工程热力学：第二章-热力循环

第二章热力学第一定律FirstLawOfThermodynamics本章的基本要求深入理解热力学第一定律的实质；掌握能量、储存能、热力学能、迁移能、焓的概念及计算式；掌握体积变化功、推动功、轴功和技术功的概念及计算式；熟练掌握热力学第一定律的基本能量方程式（闭口系统和开口系统），能够正确、灵活地应用热力学第一定律表达式来分析计算工程实际中的有关问题。回顾能量守恒定律

19世纪30-40年代，迈尔·焦耳（德国医生）发现并确定了能量转换与守恒定律。恩格斯将这列为19世纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。能量转换与守恒定律指出：一切物质都具有能量。能量既不可能被创造，也不能被消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒定不变。至今为止，没有一个人提出一个事实不符合这条自然规律的，相反，在各个领域：天文、地理、生物、化学、电磁、宏观、微观各领域都遵循这条规律。热力学是研究能量及其特性的科学，它必然要遵循这条规律。一.第一定律的实质：能量守恒与转换定律在热现象中的应用。它确定了热力过程中热力系与外界进行能量交换时,各种形态能量数量上的守恒关系。二.第一定律的表述在工程热力学的范围内，主要考虑热能与机械能之间的相互转换与守恒，因此热力学第一定律可表述为:热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。或：

热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。§2–1热力学第一定律的实质热力学第一定律适用于一切热力过程，当用于分析具体问题时，需要将它表述为数学解析式。对于任何系统，各项能量之间的平衡关系可一般地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（2-1）根据热力学第一定律，为了获得机械能，则必须花费热能或其他形式能量，第一类永动机是不可能实现的。§2–2热力学能（内能）和总能分析热力过程中能量的平衡关系时，既要考虑系统本身具有的能量（储存能），也要考虑系统与外界之间所传递的能量（迁移能）。储存能取决于系统本身所处的状态；迁移能取决于系统与外界之间的相互作用。运动是物质存在的形式，能量是物质运动的量度，运动有各种不同的形式，相应的就有各种不同的能量。区别这两类能量的不同特点，有助于正确地进行各项能量的计算。1.内部储存能——热力学能(internalenergy)U内动能U内位能U化学能U原子能U电磁能平移动能转动动能振动动能分子间相互作用力U热力学能定义：与系统内部粒子的微观运动和粒子空间位形有关的能量。储存能：系统储存的能量，有内部储存能和外部储存能之分。在无化学反应及原子核反应的过程中，化学能、原子核能都不变化，可以不考虑。因此热力学能的变化只是内动能和内位能的变化。热力学能的单位：焦耳（J），U比热力学能（1kg物质的热力学能）的单位：J／kg，u据气体分子运动学说，热力学能是热力状态的单值函数。热力学能与热力状态的路径无关，是状态参数。（1）气体由状态1，经历不同的过程（1-a-2与1-b-2），到达状态2，这两个过程的热力学能的变化量相同，即（3）由于气体的热力状态可由两个独立状态参数决定，所以热力学能一定是两个独立状态参数的函数，即(2－2)（2）系统从某一状态出发，经过一系列过程，又回复到初始状态，如1-a-2-b-1，则系统的热力学能变化量等于零，即12abPv热力学能（状态参数）的特点：2.外部储存能——机械能定义：需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量。1)、宏观动能：系统作为一个整体在空间作宏观运动（相对于某参考坐标系）所具有的能量，用Ek表示。如果系统的质量为m，速度为c，则2)、重力位能：系统在外力场的作用下所具有的一定的能量。这里，只考虑重力场的作用，用Ep表示。如果系统的质量为m，系统质心在参考坐标系中的高度为Z，则3.总（储存）能(totalstoredenergyofsystem)总能内部储存能（热力学能）外部储存能（机械能）宏观动能重力位能包括内部储存能和外部储存能，用符号“E”表示。E可记为（2－3）宏观运动速度不同高度如果系统的质量为1kg，则比总能比热力学能比动能比位能若工质的质量为m，在参考系中的速度为cf,在重力场中的高度为z,则工质的总能可写成：对于1kg工质的总能，即比总能e,可表示为（2－4）（2－5）§2–3能量的传递和转化能量是状态参数，但能量在传递和转换时，则以作功和传热方式表现出来。一、作功和传热能量传递的方式作功

