第二章-热力学第一定律

第二章热力学第一定律第一节热力学第一定律的实质、内能第二节热力学第一定律的数学表达式第三节稳定流动能量方程的应用第一节热力学第一定律的实质、内能一、热力学第一定律的实质（一）.能量守恒定律

能量无处不在，能量转化无时不有。那么：⑴常见的能量有那些形式呢？⑵能量的转化是如何实现的？⑶能量转化遵循什么规律呢？能量形式实例机械能流动的河水、被拉开的弓、声音等电能电器设备所消耗的的能量都是电能热能热源厂、厨房、火电厂等化学能巧克力、燃料等都储存有化学能1.各种各样的能量1.汽艇在海上行驶——化学能转化为机械能2.用电照明——电能转化为光能（电磁能）3.篝火燃烧——化学能转化为热能4.原子弹爆炸——核能转化为机械能2.能量之间的转化3.能量转化与守恒定律能量转化与守恒定律

自然界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，但能够从一种形式转化为另一种形式，或者从一个（一些）物体转移到另一个（一些）物体，在转化或传递的过程中能量的总和始终保持不变。【注意】（1）.分析物理过程、求解实际问题时，对减少的某种能量，要追踪它的去向；对增加的能量，要能查寻它的来源。可以按照“总的减少量=总的增加量”列出数学方程。（2）.能源利用实际就是不同形式能量之间的转换，把不便于人们利用的能量形式转变成便于利用的形式。（二）热力学第一定律

热力学第一定律实质就是能量守恒和转换定律在热现象上的应用。

表述1：热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消灭，必产生一定量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应数量的热。

表述2：第一类永动机是造不成的FirstLawofThermodynamicsIn1843,attheageof25,JamesPrescottJouledidaseriesofcarefulexperimentstoprovetheequivalenceofheatandwork.热一定律在热力循环中的应用热力循环中工质接受的净热量应该等于工质对外界所做的净功：对于1kg工质而言例题（P18）一台柴油发动机，功率7.35kW，燃油消耗率为272.1g/(kW.h)，试求它的废气每小时所排出的热量。（柴油的发热量为43961.4kJ/kg）二、内能（internalenergy）定义：工质内部所具有的各种微观能量实质：组成物质的微观粒子所具有的能量符号：U，单位：J

或kJ主要包括：（1）内动能：物质内部的分子，原子等微观粒子不停地作热运动的热运动动能。是温度的函数。（2）内位能：由于分子间相互作用力的存在所具有的位能，与气体的比体积有关。不考虑内动能+内位能+化学能+原子核能+电磁能内动能+内位能内能（3）化学能，原子核能，电磁能。

比内能：

单位质量工质的能。符号：u；单位：J/kg

或kJ/kg。

内能是温度和比体积的函数，即取决于工质所处的状态，是状态参数。

热力学能的大小是相对的。气体工质的比内能可表示为

任何状态下系统内能的数值不可能为零。由于在工程内中只计算工质在状态变化中的内能的变化量，因此内能的零点可以人为地规定，例如，通常取0K时气体的内能为零。三、总能热力系统的储存能：储存于热力系统的能量。

（1）内部储存能———热力学能

（2）外部储存能———宏观动能，宏观位能。2.宏观位能：Ep，单位为J或kJ

3.储存能（总能）：E

，单位为J

或kJ

比储存能：e，单位为J/kg

或kJ/kg1.宏观动能：Ek

，单位为J或kJ

第二节热力学第一定律的数学表达式能量平衡方程式讨论闭口系统、稳定流动、开口系统三种系统的能量方程一、闭口系统的能量方程（energyequation）热力系统：取封闭在汽缸活塞系统中的工质假设：

气缸内有1kg工质

从外界吸热q

工质由平衡态1变化到平衡态2，

对外作功w，

忽略工质宏观动能，位能的变化推导

q–w=u=u2-u1或q=w+u对于m工质，可写为：Q=U+W对于微元过程，可写为：

以上三式都可以称为闭口系统热力学第一定律解析式意义：工质吸收的热量a:一部分用于改变工质的内能b:另一部分以机械能的形式传递给外界。适用条件：a:

可逆过程，不可逆过程b:

理想气体，实际气体c:

工质初，终态为平衡状态膨胀功的概念在状态变化过程中，由热转化为机械功的部分始终是q-△u。闭口系统工质所做的机械功也称为容积变化功或膨胀功注意能量方程中的热量、功量、内能的变化量都是代数值，根据热工转化的实际情况，可为正值、零、负值。工程上统一规定：

吸热为正、作膨胀功为正、内能增加为正

放热为负、作压缩功为负、内能减少为负使用能量方程时应注意单位的一致性。对于单位质量工质的可逆过程,

例题P21设有一定量气体在气缸内压缩，容积由1.4m3压缩到0.9m3，过程中气体压力保持常数且p=100000N/m2。又设在压缩过程中气体的内能减少12000J，求此过程中有多少热量被气体吸入或放出。二、开口系能量方程

Wnet

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Energybalanceforopensystem开口系能量方程的推导

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout

Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv这个结果与实验不符少了推进功推进功的表达式推进功（流动功、推挤功）pApVdl

W推=p

Adl=pV

w推=pv注意：

不是pdvv没有变化Flowwork对推进功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在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（泵与风机）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使所携带和所传递的一种能量开口系能量方程的推导

Wnet

Qpvin

moutuinuoutgzingzout

Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv

minpvout开口系能量方程微分式

Q+min(u+pv+c2/2+gz)in-Wnet

-mout(u+pv+c2/2+gz)out=dEcv工程上常用流率开口系能量方程微分式当有多条进出口：流动时，总一起存在焓Enthalpy的引入定义：焓h=u+pvhh开口系能量方程焓Enthalpy的说明P23

定义：h=u+pv[kJ/kg]H=U+pV[kJ]1、焓是状态量stateproperty2、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(热力学能+推进功)

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。三、稳定流动能量方程

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout稳定流动条件（P22)1、2、3、轴功Shaftwork每截面状态不变4、Energybalanceforsteady-flowsystems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1kg工质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Energybalanceforsteady-flowsystems技术功Technicalwork动能工程技术上可以直接利用轴功机械能位能单位质量工质的开口与闭口wsq稳流开口系闭口系(1kg)容积变化功等价技术功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推进功

(pv)几种功的关系？几种功的关系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws对功的小结2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功wws

wt准静态下的技术功准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之二技术功在示功图上的表示第三节稳定流动能量方程应用举例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h1=84kJ/kg100oC水蒸气的h2=2676kJ/kg例1：透平(Turbine)机械火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站燃气机蒸汽轮机Steamturbine透平(Turbine)机械1)体积不大2）流量大3）保温层q

0ws=-△h

=h1-h2>0输出的轴功是靠焓降转变的例2：压缩机械Compressor火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机水泵制冷空调压缩机火力发电装置Steampower锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器压缩机械1)体积不大2）流量大3）保温层q

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