《工程热力学》 课件第0-2章 绪论、基本概念、热力学第一定律

绪论一、热能及其利用1、热能能源：为人类生产与日常生活提供各种能量和动力的物质资源。（自然界中已经发现可资利用的能源？）热能：组成物质的大量分子作杂乱而不规则运动所具有的能量（无序能）。从自然界获得的能源主要是热能。如：燃料→煤、油、气等太阳、地热、原子裂变与聚变产生的能风力、水力产生的能→热能→机械能。1一、热能及其利用2、热能利用的基本形式热利用（直接利用）：如，冶金、化工、烘干、供暖等。动力利用（间接利用）：将热能转换成其它形式的能量加以利用

。如，电厂、飞机、船舶、火车等。3、国家能源政策介绍提高能源的有效利用率；减少对自然环境的破环和污染；开发新能源。2绪论二、热力学发展简史1、热力学(Thermodynamaics)

热力学是研究各种形式的能量、能量相互转换及其与物质性质之间关系的科学。2、发展总模式实践→理论→新实践→新理论（产生→发展）3没有学过大学物理的人不了解热力学定律，因此第二类永动机不容易识破，比较有欺骗性。第一台这样的永动机是1881年约翰·嘎姆吉（JohnGamgee）为美国海军设计的“零发动机”，设想让汽缸内的液氨从海水中吸收热量汽化产生蒸气推动活塞，氨蒸气冷却后又凝结成液氨，如此循环往复。这台机器从未能完成一个循环（因为氨蒸气不可能自动冷却凝结成液体），但是嘎姆吉还是设法把它卖给了美国海军，美国海军部长还拿去展示给美国总统看。中国，王洪成，黄维也是永动机的热心者。阿基米得螺旋永动机

马尔基斯永动机第一类永动机4阶段时期实际发明实际应用理论发展初始阶段18世纪初期原始蒸汽机-抽水机（英国）水利灌溉19世纪初期蒸汽机机车和船舶1824年：卡诺定理与卡诺循环（热能变机械能的条件）；1840-1851年：迈耶、焦尔等建立了热力学第一定律；1850-1851年：克劳修斯和汤姆逊先后提出了热力学第二定律。快速发展阶段19世纪末期汽轮机内燃机电厂交通动力机蒸汽、气体性质及其低速流动。内燃机热力过程、热力循环既提高热效率20世纪中后期燃气轮机喷气发动机联合发电飞机、火箭燃气-正气联合循环喷管及气体高速流动近代发展阶段近20-30年燃料电池（化学能→电能）温差电池（热能→电能）磁流体发电(热能→电能）新能源开发(太阳能、地热)能量直接转化技术节能装置和设备化学热力学新循环、新工质5绪论三、工程热力学的研究对象及主要内容工程热力学主要研究热能与机械能之间相互转换的规律。主要目的在于建立热机理论。2.研究对象

在各种能量转换装置中，通过研究工质的性质以及工质状态的变化所实现的能量转换规律，找出提高能量转换效率的途径。能量转换装置（工程对象）热能动力装置：实现将热能转换成机械能、为人类提供动力的装置。制冷装置：消耗热能或机械能、将热从低温移向高温的装置。6物质整体作规则运动所具有的能量，也称有序能。

为了使热能动力装置更有效地实现热能向机械能的转换、使制冷装置更有效地实现热能从低温向高温的输运，必须充分掌握有关能量及其相互转换规律的知识——工程热力学的知识。

7主要内容：

1）基本概念与基本定律：热能和机械能之间相互转换的客观规律。

2）工质的热力性质。

3）各种能量转换装置的工作过程和工作循环分析。最终目的：找出提高能量转换效率的途径。

8绪论三、工程热力学的研究对象及主要内容3、课程主要内容（四部分）基本概念：如热力系、平衡状态、过程、循环等。基本定律：热力学第一、二定律，卡诺定理等。工质性质：工质是实现能量转换的媒介。理想气体、水蒸汽、湿空气等。工程应用：压缩机、蒸汽动力循环、气体动力循环、制冷循环等9绪论四、热力学的研究方法

