热力学第一定律

1、F2-1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质F2-2 热力学能和总能热力学能和总能F2-3 能量的传递和转化能量的传递和转化F2-4 焓焓F2-5 热力学第一定律的基本能量方程式热力学第一定律的基本能量方程式F2-6 开口系统能量方程式开口系统能量方程式F2-7 能量方程式的应用能量方程式的应用第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律课件目录本章作业本章作业第二章第二章习题习题7、10、11、12、13、16、18、19pp. 5759第四版第四版 热力学第一定律是能量守衡定律在热力学的表述。热力学第一定律是能量守衡定律在热力学的表述。即即 “热是能的一种，机械能变热能、或热能变机械热

2、是能的一种，机械能变热能、或热能变机械能时，它们之间的比值是一定的。能时，它们之间的比值是一定的。” 或者或者 “热可以变为功，功也可以变为热。在热能和机械能之热可以变为功，功也可以变为热。在热能和机械能之间相互转换时，一定量的热消失时必产生相应量的功；消间相互转换时，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。耗一定量的功时必出现与之对应的一定量的热。” 在发现能量守恒定律的过程中，热工当量的发现（在发现能量守恒定律的过程中，热工当量的发现（焦焦耳耳等）具有重要的历史意义，但由于热量和功的单位现在等）具有重要的历史意义，但由于热量和功的单位现在已经统一为焦耳

3、（其值变为已经统一为焦耳（其值变为1），所以在计算中它已经没有），所以在计算中它已经没有必要出现了。必要出现了。 2-1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质一、热力学能一、热力学能 热力学能包括：热力学能包括： 内动能（分子热运动引起的）内动能（分子热运动引起的） 内位能（分子间的相互作用力引起的）内位能（分子间的相互作用力引起的） 化学能、核能和电磁能等。化学能、核能和电磁能等。 本课所讲的热力学能主要包括内动能和内位能。本课所讲的热力学能主要包括内动能和内位能。 热力学能用热力学能用U (u)表示，单位是焦耳表示，单位是焦耳J (J/kg)。 热力学能是个状态参数，即：热力学能是个状

4、态参数，即： ,;,ufT vufTpufp v或2-2 热力学能和总能热力学能和总能（2-1）二、总能二、总能 系统内部储存能和外部储存能的总和，即系统内部储存能和外部储存能的总和，即 热力学能与宏观运动能及位能的总和热力学能与宏观运动能及位能的总和，称作总称作总储存能，简称总能。总能储存能，简称总能。总能 E (e)、动能、动能Ek (ek)、位能位能 Ep (ep) 。它们间的关系为：。它们间的关系为： mgzmcUEEUEfpk221（2-2）gzcueeuefpk221（2-2a）一、作功和传热一、作功和传热 能量从一个物体传递到另一个物体的两能量从一个物体传递到另一个物体的两种方式

5、。做功总和物体的宏观位移有关。种方式。做功总和物体的宏观位移有关。传热就不需要有物体的宏观移动。传热就不需要有物体的宏观移动。二、推动功和流动功二、推动功和流动功 因工质在开口系统中流动而传递的功，因工质在开口系统中流动而传递的功，叫推动功（叫推动功（pv）。推动功只有在工质流动）。推动功只有在工质流动时才起作用。时才起作用。 2-3 能量的传递和转化能量的传递和转化流动功流动功 ：系统为维持工质流动系统为维持工质流动所需要的功，可定义为进出口的推所需要的功，可定义为进出口的推动功之差。如图：动功之差。如图：技术功技术功 ：开口系统技术上可资开口系统技术上可资利用的机械能之和，是膨胀功与流动利

6、用的机械能之和，是膨胀功与流动功之差。功之差。 1122vpvpwfiftwzgcvpvpww2112221fWtW图图2-1 推动功推动功（2-3）（2-4）p1,v1112 2p2,v2对于可逆过程有：对于可逆过程有：2121211122)(vdppvdpdvvpvpwwt图图22 可逆过程的技术功可逆过程的技术功（2-4a）根据上式可在根据上式可在p- -v图上表示可图上表示可逆过程的技术功，如右图中的曲边逆过程的技术功，如右图中的曲边梯形面积梯形面积 f-1-2-g-f 所示。所示。pv21fg2-4 焓焓 焓焓: : 比焓定义为：比焓定义为： 焓是一个状态参数，它可以表示成另外两个独

