热力学第二章第一定律

1、热力学第一定律热力学第一定律 自然界中一切物质都具有能量。能量既不可能被创自然界中一切物质都具有能量。能量既不可能被创造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变成另一种造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变成另一种形式。在转换的过程中，能的总量保持不变。形式。在转换的过程中，能的总量保持不变。能量守恒定律能量守恒定律功功(W)dlFWdlspdVpWW21VVpdVPSdlP功是系统和外界交换的一种有序能。功的大小等于力乘以在力功是系统和外界交换的一种有序能。功的大小等于力乘以在力的方向上发生的位移。系统对外界做工取正值，反之取负。的方向上发生的位移。系统对外界做工取正值，反之取负。SFW功在

2、功在P PV V图上的表示图上的表示dVpWp2 p1v1dvv2vpIII作功与过程有关，功不作功与过程有关，功不是状态函数是状态函数热量热量(Q)热量是一种过程量，是系统以分子无规则运动的形式热量是一种过程量，是系统以分子无规则运动的形式（温度（温度推动）推动）与外界交换的能量，是一种无序能。系统对外界吸热与外界交换的能量，是一种无序能。系统对外界吸热为正，反之为负。为正，反之为负。TdSQ S称为熵，此式子给出了熵的称为熵，此式子给出了熵的数学定义。数学定义。热量与功的异同：热量与功的异同：1.均为通过边界传递的能量；均为通过边界传递的能量；3.功传递由压力差推动，体积变化是作功标志；功

3、传递由压力差推动，体积变化是作功标志； 热量传递由温差推动，熵变化是传热的标志；热量传递由温差推动，熵变化是传热的标志；4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量；功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量； 热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。量。功功2.均为过程量；均为过程量；热是无条件的；热是无条件的；热热功是有条件、限度的。功是有条件、限度的。系统中所有分子的热运动的能量和分子间的相互作用的势能系统中所有分子的热运动的能量和分子间的相互作用的势能的总和。的总和。热力学能热力学能(U)UUch化学能化学能Uk 平

4、移动能平移动能转动动能转动动能振动动能振动动能 Tf1UpvTf,2),(vTUU 内位能内位能Uth在无化学反应及核反应的在无化学反应及核反应的过程中，化学能和原子核过程中，化学能和原子核能均不变化，热力学能只能均不变化，热力学能只是内位能和内动能的变化是内位能和内动能的变化Unu原子核能原子核能kpkpE U EEe u ee 总能总能宏观动能宏观动能重力位能重力位能2kpf12eueeucgz比总能比总能e还可写成：还可写成：总储能总储能（E）内能内能2kf12EmcpEmgz总能和内能的关系式：总能和内能的关系式：闭口系统热力学第一定律基本表达式闭口系统热力学第一定律基本表达式对任何系

5、统，各项能量之间的平衡关系可表示为：对任何系统，各项能量之间的平衡关系可表示为：忽略系统动能和位能的变化，则：忽略系统动能和位能的变化，则：加入系统的能量总和加入系统的能量总和- -输出系统的能量总和输出系统的能量总和= =系统总系统总储能的变化储能的变化WQEWQUWdUQ对于微元过程对于微元过程热力学第一定律解析式热力学第一定律解析式注意：注意：1. 表达式中表达式中Q Q、W W、U U都是代数值，规定：系统吸热都是代数值，规定：系统吸热Q Q为正值，系统对为正值，系统对外作功外作功W W为正，反之则为负。系统的热力学能增大时，为正，反之则为负。系统的热力学能增大时， U U为正，反之为

6、正，反之为负。为负。3.对于可逆过程：对于可逆过程：21dddVpUQVpUQ2.对于单位质量工质：对于单位质量工质：wuqwuqd4.对于单位质量工质可逆过程：对于单位质量工质可逆过程：21dddvpuqvpuq5.动能位能变化不能忽略时：动能位能变化不能忽略时：00pkEE6. 6. 对于循环过程：对于循环过程：WUQd 0dUwqWQ?7.7. 热力学第一定律解析式的适用条件：热力学第一定律解析式的适用条件：QUW wuq闭口系统；闭口系统；任何工质；任何工质；任何过程任何过程开口系统能量方程开口系统能量方程 工质流进（出）开口系统时，必将其本身所具有的各种工质流进（出）开口系统时，必将

7、其本身所具有的各种形式的能量，带入（出）开口系统。因此，开口系统除了形式的能量，带入（出）开口系统。因此，开口系统除了通过作功与传热的方式传递能量外，还可以借助物质的流通过作功与传热的方式传递能量外，还可以借助物质的流动来转移能量。动来转移能量。分析开口系统时，除了能量平衡外，还必须考虑分析开口系统时，除了能量平衡外，还必须考虑质量平衡质量平衡：进入系统的质量离开系统的质量系统质量的变化进入系统的质量离开系统的质量系统质量的变化推动功推动功pApVl W推推 = p A l = pV w推推= pv 因工质出、入开口系统而传递的功，叫推动功（推推动功（推进功）进功） 。对推动功的说明对推动功的

8、说明1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推动功不存在；有关，流动停止，推动功不存在；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，变化，无状态变化；无状态变化；3 3、w推推pv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）变化引起，而由外并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界（泵与风机）做出，流动工质所界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量。携带的能量。可理解为：可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种递的一种机械功机械功，表现为流动工质进出系统时所，表现为流