1、宏观方法：视物质为连续体，用宏观物理量来描述它大量出现的现象中普遍、基本、系统的规律演绎、推论指导意义的结论高度的可靠性和普遍性10绪论四、热力学的研究方法

2、微观方法构成---把物质看成是由大量粒子构成；依据---应用力学定律说明分子的运动，用统计方法得出分子的平均性质；揭示---现象的本质及内在原因，称为统计热力学。特点---数学模型复杂；结果过不准，修正于实际工程；能透彻解释现象的本质。3、宏观方法与微观方法是有本质的区别对于相同的研究对象时，应获得一致的结论。如，压力。工程热力学主要以宏观的方法为主导。11绪论五、学习工程热力学的一般方法1、抓住课程主线热能转换成机械能的规律方法、提高热效率以及热能利用的经济性。理论与应用有机结合。2、宏观方法中突出模化方法研究具体问题3、重视在作业和练习中计算能力及解决问题能力培养模型化方法定义：采用抽象、概括、理想化和简化的方法建立起模型。举例：空气可以理想化为理想气体---工质模型化；汽轮机可以视为决热膨胀作功---过程模型化（绝热）、边界模型化（入出口和壳体）。12第一章基本概念BasicConceptsandDefinition本章主要内容：工质、热力系统；热力状态及其基本状态参数；平衡状态、状态方程式、坐标图；准平衡过程、可逆过程；功、热量;热力循环、正向循环、逆向循环。一、热能动力装置(Thermalpowerplant)定义从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。2.分类内燃机(internalcombustiongasengine)燃气轮机动力装置(gasturbinepowerplant)蒸汽动力装置(steampowerplant)……喷气动力装置(jetpowerplant)1-1热能和机械能相互转换过程energyconversiontypicalexamples3.典型举例(制冷装置的特殊性)

吸热、膨胀逆行内燃机：送燃料（油+空气）────→作功────→排气蒸汽动力装置:送燃料→燃烧(放热)→过热蒸汽(吸热)→作功(汽体膨胀)↑←──送回锅炉←──冷凝水←────↓能量转换的媒介---工质（燃气、蒸汽）。膨胀性---作功。双热源---吸热、放热。4.动力装置的普遍规律二、工质(workingsubstance;workingmedium)定义在能量转换装置中，实现热能和机械能相互转化的媒介物质2.对工质的要求1）膨胀性；2）流动性；3）热容量；4）稳定性，安全性；5）对环境友善；6）价廉，易大量获取。物质三态中气态最适宜。三、热源(heatsource;heatreservoir)定义工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。2.分类高温热源（热源—

heatsource

）---低温热源（冷源—heatsink）恒温热源(constantheatreservoir)---变温热源（variationalheatreservoir）1-2热力系统(thermodynamicsystem)1、热力系统的定义热力系统(热力系、系统)---system：人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统；人为分离出来的研究对象。外界--surrounding

：与体系发生质、能交换的物系。边界--boundary：系统与外界的分界面（线）。边界面特征：真假性---边界面可以是真可以是假；动静性---边界面可以是运动的也可以是静止的；多变性---边界面尺寸和形状可以变化。热力系统选取的人为性：锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器只交换质量只交换热量既交换质量也交换热量2.热力系统分类以系统与外界关系划分：

有无是否传质开口系闭口系是否传热非绝热系绝热系是否传热、质非孤立系孤立系1234mQW1

开口系非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2

闭口系1+2+3

绝热闭口系1+2+3+4

孤立系4.热力系统示例图刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝。红线内——闭口绝热系黄线内不包含电热丝——闭口系黄线内包含电热丝——闭口绝热系蓝线内——孤立系1-3工质的热力学状态及其基本状态参数(Stateandstateproperties)一、状态与状态参数的描述1.热力学状态—stateofthermodynamicsystem—系统工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况，称为工质的热力学状态，简称状态。2.状态参数—stateproperties—用来描述系统所呈现的物理状况的物理量。1）状态参数是宏观量，是大量粒子的平均效应，只有工质处于平衡状态才有状态参数，系统有多个状态参数，如2）状态参数的特性

状态参数—状态的单值函数：状态一定，状态参数一定；反之状态参数一定，所描述的状态一定；

状态参数的变化与过程无关：状态参数的变化，仅与状态变化过程的起始状态和终了状态有关，与变化过程无关；其变化量等于起始状态和终了状态参数的差值；工质完成一个循环（封闭过程）时，状态参数变化量为零。状态参数的积分特征