（总是伴随物体的宏观位移）传热（不需要物体的宏观位移）：当热源与工质接触时，接触处两个物体中杂乱运动的质点进行能量交换，结果高温物体把能量传递给低温物体。工质膨胀对活塞作功：工质的部分热力学能转化为活塞与飞轮的动能；活塞压缩工质作功：活塞与飞轮的动能转化为工质的热力学能，工质的能量增加。pbf工质与活塞分界面宏观位移热能转化为机械能的过程包括两类过程：（1）能量转换的热力学过程：由热能传递转变为工质的热力学能，然后由工质膨胀把热力学能变为机械能，转换过程中工质的热力状态发生变化，能量的形式也发生变化；（2）单纯的机械过程：由热能转换而得的机械能再变成活塞和飞轮的动能，若考虑工质本身的速度和离地面高度的变化，则还变成工质的宏观动能和位能，其余部分则通过机器轴对外输出。作功过程往往伴随着能量形态的转化：工质膨胀过程：热力学能→机械能工质压缩过程：机械能→热力学能功量和热量都是系统与外界相互作用所传递的能量，而不是系统本身所具有的能量（如热力学能、宏观动能和重力位能等），其值并不由系统的状态确定，而是与传递时所经历的具体过程有关。功量和热量不是系统的状态参数，而是与过程特征有关的过程量，称为迁移能。二、迁移能——系统与外界之间所传递的能量容积功：通过工质的容积变化而传递的机械能，包括膨胀功和压缩功，与系统的界面移动有关。注意：膨胀过程中，dv>0，w>0，系统对外界作功；压缩过程中，dv<0，w<0，外界对系统作功；三、功量热力系与外界发生功的作用有多种形式，包括容积功、推动功、流动功等。2.推动功：推动流体通过控制体界面而传递的机械功，即把工质移入具有一定压力的热力系所需克服和消耗的能量。对于开口系统进行功的计算时需要考虑这种功。右图为工质经过管道进入气缸的过程。设工质的状态参数为p,v,T,可用p-v图中C点表示，移动过程中工质的状态参数不变。工质作用在面积为A的活塞上的力为pA工质流入气缸推动活塞移动距离为△l，进入气缸的工质质量为m推动功：1kg工质的推动功为pv，如图中红色矩形面积所示。在作推动功时工质的状态没有改变，热力学能也未改变。传递给活塞的能量显然是别处传来的，譬如在后方某处有另外一个活塞在推动工质使它流动。这样的物质系称为外部功源，它与系统只交换功量。例如，对于汽轮机，蒸汽进入汽轮机所传递的推动功来源于锅炉中定压吸热汽化的水在汽化过程中的膨胀功。锅炉中不断汽化的水即是进入汽轮机蒸汽的外部功源。

的工质质量，在压力的作用下，移动了距离，则外界对工质的推动功为：11式中代表管道的截面积同理，对于水平管道部分（无活塞）：因此，推动功相当于一假想的活塞为把前方的工质推进（或推出）系统所作的功，其值为PV。工质，如蒸汽，在移动位置时总是从后向前获得推动功，而对前面作出推动功，即使没有活塞存在时也完全一样。推动功的几个特点：工质在传递推动功时没有热力状态的变化，也没有能量形态的变化。工质所起的作用只是单纯地运输能量，像传输带一样。推动功只有在工质移动位置时才起作用，此量随工质进入（或离开）系统而成为带入（或带出）系统的能量。3.流动功：工质在流动过程中，系统与外界由于物质的进出而传递的机械功，为推动功之差，用Wf

