等式(8)和等式(9)以消除dm/m，积分后计算最终温度的公式如下:

通过将等式(8)和等式(9)相结合，并消除d T/T，积分后计算通货膨胀#m的公式如下:

3.2挠性容器的等温充气过程

对于柔性容器的等温膨胀过程，系统温度不会改变。由于容器的灵活性，容器的内部压力与充气过程中的外部压力力矩相同，因此系统压力在整个充气过程中保持不变。由于充气期间的体积变化，系统确实在外部工作，并且系统与外部[5]进行热交换，因此d = 0，dp=0，

问题5:给定气体管道中的气体参数p0、T0、h0，充气前容器中的气体参数p1、V1、T1、h1，容器的外部压力和温度与容器中的相同，计算充气结束时容器的体积V2、充气过程中的放热量Q和充气量#m，而不管柔性容器的弹力如何。分析和解决步骤如下:

将“W=pd V，dp=0，d T=0”代入等式(2)是:

考虑到d U = d(mu)= mdu+udm = MCv0D T+CV0Tm，“min=dm，hin=h0，du=cV0d T=0，下面的公式被替换为:

上述公式两边的积分是:

由于在充气过程中dp=0和d T=0，容器内气体的比容v根据理想气体状态方程是恒定的，即v2=v1。考虑h1=u1+p1v1，代入方程(10)，可得到充气过程中容器放热量q的计算公式如下:

根据理想气体状态方程，充气量#m可以通过以下公式获得:

4弹性容器充气过程分析

常见的弹性容器包括气球和带有活塞和弹簧的刚性容器(如图1所示)。对于弹性容器的绝热膨胀过程，由于弹性力的存在，系统需要克服弹性力和外部恒定压力才能对外做功，所以“W=pd V≠0，膨胀过程中系统与外界没有热交换，即“Q=0”。

问题6:如图1所示，输气管道给真空隔热容器充气。给定气体管道中的气体参数p0和T0，弹簧变形与压缩力成比例，并计算充气期间气缸中气体的温度T2。分析和解决步骤如下:

将“W=pd V”和“Q=0”代入等式(2)是:

考虑到“min=dm，hin=h0，在代入上述公式并积分后，有:

根据主题，弹簧变形与压缩力成比例，即p=av，其中a是相关的弹性系数。因此，在容器膨胀和膨胀过程中，系统中单位质量工作介质向外所做的体积变化工作如下:

将上述等式代入等式(11)，可以发现充气期间气缸中气体的温度T2为:

5结论

从充气容器的角度来看，充气过程可以分为三类:刚性容器、柔性容器和弹性容器。从热交换的角度来看，它可以分为绝热膨胀、等温膨胀或多变膨胀，其中大部分是绝热或等温膨胀过程。此外，容器可能是真的空或者在充气前容器中可能有一定量的气体。对于容器初始状态为真空的情况，有必要注意初始状态参数中的质量、热力学能量和其他参数为零。无论如何对通货膨胀过程进行分类，其分析方法大致相同。一般选择开放系统，应用热力学第一定律(即开放系统的能量方程)，同时结合理想气体状态方程的微分形式求解。在实际的问题解决过程中，也可以根据解决方案分析的需要选择封闭系统[6】。

本文对曝气过程的分析和求解是学习和教学热力学第一定律本质和一般表达式的参考和补充材料，对工程热力学的实际应用和课程教学具有一定的参考价值。

参考
[1]华强子，张金钟，高青，等.工程热力学。第四版[。北京:高等教育出版社，2009:30-35。
[2]沈卫道，童耿军。工程热力学。第四版[。北京:高等教育出版社，2007:41-47。
[3]傅钦生。能量系统的热力学分析。Xi安:Xi交通大学出版社，2005:34-37。
[4]朱明山，刘颖，石林，等.工程热力学问题分析[M]。北京:清华大学出版社。2000年:67-73。
[5]何亚玲。工程热力学分析的关键问题(新版)[。Xi安:Xi交通大学出版社，2008:34。
[6]姚寿光。工程热力学大纲指南和典型练习的分析[。北京:国防工业出版社。2004年:31。

范文1:热力学第一定律(6强推荐)
范文2:热力学第一定律和热力学第二定律教学
范文3:热力学定律及其内涵分析
范文4:热力学第一定律在充气过程中的应用
范文5:热力学第一定律的适用条件