状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。数学上：点函数、态函数pointfunction1

2ab例：温度变化山高度变化←3）状态参数分类：

强度参数(Intensiveproperties

)：与物质的量无关的参数。如压力

p、温度T广延参数(Extensiveproperties

)：与物质的量有关的参数

可加性。如质量m、容积

V、内能

U、焓

H、熵S。比参数：比容比内能比焓比熵单位：/kg/kmol

具有强度参数的性质。强度参数与广延参数速度动能高度

位能

内能温度应力摩尔数（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）Velocity

KineticEnergyHeight

PotentialEnergyTemperature

InternalEnergyStressMol二、基本状态参数(Basicstateproperties)压力

p、温度T、比容v（容易测量）1、压力p(pressure)

物理中压强，单位:Pa(Pascal),N/m21）常用单位Units：

1kPa=103Pa1bar=105Pa

1MPa=106Pa

1atm=760mmHg=1.013

105

Pa

1mmHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665

104

Pa2）压力p测量绝对压力与环境压力的相对值—相对压力（表压、真空度）注意：只有绝对压力p才是状态参数。U-tubemanometerBourdonTube绝对压力与相对压力当p

>pb表压力pe当p

<pb真空度pvpbpeppvprelativepressureabsolutepressureGagepressureVacuumpressure温度的热力学定义？热力学第零定律（R.W.Fowlerin1931）

如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。温度测量的理论基础B温度计2、温度T(Temperature)传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量。温度的热力学定义

处于同一热平衡状态的各个热力系统，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量

温度。

温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。Temperaturemeasurement温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度Scale温标TemperaturescaleReferencestate3）温标(Temperaturescale)

热力学温标（绝对温标）Kelvinscale

（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）

摄氏温标Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）

华氏温标Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)

朗肯温标Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)常用温标之间的关系绝对K摄氏℃

华氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点559.67朗肯R温标的换算3、比容v(specificvolume)[m3/kg]工质聚集的疏密程度，物理上常用密度density

[kg/m3]。重度与密度关系：1-4平衡状态、状态方程式、坐标图一、平衡状态（Equilibriumstate）1.定义：

在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。2.平衡的类型(ManytypesofEquilibrium)热平衡Thermalequilibrium:

力平衡Mechanicalequilibrium相平衡Phaseequilibrium化学平衡Chemicalequilibrium

1）热平衡若热力系统内部的温度各部分均匀一致且等于外界的温度，则此热力系统处于热平衡。

温差

Temperaturedifferential热不平衡势Unbalancedpotentials2）力平衡若热力系统内部无不平衡的力且作用在边界上的力和外力相平衡，则此热力系统即处于力平衡。压差

Pressuredifferential力不平衡势Unbalancedpotentials3）化学平衡4）相平衡Phaseequilibrium:不平衡的动力：相不平衡势Unbalancedpotentials平衡的本质：不存在不平衡势。Inanequilibriumstatetherearenounbalancedpotentials.3.平衡Equilibrium与稳定Steady稳定：参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定。二、状态方程式（Equationofstate）平衡状态可用一组状态参数描述其状态独立状态参数想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？状态方程式2）定义：基本状态参数（p,v,T)之间的关系。1）纯物质：各部分组成均匀、化学成分恒定不变的物质称为纯物质。状态方程的具体形式：取决于工质的性质理想气体的状态方程(Ideal-GasEquationofState)三、状态参数坐标图(diagramofstateproperties)简单可压缩系统N=2，平面坐标图pv1）系统任何平衡态可表示在坐标图上；说明：2）过程线中任意一点为平衡态；常见p-v图、T-s图和h-s图213）不平衡态无法在图上用实线表示。1-5工质的状态变化过程1.定义系统从一个状态出发，经历一系列中间状态变化到另一状态，系统所经历的所有中间状态的综合，称为热力过程。一、热力过程2.应用热力过程中，热力系与外界常伴有功和热的交换，要研究功和热的总结果只需分析两端状态；要研究功和热的过程（损失）变化，则需剖析不同的具体过程。二、准平衡（静态）过程(quasi-static,orquasi-equilibrium)1.准平衡（静态）过程引入平衡状态状态不变化能量不能转换非平衡状态无法简单描述热力学引入准平衡（静态）过程恩格斯指出：“只有微分学才能使自然科学有可能用数学来不仅仅表明状态，并且也表明过程：运动。”1）一般过程Processp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最终p2

