1、第三章第三章热力学第一定律热力学第一定律The First Law of Thermodynamics3-1 热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质 1909年，年，C. Caratheodory最后完善热一律最后完善热一律本质：本质：能量能量转换转换及及守恒守恒定律定律在热过程中的应用在热过程中的应用 18世纪初，工业革命，热效率只有世纪初，工业革命，热效率只有1% 1842年，年，J.R. Mayer阐述热一律，但没有阐述热一律，但没有 引起重视引起重视 1840-1849年年，Joule用多种实验的一致性用多种实验的一致性 证明热一律，于证明热一律，于1850年发表并得到公认年发表并得
2、到公认Conservation of energyOne of the most fundamental laws of nature“During an interaction , energy can change from one form to another but the total amount of energy remains constant”Energy cannot be created or destroyed 迈耶是历史上第一迈耶是历史上第一个提出能量守恒定律并个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。计算出热功当量的人。18451845年迈耶发表了年迈耶发表了论论有
3、机体的运动与物质代有机体的运动与物质代谢关系谢关系。18481848年将他年将他的热功理论运用到宇宙。的热功理论运用到宇宙。18511851年迈耶出版了年迈耶出版了论论热的机械当量热的机械当量。焦耳实验焦耳实验1、重物下降，输重物下降，输 入功，绝热容入功，绝热容 器内气体器内气体 T 2、绝热去掉，气绝热去掉，气 体体 T ，放出，放出 热给水，热给水，T 恢复恢复 原温。原温。焦耳实验焦耳实验水温升高可测得水温升高可测得热量热量， 重物下降可测得重物下降可测得功功热功当量热功当量1 cal = 4.1868 kJ工质经历循环工质经历循环:WQMechanical equivalent of
4、 heat闭口系循环的热一律表达式闭口系循环的热一律表达式要想得到要想得到功功，必须花费，必须花费热能热能或或其它能量其它能量热一律热一律又可表述为又可表述为“第一类永动机是第一类永动机是 不可能制成的不可能制成的”WQPerpetual motion machine of the first kindQPerpetual motion machine of the first kind锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器WnetQout电电加加热热器器3-2 3-2 热一律的推论热一律的推论热力学能热力学能WQ热力学能热力学能的导出的导出闭口系循环闭口系循环0QW The
5、rmoal energyWQ热力学能的导出热力学能的导出对于循环对于循环1a2c11 22 1()()0acQWQW对于循环对于循环1b2c11 22 1()()0bcQWQW1 21 2()()abQWQW0QW 状态参数状态参数pV12abc热力学能及闭口热力学能及闭口系热一律表达式系热一律表达式定义定义 dU = Q - W 热力学能热力学能U 状态函数状态函数 Q = dU + WQ = U + W闭口系闭口系热一律表达式热一律表达式！两种特例两种特例 绝功系绝功系 Q = dU 绝热系绝热系 W = - dU热力学能热力学能U 的的物理意义物理意义dU = Q - W W Q dU
6、代表某微元过程中系统通过边界代表某微元过程中系统通过边界交换的交换的微热量微热量与与微功量微功量两者之差值，也两者之差值，也即即系统内部能量系统内部能量的变化。的变化。 U 代表储存于系统代表储存于系统内部的能量内部的能量 内储存能内储存能（内能内能、热力学能热力学能）内能的组成内能的组成分子动能分子动能分子位能分子位能 binding forces化学能化学能 chemical energy核能核能 nuclear energy内能内能microscopic forms of energy 移动移动 translation转动转动 rotation振动振动 vibration系统总能系统总能
7、 total energy外部储存能外部储存能macroscopic forms of energy宏观动能宏观动能 kinetic Ek= mc2/2宏观位能宏观位能 potential Ep= mgz机械能机械能系统总能系统总能E = U + Ek + Epe = u + ek + ep一般与系统同坐标，常用一般与系统同坐标，常用U, dU, u, du内能的说明内能的说明 内能内能是状态量是状态量 state property U : : 广延参数广延参数 kJ u : : 比参数比参数 kJ/kg 内能内能总以变化量出现，总以变化量出现，内能内能零点人为定零点人为定热一律的文字表达式热
8、一律的文字表达式热一律热一律: 能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律=进入进入系统系统的的能量能量离开离开系统系统的的能量能量系统系统内部储存内部储存能量能量的的变化变化-Total energy entering the systemTotal energy leaving the systemChange in the total energy of the system=-一一 热量热量二二 功量功量三三 随物质流传递的能量随物质流传递的能量四四 焓及其物理意义焓及其物理意义第二节第二节 系统与外界传递的能量系统与外界传递的能量系统与外界传递的能量系统与外界传递的能量 功随物质传递的能量