表示。如图所示，取燃气轮机为一开口系统，当1kg工质从截面1-1流入该热力系统时，工质带入系统的推动功为燃气轮机（开口系统）工质在系统中进行膨胀，由状态1到状态2，作膨胀功w。然后从截面2-2流出，带出系统的推动功为流动功：系统维持工质流动所需的功推动功之差或或1、在不考虑工质的宏观动能及位能变化时，开口系统与外界交换的功量是膨胀功与流动功之差若计及工质的动能及位能变化，则还应记入动能差及位能差。注意两点：2、热能和机械能的可逆转换总是与工质的膨胀和压缩联系在一起的工质膨胀作功实现热能向机械能的转化；摩擦、碰撞可实现机械能转化为热能，但只有对工质压缩作功的转化过程才有可能是可逆的。焓的定义：在有关热工计算中时常有U+pV出现，为了简化公式和简化计算，把它定义为焓，用符号H表示，即§2–4焓因为U、p、V都是热力系统的状态参量，可见焓也是一个表示能量的状态参数。比焓的定义：1kg工质的焓，即同理，比焓也是一个状态参数，在任意平衡状态下，u、p、

v的值是一定的，所以比焓h的值也是一定的，而与达到这一状态的路径无关。u是一个状态参数，且可以表示为

p、

v的函数，所以因此，焓也可以表示成另外两个独立状态参数的函数，即单位： 焓：J 比焓：J/kg同样还有焓的物理意义：1kg工质的热力学能（储存在1kg工质内部的能量）。1kg工质的推动功（1kg工质移动时所传输的能量）。upv工质流入热力系统比焓h由此可见，在热力设备中，工质总是不断地从一处流到另一处，随着工质的移动而转移的能量不等于热力学能而等于焓，故在热力工程的计算中焓有更广泛的应用。§2–5热力学第一定律的基本能量方程式根据热力学第一定律，系统的能量变化可表示为：加入系统的能量总和－热力系统输出的能量总和=热力系总储存能的增量(2-1)式（2－1）是系统能量平衡的基本表达式，任何系统、任何过程均可据此原则建立起平衡式。对于闭口系统：进入和离开系统的能量只包括热量和作功两项；对于开口系统：进入和离开系统的能量除热量和作功外，还有随同物质带进、带出系统的能量（因为有物质进出分界面）热力学第一定律应用于不同热力系统可得不同能量方程。一、闭口系统的基本能量方程式取气缸活塞系统中的工质为研究系统，考察其在状态变化过程中和外界（热源和机器设备）的能量交换。由于过程中没有工质越过边界，所以这是一个闭口系统。状态2状态1工质工质设系统吸入热量为Q（进入系统的能量），系统对外做功为W（离开系统的能量），若工质的宏观动能或位能的变化可忽略不计，则所研究工质系统的储存能的增加即为热力学能的增加△U=U2-U1

，U2、U1分别为系统在状态2和状态1下的热力学能。根据(2-1)式可得或(2-10)式(2-10)就是热力学第一定律应用于闭口系而得的能量方程式，热力学第一定律的解析式。它表明，加给工质的热量一部分用于增加工质的热力学能，储存于工质内部，余下的一部分以作功的方式传递至外界。对于单位工质，有对于微元过程，有或强调：式(2-10)是从能量守恒与转换的普遍原理得出，没作任何假设，因此对闭口系是普遍适应的。它适用与可逆过程和不可逆过程。对工质的性质也没有限制。讨论：

1）对于可逆过程：,则或

2）对于循环：完成一个循环后，工质恢复到原来状态，热力学能是状态参数，所以净热量等于净功量

>0，表示热源对系统加热，系统吸热

<0，表示系统向热源放热；系统放热

>0，表示系统内能增加，

<0，表示系统内能减少；

>0，表示系统对外作功，

<0，表示外界对系统作功。注意，在应用上述公式时，热量、热力学能变量和功都是代数值，可正可负。例2-1如图2-2所示，一定量气体在气缸内体积由0.9m3可逆地膨胀到1.4m3，过程中气体压力保持定值，且p=0.2MPa。若此过程中气