=p0T2

=T0p12..V2）准静态过程Quasi-staticprocessp1

=p0+重物p，Tp0T1=T0假如重物有无限多层，每次只去掉无限薄一层，系统随时接近于平衡态。pv12...3）准静态过程实际意义既是平衡，又是变化。既可以用状态参数描述，又可进行热功转换。疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）>>Relaxationtime有足够时间恢复新平衡

准静态过程准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机2000转/分曲柄2冲程/转，0.15米/冲程活塞运动速度=2000

2

0.15/60=10m/s压力波恢复平衡速度（声速）350m/s破坏平衡所需时间（外部作用时间）>>恢复平衡所需时间（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程。具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”2.准平衡过程定义由无限接近平衡状态的状态组成的过程称为准平衡过程。3.准平衡与平衡态的区别平衡态△p=0,△T=0；准平衡△p→0,△T→0；4.准平衡过程特征

1）平衡态的破坏离平衡态非常近；

2）破坏平衡态的速度远远小于工质内部分子运动的速度。三、可逆过程和不可逆过程(ReversibleProcessandirreversibleProcess)1.可逆过程对于一个系统，当它发生一个过程，可以逆向运行，系统和外界与原来初态比较都不发生任何变化，称此过程为可逆过程。系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。1）定义2）实例FPαf非准静态过程—nonequilibriumprocess准静态过程，不可逆。准静态过程，可逆。3）可逆过程特点：工质和外界恒处于平衡状态，且无任何摩擦现象；过程进行无限缓慢；变化过程中，无任何能量的不可逆损失，或者无任何耗散效应。准静态过程+无耗散效应=可逆过程无不平衡势差通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）耗散效应Dissipativeeffect2.不可逆过程1）定义除了可逆过程以外的热力过程。在工程实际中的过程都是不可逆过程，只是有些我们可以近似简化成可逆过程。

不平衡势差

不可逆根源耗散效应

irreversibility2）不可逆根源Heattransfer3）常见的不可逆过程

Frequentlyencounteredirreversibilities不等温传热T1T2T1>T2Q节流过程

(阀门）p1p2p1>p2Throttler混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★自由膨胀真空••••••••••••其它不可逆过程：如摩擦、燃烧、爆炸、电流能量损失等。3.准静态过程与可逆过程区别准静态过程：工质内部平衡过程，外部可以不平衡。可逆过程：工质内部，工质与外界处于平衡状态，且无摩擦。可逆过程必然是准静态过程，而准静态过程却不一定是可逆过程。或者说：可逆的一个条件是准静态过程；另一个条件是“无耗散效应”。可逆过程的实质：过程中能量耗损=0，理论上由热变功应为最大（MAX），而在需功过程中，输入功为最小（Min）。相反，不可逆总是降低工程的效率。准静态及可逆过程均可以在坐标图中表示和分析。1-6过程功和热量(Work,HeatandEntropy)一、功1.功的定义热力学定义1：当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。热力学定义2：功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。力学定义：力

在力方向上的位移。2.容积功定义由于工质容积的变化而与外界交换的功叫做容积功。它包括膨胀功和压缩功，均可以表示为注意：1）只要有热能与机械能间转换，则一定存在膨胀功和压缩功；2）容积功适用于封闭热力系，也适用于开口热力系。原因在于

3.可逆过程中功的导出取1kg工质，过程1-2所做的功：

取mkg工质，过程1-2所做的功：

容积变化功在p-v图上的表示。4.有用功(usefulwork)概念其中

W—膨胀功(compression/expansion)；

Wl—摩擦耗功；

Wp=排斥大气功pbf5.不可逆过程功的计算?6.关于功的讨论功不是状态参数，而是过程函数。容积功是一种边界效应，是通过边界的一种能量交换。工质膨胀对外界做功（膨胀功）为正，压缩工质所消耗的功（压缩功）为负。容积功既适用于封闭热力系也适用于开口热力系。二、热量1.热量定义依靠温差而传递的能量称为传热量，简称热量。[能量：是物质运动的量度，它表明物质运动的形式和运动的激烈程度。][热能：是组成物质的大量分子、原子做杂乱而不规则运动所具有的能量，也称为无序能。][机械能：是物质整体做规则运动所具有的能量，也称为有序能。]热量单位：