9、动工质进出系统时所携携带带和所和所传递传递的一种的一种能量能量。稳定流动能量方程稳定流动能量方程稳定流动特征稳定流动特征：注意：区分各截面间参数可不同。注意：区分各截面间参数可不同。1）各截面上参数不随时间变化。各截面上参数不随时间变化。2）ECV = 0， SCV = 0， mCV = 0? 3)3)系统与外界交换的能量不随时间变化。系统与外界交换的能量不随时间变化。 设在设在时间段内有时间段内有m1千克工质流进系统，同时千克工质流进系统，同时m2千克的工质流出系统。千克的工质流出系统。mmmqqmmm2121CV0在在 时间段内进入系统的能量时间段内进入系统的能量 21f111 112Qm

10、 ucgzmp v21f111 112Qm ucgzp v在在 时间段内离开系统的能量时间段内离开系统的能量2222f222222f222121vpgzcumWvmpgzcumWii根据热力学第一定律可得根据热力学第一定律可得 ：211 1f1112Qm up vcgz令令upvh，h 称为称为比焓，单位比焓，单位J/kg。在在 时间段内系统的能量变化为：时间段内系统的能量变化为：0CVE02122f2222igzcvpumW上式可整理成上式可整理成令：令：pVUmhH，称为焓，单位，称为焓，单位J J，上式改成，上式改成对于单位质量工质，对于单位质量工质，以上两式称为以上两式称为开口系统的开

11、口系统的稳定流动能量方程。稳定流动能量方程。i12f1122f222121WgzchmgzchmQi2f21WzmgcmhmQi2f21WzmgcmHQi2f21wzgchq注意：注意：q和和wi分别是分别是1kg工质进入系统后，系统从外界吸入的工质进入系统后，系统从外界吸入的热量和在系统内部所作的功。除的热量和在系统内部所作的功。除的m不是系统的质量。不是系统的质量。对于式：对于式：对于微元过程对于微元过程 ，稳定流动能量方程写成稳定流动能量方程写成i2fdd21dWzmgcmHQi2fdd21dwzgchqi2f21wzgchq焓焓焓焓：H=U+pV ，单位：J或kJ比焓比焓：h=u+pv

12、 ，单位：J/kg或kJ/kg注意：注意：（1 1）无论对于流动工质还是不流动工质，）无论对于流动工质还是不流动工质，比焓比焓都是都是状态参数；状态参数；（2 2）对于流动工质，）对于流动工质，推动功推动功等于等于pv，比焓，比焓表示单位质量工质沿流动表示单位质量工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分 ；（3 3）对于不流动工质，不存在）对于不流动工质，不存在推动功，比焓推动功，比焓也不表示能量，仅是也不表示能量，仅是状状态参数态参数。 （4 4）工程上一般只需要计算工质经历某一过程后焓的变化量，而不是）工程上一般只需要计算工质经历某一过

13、程后焓的变化量，而不是其绝对值，所以焓值的零点可人为地规定。其绝对值，所以焓值的零点可人为地规定。 都是状态参数都是状态参数i2ft21WzmgcmW定义定义：在工程热力学中，将工程技术上可以直接在工程热力学中，将工程技术上可以直接利用的动能差、位能差及轴功三项之和称为利用的动能差、位能差及轴功三项之和称为技术功技术功，用用Wt 表示表示 对于单位质量工质对于单位质量工质 ，i2ft21wzgcw技术功技术功开口系统的稳定流动能量方程式可改写为开口系统的稳定流动能量方程式可改写为tQHW tqhw 对于微元过程对于微元过程tdWHQtdwhq可以假定质量为可以假定质量为m的工质从进口截面处的状

14、态的工质从进口截面处的状态1变化到出口截面处的状态变化到出口截面处的状态2，从外界吸收了热量，从外界吸收了热量Q, ,作作了膨胀功了膨胀功W 。根据闭口系统的热力学第一定律表达式根据闭口系统的热力学第一定律表达式quw 推动功之差膨胀功技术功i2f21wzgchq对比式：对比式：221 1wp vp v22f 2f112cci12)(wzzgt2 21 1()wwp vp v对可逆过程，对可逆过程，上式可改写为上式可改写为式中，式中，v 恒为正值，负号表示技术功的正负恒为正值，负号表示技术功的正负与与dp 相反。相反。212121112221td)d(d)(dpvpvvpvpvpvpw将上式代

15、入开口系统的稳定流动能量方程式将上式代入开口系统的稳定流动能量方程式tqhw 可得可得（适用于一般过程）（适用于一般过程）（适用于可逆过程）（适用于可逆过程）对于微元可逆过程，对于微元可逆过程，技术功的图形表示技术功的图形表示21dpvhqpvhqdd21tdpvw5. 5. 开口系统能量方程的一般表达式开口系统能量方程的一般表达式 设在微元时间段设在微元时间段d内，进入控制容积的质量为内，进入控制容积的质量为m1，离开的为，离开的为m2，吸收热量，吸收热量Q，对外作功，对外作功Wi，控制容积系统总储存能变化为控制容积系统总储存能变化为dECV。根据能量平衡方程：根据能量平衡方程：CV2f2222222f111111d)21()21(EcgzvpumWcgzvpumQi整理后得：整理后得：iWcgzhmcgzhmEQ)21()21(d2f11112f2222CV上式为开口系统能量方程的一般表达式上式为开口系统能量方程的一般表达式注意：注意：dEcv包括由于系统内质量变化和系统与外界能量交换变化而引起的变化两部分。等式两边同除以等式两边同除以d，令：，令：ii2m2m11d,d,d,dPWqmqmQ 分别表示单位时间内的热流量、进出