第二章热力学第一定律

1、The First Law of Thermodynamics 南京航空航天大学南京航空航天大学 能源与动力学院能源与动力学院2014 正确认识各种不同形式能量的能力正确认识各种不同形式能量的能力 掌握体积变化功、推动功、轴功和技掌握体积变化功、推动功、轴功和技 术功的概念及计算式术功的概念及计算式 根据实际问题建立具体能量方程的能根据实际问题建立具体能量方程的能 力和利用能量方程进行分析计算能力力和利用能量方程进行分析计算能力来源：来源：1919世纪世纪30-4030-40年代，迈耶，焦耳等发现并确年代，迈耶，焦耳等发现并确定了定了能量转换与守恒定律能量转换与守恒定律。恩格斯将这列为。恩格斯

2、将这列为1919世世纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。能量转换与守恒定律定律指出：一切物质都能量转换与守恒定律定律指出：一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而式。而在转换中，能量的总量恒定不变在转换中，能量的总量恒定不变。能量转换与守恒定律能量转换与守恒定律 认识个别、特殊能量认识个别、特殊能量 机械能、电能、磁能等机械能、电能、磁能等有序能的守恒有序能的守恒 热现象热现象不是一个独立的现象，不是一个

3、独立的现象， 其它形式的能量都最终转化为热能其它形式的能量都最终转化为热能本质：本质：能量转换及守恒定律能量转换及守恒定律在热过程中的应用在热过程中的应用 18世纪初，工业革命，热效率只有世纪初，工业革命，热效率只有1% 1842年，年，J.R. Mayer阐述热一律，但没有阐述热一律，但没有 引起重视引起重视 1840-1849年年，Joule用多种实验的一致性用多种实验的一致性 证明热一律，于证明热一律，于1950年发表并得到公认年发表并得到公认1、重物下降，输重物下降，输 入功，绝热容入功，绝热容 器内气体器内气体 T 2、绝热去掉，气绝热去掉，气 体体 T ，放出，放出 热给水，热给水

4、，T 恢复恢复 原温。原温。热功当量热功当量1 cal = 4.1868 kJ 在工程热力学的范围内，主要考虑在工程热力学的范围内，主要考虑热热能能与与机械能机械能之间的相互转换与守恒，因此热之间的相互转换与守恒，因此热力学第一定律可表述为：力学第一定律可表述为：热可以变为功，功热可以变为功，功也可以变为热，在相互转变时能的总量是不也可以变为热，在相互转变时能的总量是不变的。变的。热力学第一定律热力学第一定律的表达的表达热指的是什么？是热量吗？热指的是什么？是热量吗？热能又是什么？热能又是什么？系统的能量系统的能量 定义定义 系统系统内部各种形式能量内部各种形式能量的总和称为系的总和称为系统的

5、热力学能，简称为内能统的热力学能，简称为内能 U U。单位质量。单位质量的热力学能称为比内能的热力学能称为比内能 u u。 单位：单位： J/kgJ/kg、kJ/kgkJ/kgInternal energy热力学能是储存在系统内部的能量，热力学能是储存在系统内部的能量，是下列各种能量的总和：是下列各种能量的总和：分子分子热运动形成的内动能热运动形成的内动能。它是温度的函。它是温度的函数。数。分子间分子间相互作用形成的内位能相互作用形成的内位能。它是比体。它是比体积和温度的函数。积和温度的函数。维持一定分子结构维持一定分子结构的化学能、原子核内部的化学能、原子核内部的原子能及电磁场作用下的电磁能

6、等。的原子能及电磁场作用下的电磁能等。分子动能分子动能分子位能分子位能 binding forces化学能化学能 chemical energy核能核能 nuclear energy内能内能microscopic forms of energy 移动移动 translation转动转动 rotation振动振动 vibrationTv内能是内能是状态参数状态参数，是热力状态的单值函数：，是热力状态的单值函数：021211221dUdUdUUUdUUba 内能总以变化量出现，内能零点人为定内能总以变化量出现，内能零点人为定需要用在系统外的参考坐标系测量的参需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来表

7、示的能量，称为外部储存能，它包括数来表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的系统的宏观动能宏观动能和和重力位能重力位能：221fkmcE mgzEp重力位能：重力位能：宏观动能：宏观动能：外部储存能外部储存能 定义定义macroscopic forms of energy外部储存能外部储存能macroscopic forms of energy宏观动能宏观动能 kinetic Ek= mc2/2宏观位能宏观位能 potential Ep= mgz机械能机械能系统总能系统总能E = U + Ek + Epe = u + ek + ep一般与系统同坐标，常用一般与系统同坐标，常用U, dU, u,

8、 du宏观动能和内动能的区别？EE+dEi imeQWjjm ed 如果是闭口系，如何简化？如果是闭口系，如何简化？ 闭口系，闭口系， 00ijmm忽略宏观动能忽略宏观动能U Uk k和位能和位能U Up p，EU ddQUWQUWquwquw 第一定律第一解析式第一定律第一解析式功的基本表达式功的基本表达式热热要想得到要想得到功功，必须化费，必须化费热能热能或或其它能量其它能量WQ热一律热一律又可表述为又可表述为“第一类永动机是第一类永动机是 不可能制成的不可能制成的”Perpetual motion machine of the first kind定义定义 dU = Q - W 内能内能