2.热量的特点热量是热传递过程中，物质内部热能改变的量度。热量是系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。热量是过程函数，而不是状态参数。在相同的初、终状态条件下，定压过程所加的热量比定容过程多（因为定压过程还要额外做膨胀功）。传入热力系的热量为正值，传出热力系的热量为负值。3.熵和温熵图1）功和热量对比引出熵功和热量是能量传递的两种形式；功---由压差的作用而传递的能量，热量---有温差的作用而传递的能量；在可逆过程中：热力系与外界交换的功量为，即或；在可逆过程中：热力系与外界交换的热量为，即；因此，引入新的状态参数s，它的改变标志有传热。2）示功图与示热图对比pVWTSQ

示功图温熵(示热)图3）T-S图分析热力系熵增，表示对工质加热，过程曲线向右延伸；热力系熵减，表示工质对外界放热，过程曲线向左延伸；热力系熵变等于零，表示热力系与外界无热量交换，即绝热。热和功都是瞬变现象。热和功都是边界现象。热和功都是过程函数。热和功的符号定义不同。热和功的传递动力不同。功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志。4.热和功的比较功和热的本质不同。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量。1-7热力循环-Cycle要实现连续作功，必须构成循环。1.定义热力系统由初始状态出发，经历一系列中间状态后，返回到初始状态所完成的一个封闭的热力过程，称为热力循环。2.循环和过程Cycleandprocess循环由过程构成不可逆循环可逆过程不可逆循环可逆循环1234PvTs1234可逆循环和内可逆循环

可逆循环：由可逆过程组成的循环，不存在任何耗散现象。

内可逆循环：仅在系统工质与热源之间存在温差传热，不存在其他耗散现象。循环净功和循环净热量

循环净功：构成循环的各过程功的代数和，P-V图循环曲线所围的面积表示循环净功的大小。

循环净热量：构成循环的各过程热量的代数和，T-S图循环曲线所围的面积表示循环净热量的大小。3.正向循环pVTS净效应：对外作功净效应：吸热顺时针方向2112动力循环Powercycle4.逆向循环pVTS净效应：对内作功净效应：放热逆时针方向2112制冷循环Refrigerationcycle5.热力循环的评价指标正循环：净效应（对外作功，吸热）WT1Q1Q2T2动力循环：热效率逆循环：净效应（对内作功，放热）WT0Q1Q2T2制冷循环：制冷系数制热循环：制热（供暖）系数第一章思考题与习题

思考题：1-1，1-2，1-3，1-4，1-7，1-11，1-12，1-13，1-14，1-15

习题：1-7，1-16，1-22，1-23第一章完

EndofChapterone第二章

热力学第一定律HeatisEnergyTemperatureofthewaterrisesifeither:heatisaddedworkisdoneSinceworkisenergy,heatmustbeenergyaswell实质：能量守恒及转换定律在热现象中的应用

18世纪初，工业革命，热效率只有1%

1842年，J.R.Mayer阐述热力学第一定律，但没有引起重视

1840-1849年，Joule用多种实验的一致性证明热力学第一定律，于1850年发表并得到公认§2-1热力学第一定律的实质热力学第一定律的普遍表达式进入系统的能量

-离开系统的能量

=系统中储存能量的增加适用于任何过程任何热力系第一定律的表述：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。闭口系循环的热力学第一定律表达式要想得到功，必须花费热能或其它能量

热力学第一定律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”内动能（分子平移，旋转，振动）内位能（分子间作用力）化学能（维持一定的分子结构）原子能（原子核内部）§2-2热力学能和总能热力学能的组成：如果无化学反应，无核反应，热力学能＝内动能＋内位能物质内部拥有的能量称为热力学能，即由系统热力状态确定的系统本身的能量。热力学能的导出（I）任一闭口热力系统的循环热力学能的导出（II）对于循环1a2c1对于循环1b2c1状态参数（dU）pV12abc热力学能U的物理意义dU