7、立焓是一个状态参数，它可以表示成另外两个独立 状态参数的函数，即状态参数的函数，即 hupvPVUHTpfh,vpfh,vTfh,（2-5）（2-6）（2-7）2-5 热力学第一定律的基本能量方程式热力学第一定律的基本能量方程式1.1.进入系统的能量进入系统的能量 - - 离开系统的能量离开系统的能量 = = 系统中储存能量系统中储存能量 的增加：的增加： 或或 2.2.第一定律的第一解析式的微元形式是第一定律的第一解析式的微元形式是: : 对于对于1 1kgkg工质工质, ,则有则有: : ，3.3.式中热量式中热量 ，热力学能变量，热力学能变量 和功和功 都是代数值，都是代数值， 可正可负

8、。可正可负。QUW QdUWquw qduwQUWUWQ（2-8） 如图如图2 2所示，一定量气体在气缸内体积由所示，一定量气体在气缸内体积由0.9 m3可逆（可逆（？）地膨胀到地膨胀到 1.4m3，过程中气体压力保持定值，过程中气体压力保持定值，且且 。若在此过程中气体热力学能增加若在此过程中气体热力学能增加12,000 J，试求：试求： （1）此过程中气体吸入或放出的热量。）此过程中气体吸入或放出的热量。 （2）若活塞质量为）若活塞质量为20 kg，且初始时活塞静止，求且初始时活塞静止，求 终态时活塞的速度。已知环境压力终态时活塞的速度。已知环境压力p00.1 MPa。MPap2 . 0p

9、p例例 2 -1图图2-2 例例2-1附图附图解解: （1）取气缸内的气体为一热力系统。这是闭口系统，）取气缸内的气体为一热力系统。这是闭口系统，其能量方程式为：其能量方程式为： Q = U + W由题意知：由题意知： U = U2 U1 = 12,000 J由于过程可逆，且压力为常数，故由于过程可逆，且压力为常数，故因此因此即过程中气体自外界吸热即过程中气体自外界吸热112 000 J。 （2）气体对外界作的功有两部分功用，一是用于排斥气体对外界作的功有两部分功用，一是用于排斥活塞背面的大气（活塞背面的大气（Wr），另一部分（），另一部分（Wu）转变成活塞的动）转变成活塞的动能增量。其中前者

10、为：能增量。其中前者为： JJJQJVVppdVW11200010000012000100000)(2112J 50,000 )V (Vp Vp W1200rsmmWcmWcccmWEJWpdVWWuuuruu71.7022)(250000212212221所以因为为：第二部分k例题索引例题索引2-6 开口系统能量方程式开口系统能量方程式一、开口系统能量方程开口系统能量方程考察微元过程的能量平衡考察微元过程的能量平衡进入系统的能量进入系统的能量 dE1p1dV1Q离开系统的能量离开系统的能量 dE2p2dV2Wi控制体积的储存能增量控制体积的储存能增量 dECV图图2-3 开口系统能量平衡开口

11、系统能量平衡p1 , cf1z1dV1z2Wip2 , cf22211Q控制体积控制体积CV界面界面基准线基准线dV2e1e2 式中式中 dEcv、 、qm 、Pi 分别为控制容积内总分别为控制容积内总能的增量、热流率、质流率和内部功率。能的增量、热流率、质流率和内部功率。（2-9）（2-10）iiininfjoutoutfCVWmgzchmgzchdEQ)2()2(22iiinminfjoutmoutfCVPqgzchqgzchddE,2,2)2()2(二、稳定流动能量方程二、稳定流动能量方程 若流动过程中开口系统内部及其边界上各点工质若流动过程中开口系统内部及其边界上各点工质参数（热力及运

12、动）都参数（热力及运动）都不随时间而变不随时间而变，这种流动过程，这种流动过程称为称为稳定流动过程稳定流动过程。 稳定流动能量方程可写作：稳定流动能量方程可写作： 此式即为热力学第一定律的此式即为热力学第一定律的第二解析式第二解析式。其中技术功：其中技术功： tqhw 1122vpvpwwt12212221zzgccwffi（2-11） 热力学第一定律的解析式在形式上虽有不同，热力学第一定律的解析式在形式上虽有不同，但由热功转换的实质是一致的，都是能量守恒定律但由热功转换的实质是一致的，都是能量守恒定律在热力学和热力工程上的体现。在热力学和热力工程上的体现。 从热功互换角度来看，第一解析式反映