9、U 状态函数状态函数 Q = dU + WQ = U + W闭口系闭口系热一热一定定律表达式律表达式！两种特例两种特例 绝功系绝功系 Q = dU 绝热系绝热系 W = - dUdU = Q - W dU 代表某微元过程中系统通过边界交换代表某微元过程中系统通过边界交换的的微热量微热量与与微功量微功量两者之差值，也即两者之差值，也即系统内系统内部能量的变化部能量的变化。 U 代表储存于系统代表储存于系统内部的能量内部的能量 内储存能内储存能（又称为（又称为内能内能、热力学能热力学能） W Q热一定律热一定律: : 体现了能量在数量上的守恒体现了能量在数量上的守恒=进入进入系统系统的的能量能量离

10、开离开系统系统的的能量能量系统系统内部储存内部储存能量能量的的变化变化- W Q一般式一般式 Q = dU + W Q = U + W q = du + w q = u + w单位工质单位工质适用条件：适用条件： 1）任何工质）任何工质 2) 任何过程任何过程 3）忽略了系统动能和势能变化）忽略了系统动能和势能变化Energy balance for closed system功功 （ w） 是广义功是广义功 闭口系与外界交换的功量闭口系与外界交换的功量 q = du + w准静态容积变化功准静态容积变化功 pdv拉伸功拉伸功 w拉伸拉伸= - dl表面张力功表面张力功 w表面张力表面张力=

11、- dA w = pdv - dl - dA +. q = du + w若在地球上研究飞行器若在地球上研究飞行器 q = de + w = du + dek + dep + w 工程热力学用此式较少工程热力学用此式较少简单可压缩系简单可压缩系准静态过程准静态过程 w = pdv简单可压缩系简单可压缩系可逆过程可逆过程 q = Tds q = du + pdv q = u + pdv热一律解析式之一热一律解析式之一Tds = du + pdv Tds = u + pdv热一律解析式之一热一律解析式之一利用闭口系统的热一定律，分析下列两利用闭口系统的热一定律，分析下列两种方法的可行性：种方法的可行

12、性：1）打开冰箱的门，使整个房间内空气）打开冰箱的门，使整个房间内空气的温度降低；的温度降低；2）打开空调，使整个房间内空气的温）打开空调，使整个房间内空气的温度降低；度降低； 假设房间为闭口系统，空气的温度假设房间为闭口系统，空气的温度随内能变大而单调增加。随内能变大而单调增加。以房间为以房间为系统系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程QUW 0Q 0UW 0W T电电冰冰箱箱RefrigeratorIcebox以房间为以房间为系统系统 闭口系闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程QUW 0Q UQ W0W T空空调调 QQWAir-condition从已知条件逐步推向目标从已知

13、条件逐步推向目标从目标反过来缺什么补什么从目标反过来缺什么补什么4 4）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手。）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手。 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc能量守恒原则能量守恒原则进入进入系统的系统的能量能量 - -离开离开系统的系统的能量能量 = =系统系统储存能量储存能量的的变化变化Energy balance for open systemmpvpVlpA 在作推动功时，在作推动功时，工质工质的状态没有改变的状态没有改变（如图（如图中的中的C C点），因此推动功点），因此推动功不会来自系统的储存能不会来自系统

14、的储存能热力学能，而是系统热力学能，而是系统以外的物质，这样的物以外的物质，这样的物质称为外部功源。质称为外部功源。 工质在传递推动功时工质在传递推动功时只是单纯地传递能量，只是单纯地传递能量，像传输带一样，像传输带一样，能量的能量的形态不发生变化形态不发生变化。Flow work推动功（推动功（推进功推进功）pApVl W推推 = p A l = pV w推推= pv注意：注意： 不是不是 pdv v 没有变化没有变化流动功（流动功（推动功之差推动功之差） 工质在流动时，总是从后面获得推动功，工质在流动时，总是从后面获得推动功，而对前面作出推动功，进出系统的推动功之而对前面作出推动功，进出系

15、统的推动功之差称为流动功（也是系统为维持工质流动所差称为流动功（也是系统为维持工质流动所需的功）。需的功）。)()(11221122pvvpvpwpVVpVpWff1 1、与宏观与宏观流动流动状态状态有关有关2 2、作用过程中，工质仅发生作用过程中，工质仅发生位置位置变化，无状态变化，无状态变化变化3 3、w w推推pvpv与所处状态有关，是与所处状态有关，是状态量状态量4 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界做出，流动工质所起，而由外界做出，流动工质所携带的能量携带的能量 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout2

16、12inc212outc Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv minpvout Q + min(u + pv+c2/2 + gz)in - Wnet - mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv工程上常用工程上常用流率流率0limQQ0limmm0limWW2cvout2innetind/2/2outQEupvcgzmupvcgzmW当有多条进出口：当有多条进出口：netcv2outout2inind/2/2QEWupvcgzmupvcgzm流动时，总一起存在流动时，总一起存在定义