=

Q

-

W

W

QdU代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。U

代表储存于系统内部的能量

内储存能（内能、热力学能）热力学能及闭口系热力学第一定律表达式定义

dU=

Q

-

W

热力学能U

——

状态函数

Q

=

dU

+

WQ

=

U

+

W闭口系热力学第一定律表达式！！！两种特例

Q

=

dU

绝热系绝功系

W

=-

dU热力学能的性质分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）核能化学能热力学能

热力学能是状态参数

U:

广延参数

[kJ]

u:

比参数

[kJ/kg]

热力学能总以相对量出现，热力学能零点人为定说明：系统总能外部储存能宏观动能Ek=mc2/2机械能系统总能E=

U

+

Ek

+Epe=

u

+ek+

ep宏观位能Ep=mgz用比参数表示的系统总能§2-3能量的传递和转化一、能量传递的两种方式■作功伴随着能量形态的变化物体的宏观位移特点TheareaunderthecurveistheworkTheworkdependsontheprocesspath作功的说明“作功”是系统与外界间的一种相互作用，是越过系统边界的能量交换。功是指作功过程中在传递着的能量的总称，过程一旦结束就再无所谓功。机械能与机械功、电能与电功等同吗？

系统可以拥有电能，机械能，但决不会拥有电功、机械功之类的功。功只不过是特定条件下在过程中传递着的能量。系统是否作功应以过程在外界所引起的效果来判断，而不应从系统的内部去寻找依据，对系统的内部来说无所谓“功”。功是有序能量传递。系统与外界之间的另一种相互作用，是系统与外界之间依靠温差进行的一种能量传递现象，所传递的能量称为热量。传热热量符号规定：

系统从外界吸热为正；向外界放热为负热能和热量不是同一个概念温差虽然是传热过程的推动势差，但是系统温度的变化与传热并无必然的联系。温度变化说明系统的状态有了变化但不能由此判断出系统是否曾经吸热或放热热能是微观粒子无序紊乱运动的能量热量符号规定：系统从外界吸热为正；向外界放热为负not传热FlowWorkIttakesworktopushafluidintoasystemIttakesworktopushafluidoutofasystemF=PAWflow=FL=PAL=PV推动功的表达式推进功、推出功Adl

W推进=

Pin

Ain

dl

=

PinVin

w推进=

pinvin注意：不是

pdv

v没有变化pin同理

W推出=

Pout

Vout

w推出=

poutvout流动功的定义流动功定义为开口系统的推出功与推进功之差

是系统为维持工质流动所需的功

对推动功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，推动功不存在2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、w推＝pv与所处状态有关，是状态量4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界做出，流动工质所携带的能量可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统时所携带和所传递的一种能量§2-4焓（Enthalpy)

定义：h

=

u

+

pv

[kJ/kg]H

=

U

+

pV

[kJ]1、焓是状态量（以相对值给定）2、H为广延参数

H=U+pV=

m(u+pv)=mh

h为比参数3、对流动工质，焓代表能量(内能+推动功)

对静止工质，焓不代表能量4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决

于热力状态的能量。§2-5热力学第一定律的基本能量方程式热力学第一定律:能量守恒与转换定律进入系统的能量

-

离开系统的能量

=系统内部储存能量的增加热力学第一定律的文字表达式: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EE+dE流入：流出：内部贮能的增量：dEEE+dE或

对闭口系，

忽略宏观动能Uk和位能Up，可得：第一定律第一解析式—

热功的基本表达式闭口系能量方程

W

Q

Q

=dU

+

W(输入)（贮增）（输出）

Q

=

U

+

W

q

=

du

+

w

q

=

u

+

w单位工质适用条件：1）任何工质2)任何过程闭口系能量方程中的功功（

w）

是广义功

闭口系与外界交换的功量

q

=du

+

w准静态容积变化功

pdv拉伸功

w拉伸=-

dl表面张力功

w表面张力=-

dA

w

=

pdv

-

dl

-

dA

+…...热力学第一定律解析式之一简单可压缩物质控制质量可逆过程能量方程简单可压缩系的可逆过程仅存在容积功

w=pdv简单可压缩系可逆过程

q=Tds

q

=

du

+

pdv

q

=

u

+

pdvTds=du+pdv

Tds=

u+pdv热力学恒等式讨论：2）对于可逆过程3）对于循环4）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W的“+”，“–”，大小。1）任何工质，任何过程。例自由膨胀如图，抽去隔板，求解：取气体为热力系