13、出热从热功互换角度来看，第一解析式反映出热力过程中热能向机械能的转化，是各种热动力设备力过程中热能向机械能的转化，是各种热动力设备实现动力输出的理论核心，是最基本的能量方程。实现动力输出的理论核心，是最基本的能量方程。三、稳定流动能量方程式的分析三、稳定流动能量方程式的分析2-7 能量方程式的应用能量方程式的应用一、动力机一、动力机图图2-4 动力机能量平衡动力机能量平衡tiwhhw21 热力学第一定律的能量方程式在工程上应用热力学第一定律的能量方程式在工程上应用很广，而工程中的热力设备工作时多为开口系统，很广，而工程中的热力设备工作时多为开口系统，因此这里主要介绍第二解析式的应用。因此这里主

14、要介绍第二解析式的应用。h112h2wi图图2-5 压气机能量平衡压气机能量平衡二、压气机二、压气机icww qhh12twh221h1wc三、换热器三、换热器12hhq21212221hhccff四、管道四、管道h2h1q图图2-6 换热器能量平衡换热器能量平衡图图2-7 喷管能量转换喷管能量转换Cf1,h1Cf2,h2五、节流五、节流图图2-8 节流现象节流现象21hh h1h21122 已知新蒸汽流入汽轮机时的焓已知新蒸汽流入汽轮机时的焓h1=3232 kJ/kg，流速，流速 cf1=50 m/s；乏汽流出汽轮机时的乏汽流出汽轮机时的焓焓h2=2302kJ/kg，流速流速cf2=120

15、m/s。散热损失和散热损失和位能差可略去不计。试求：位能差可略去不计。试求： （1）每千克蒸汽流经汽轮机时对外界所作的）每千克蒸汽流经汽轮机时对外界所作的功。功。 （2）若蒸汽流量是）若蒸汽流量是10t/h，求汽轮机的功率。求汽轮机的功率。例例 2-2解解: 由式（由式（2-16） 根据题意，根据题意，q = 0 , z2z1=0，于是得每千克蒸汽所作的功为于是得每千克蒸汽所作的功为 其中汽轮机进出口的动能变化只有其中汽轮机进出口的动能变化只有-5.95 kJ/kg。可见：。可见：即使工质流速在百米每秒的数量级，动能的影响仍不大。即使工质流速在百米每秒的数量级，动能的影响仍不大。工质每小时作功

16、工质每小时作功 Wi = qmwi = 9.24 106 kJ/h故汽轮机功率为故汽轮机功率为iffwzzgcchhq)()(21)(12212212kgkJcchhwffi/05.924)(21)(222121kWWPi25673600例题索引例题索引 某输气管内气体的参数为某输气管内气体的参数为p1=4 MPa、t1=30 、h1=303 kJ/kg。设该气体是理想气体，它的热力学能与温度之间的设该气体是理想气体，它的热力学能与温度之间的关系为关系为u=0.72TkkJ/kg，气体常数气体常数Rg287 J/(kg K)。现将现将1m3的真空容器与输气管连接，打开阀门对容器充气，直至的真空

17、容器与输气管连接，打开阀门对容器充气，直至容器内压力达容器内压力达4 MPa为止。充气时输气管中气体参数保持不为止。充气时输气管中气体参数保持不变，问充入容器的气体量为多少千克（设气体满足状态方程变，问充入容器的气体量为多少千克（设气体满足状态方程pV=mRgT）？）？例例 2-3解解: 若取容器为热力系统，则该系统为一开口系统，可利若取容器为热力系统，则该系统为一开口系统，可利用方程式（用方程式（2-13）计算。由题意，充气过程的条件是）计算。由题意，充气过程的条件是Q = 0， wi = 0， m2 = 0 将上述条件代入式（将上述条件代入式（2-13），忽略充气的动能及位能，），忽略充气的动能及位能，并用脚标并用脚标 in 代替代替1表示进入容器的参数，于是得表示进入容器的参数，于是得dECV = hinmin 在充气过程中系统本身的宏观动能可忽略不计，因此在充气过程中系统本身的宏观动能可忽略不计，因此系统的总能即为系统的热力学能。这样，上式可写成系统的总能即为系统的热力学能。这样，上式可写成 d(mu)CV = hin