17、：定义：焓焓 h = u + pvnetcv2outout2inind/2/2QEWupvcgzmupvcgzmhh开口系能量方程开口系能量方程 定义：定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 1、焓焓是状态量是状态量 state property2、H为广延参数为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh h为比参数为比参数3、对流动工质，对流动工质，焓焓代表能量代表能量(内能内能+推进功推进功) 对静止工质，对静止工质，焓焓不代表不代表能量能量，仅表示一种状态参数仅表示一种状态参数4 4、物理意义：开口系中随工质物理意义：开口系中随工质流动而携带流动而携带的

18、、取决的、取决 于热力状态的于热力状态的能量能量。 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc稳定流动条件稳定流动条件1、outinmmm2、QConst3、netsWConstW轴功轴功Shaft work每截面状态不变每截面状态不变4、,/0C VdEEnergy balance for steady-flow systemsoutinmmmQConstnetsWConstW,/0C VdEnetcv2outout2inind/2/2QEWhcgzmhcgzm稳定流动条件稳定流动条件0mmsW22soutin22ccQmhgzhgzWQmqss

19、Wmw1kg工质工质22soutin22ccqhgzhgzw2s12qhcg zw 2s12qhcg zw 适用条件：适用条件：任何流动工质任何流动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程Energy balance for steady-flow systems动能动能工程技术上可以直接利用工程技术上可以直接利用轴功轴功机械能机械能2f12sQHm cmg zW 2f12sqhcgzw 位能位能tWtwtQm hW tqhw wsq稳流开口系稳流开口系tqhw quw 闭口系闭口系(1kg)容积变化功容积变化功等价等价技术功技术功tqhw 容积变化功容积变化功w技术功技术功wtquw 闭口闭口稳

20、流开口稳流开口等价等价轴功轴功ws推进功推进功 (pv)几种功的关系？几种功的关系？2t12swcg zw t()tqhwupvw quw ()twpvw wwt(pv) c2/2wsgz做功的根源做功的根源ws()tpdvd pvw()twpvw ()twd pvw准静态准静态()()twpdvd pvpdvpdvvdpvdp twvdp 准静态准静态qdupdvqdhvdp热一律解析式之一热一律解析式之一热一律解析式之二热一律解析式之二twvdp 1 12 2ddv pp vp vp vt1 12 2wwp vp vt()wwpv121ba12341 140 1a 230 2b2、开口系，

21、开口系，系统系统与与外界交换的功为外界交换的功为轴功轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统闭口系，系统与与外界交换的功为外界交换的功为容积变化功容积变化功wws wts22/wzgchq热力学问题经常可忽略动、位能变化热力学问题经常可忽略动、位能变化例：例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kgz1 = 0 m z2 = 30 mg ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg1bar下下, 0 oC水的水的 h1 = 84 kJ/kg100 oC水蒸气水蒸气的的 h2 = 267

22、6 kJ/kgsqhw 火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 燃气轮机燃气轮机蒸汽轮机蒸汽轮机Steam turbineGas turbinesqhw 1) 体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0ws = -h = h1 - h20输出的轴功是靠焓降转变的输出的轴功是靠焓降转变的火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机压气机水泵水泵制冷制冷空调空调压缩机压缩机sqhw 1) 体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0ws = -h = h1 - h20输入的轴功转变为焓升输入

23、的轴功转变为焓升火力发电：火力发电： 锅炉、凝汽器锅炉、凝汽器核电：核电：热交换器、凝汽器热交换器、凝汽器制冷制冷空调空调蒸发器、冷凝器蒸发器、冷凝器热流体放热量：热流体放热量：没有作功部件没有作功部件sqhw 热流体热流体冷流体冷流体h1h2s0w 21qhhh h1h2210qhhh 冷流体吸热量：冷流体吸热量：210qhhh 焓变焓变管道阀门管道阀门制冷制冷空调空调膨胀阀、毛细管膨胀阀、毛细管绝热节流过程，绝热节流过程，前后前后h不变不变，但，但h不是处处相等不是处处相等h1h2sqhw 没有作功部件没有作功部件s0w 绝热绝热0q 0h 12hh绝热节流是等焓过程？绝热节流是等焓过程？

24、火力发电火力发电蒸汽轮机静叶蒸汽轮机静叶核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机静叶压气机静叶Nozzles and Diffusers 喷管目的：喷管目的： 压力降低，速度提高压力降低，速度提高扩压管目的：扩压管目的：动能与焓变相互转换动能与焓变相互转换速度降低，压力升高速度降低，压力升高动能参与转换，不能忽略动能参与转换，不能忽略s0w 0q s22/wzgchq0g z 212ch 1、本质：本质：能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律=进入进入系统系统的的能量能量离开离开系统系统的的能量能量系统系统内部储存内部储存能量能量的的变化变化-2outcvout2innetind/2/2QE