—闭口系？开口系？?强调：功是通过边界传递的能量。归纳热力学解题思路1）取好热力系2）计算初、终态

3）两种解题思路从目标反过来缺什么补什么从已知条件逐步推向目标4）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手【例2-1】

如图所示，闭口系内的一定量气体由状态1经1a2变化至状态2，吸热70kJ，同时对外做功25kJ，试问：（1）工质若由1经1b2变化到2时，吸热为90kJ，则对外做功是多少？（2）若外界对气体做功30kJ，迫使它从状态2经2c1返回到状态1，则此返回过程是吸热过程还是放热过程？其值为多少？【例2-1】解

（1）热力系经历1a2过程后，吸热Q=70kJ，对外做功W=25kJ，

因热力学能是状态参数，其变化量只与工质的初、终态有关。所以

已知热力系经历1b2过程后，吸热Q=90kJ，则【例2-1】（2）热力系由2变化到1，其热力学能的变化量

外界对气体做功

热量为负值，表示该过程为放热过程。

§2-6开口系统能量方程式推导原则能量守恒原则进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能量的变化问题的简化：假定控制容积形状、大小、空间位置均不随时间改变。——因而统计系统的总能时，不考虑系统整体的外观能量，但要计及流体的流动动能，重力位能以及热力学能。系统除与外界有物质流交换，在没有质量流穿越的边界上还可以有传热和作功的相互作用。——虽然假定系统边界不能移动，但是系统可以通过转轮转轴与外界交换轴功。——系统进出口界面上没有热量和功的交换。假定进、出口截面上存在局部平衡。——可以用流体在进入或离开系统的状态参数作为流体在进、出口界面的参数。假定流动为一元流动——仅在沿流动的方向上才有参数的变化。开口系能量方程推导

Wi

Q

min

moutuinuoutgzingzout能量守恒原则进入系统的能量

-离开系统的能量

=系统储存能量的变化推动功的引入

Q

+

min(u

+

c2/2

+gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wi

=

dEcv这个结果与实验不符少了推动功

Wi

Q

min

moutuinuoutgzingzout开口系能量方程

Q

+

min(u

+

c2/2+gz)in-

mout(u

+

c2/2+gz)out

-

Wi

=

dEcv

Wi

Qpvin

moutuinuoutgzingzout

minpvout开口系能量方程微分式

Q

+

min(u

+

pv+c2/2+gz)in-

Wi

-

mout(u

+

pv+c2/2+gz)out

=

dEcv工程上常用流率(单位时间内某一量的值的大小）开口系能量方程微分式(Cont.)当有多条进出口：流动时，总一起存在焓的引入定义：焓

h

=u

+

pvhh开口系能量方程稳定流动能量方程SteadyStateSteadyFlow(SSSF)稳定流动的定义若工质流动过程中，开口系统中（包括进、出口截面上）各点工质的热力学状态及流动情况（流速、流向）不随时间变化时，则称系统处于稳定流动过程。1、系统各截面状态参数不随时间变化2、系统与外界的能量交换不随时间变化3、系统自身能量贮存与质量贮存不随时间变化稳定流动条件1、2、3、轴功Shaftwork每截面状态不变4、

min

Wi

Q

moutuinuoutgzingzout稳定流动能量方程的推导稳定流动条件0稳定流动能量方程的推导(Cont.)1kg工质稳定流动时的能量方程稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程稳定流动能量方程分析宏观运动的机械能过程中消失的热能控制容积中的能量转换关系稳定流动能量方程分析技术功wt能量转换关系分析（I）稳流开口系闭口系两种过程中消失了的热能数量上都等于（q－u）任何情况下，热力过程造成的热变功效果只是（q－

u），即

膨胀功工质的膨胀功是热变功的根源稳流开口与闭口的能量方程容积变化功w技术功wt闭口稳流开口等价轴功ws推动功

(pv)几种功的关系？几种功的关系wwt△(pv)c2/2wsg△z做功的根源ws简单可压缩系可逆过程的技术功可逆过程简单可压缩系可逆过程热力学第一定律解析式之一热力学第一定律解析式之二技术功在示功图上的表示§2-7能量方程式的应用热力学问题经常可忽略动、位能变化例：c1=1

m/sc2=30

m/s

(c22-c12)/

2=0.449

kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=0.3kJ/kg1bar下,0

oC水的