9、随物质传递的能量 热量热量外界热源外界热源外界功源外界功源外界质源外界质源系系统统一一 热量热量热量是在热量是在温差温差作用下，系统与外界通过界面传递的作用下，系统与外界通过界面传递的能量。但热力学中的热量可以能量。但热力学中的热量可以理想化为可逆传递理想化为可逆传递。 热量热量系统边界系统边界热力学能热力学能/热能（俗称）热能（俗称） 过程量过程量状态量状态量 规定：系统吸热吸热热量为正正，系统放热放热热量为负负单位：单位：kJ 或 kcal 且l kcal=4.1868kJ二二 功量功量外界功源有多种形式，所以也有多种形式的功。外界功源有多种形式，所以也有多种形式的功。工程热力学主要研究工
10、程热力学主要研究 “膨胀功膨胀功” 和和“轴功轴功”。除温差以外除温差以外的其它不平衡势差不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量.定义定义:1 膨胀功（容积功）膨胀功（容积功）w ： 压差作用下，工质容积变化而传递的机械功，压差作用下，工质容积变化而传递的机械功，如蒸汽机。如蒸汽机。 热转换为功，必然有膨胀功。闭口系统通过热转换为功，必然有膨胀功。闭口系统通过系统界面转递，开口系统的膨胀功是技术功的一系统界面转递，开口系统的膨胀功是技术功的一部分，可通过转轴形式传递。部分，可通过转轴形式传递。 规定规定: 系统对外作功对外作功为正正，外界对系统作功对系统作功为负负。系统容积变化是作膨胀功的系统
11、容积变化是作膨胀功的“必要条件必要条件”。 00wv，00wv， 系统容积增大，膨胀功为正，容积减小，膨胀系统容积增大，膨胀功为正，容积减小，膨胀功为负功为负。 2 轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功。轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功。sW 传入系统的轴功若耗散成系传入系统的轴功若耗散成系统的热力学能，则此过程是不统的热力学能，则此过程是不可逆过程。（搅拌做功加热）可逆过程。（搅拌做功加热）规定：规定： 系统输出轴功为正功系统输出轴功为正功 系统输入轴功为负功系统输入轴功为负功 sW 开口系统可以与外界传递轴功（输入或输出），开口系统可以与外界传递轴功（输入或输出）， 轴功可以由热能
12、转换，也可由其它机械能转换轴功可以由热能转换，也可由其它机械能转换如风机、压气机等。如风机、压气机等。 （水轮机等）（水轮机等） 三三 随物质流传递的能量随物质流传递的能量 开口系统与外界随物质流传递的能量包括：开口系统与外界随物质流传递的能量包括： 1 流动工质本身具有的热力学能、宏观动能和流动工质本身具有的热力学能、宏观动能和重力位能。重力位能。2 流动功（推动功）流动功（推动功）wf：（流入和流出）（流入和流出） 为推动流体通过控制体界面而传递的机械功，为推动流体通过控制体界面而传递的机械功，是维持流体正常流动所必须传递的能量。是维持流体正常流动所必须传递的能量。 u + c2/2 +
13、gz流动功的表达式流动功的表达式pApVdl 功力功力位移位移Wf = （p A） dl = pV w推推= pv 推动推动1kg工质工质进入控制体内进入控制体内所需的流动功，可所需的流动功，可按工质在入口界面处的状态参数按工质在入口界面处的状态参数p1v1来计算；来计算； 将将1kg工质工质推出控制体外推出控制体外所需的流动功，可按所需的流动功，可按工质在出口界面处的状态参数工质在出口界面处的状态参数p2v2来计算；来计算； 1kg工质进、出控制体净流动功为：工质进、出控制体净流动功为： wf = p2v2 - p1v1对流动功的说明对流动功的说明1 1、与宏观流动有关，流动停止，流动功不存
14、在、与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在2 2、w推推pv与所处状态有关，是状态量与所处状态有关，是状态量3 3、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，、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而由外界（泵与风机）做出，流动工质所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出系统时所携带和所传递的一种能量四四 焓及其物理意义焓及其物理意义 流动工质传递的总能量，包括物质流本身流动工质传递的总能
15、量，包括物质流本身储存能量和流动功，即：储存能量和流动功，即：或或 PVmgzUmc221pvgzc2u21以上以上u、pv均取决于工质的热力状态均取决于工质的热力状态则则 H或或h称为焓值称为焓值，它也是状态参数。它也是状态参数。令令 H = U + PV 或或 h = u + pvu+RT 思考：对理想气体：思考：对理想气体：h = f (T) ？焓的物理意义：焓的物理意义： 1 对于流动工质，焓对于流动工质，焓 = 内能内能 + 流动功，是流动流动功，是流动 工质向流动前方传递的总能量中工质向流动前方传递的总能量中“取决于热取决于热力力 状态状态”的那部分能量。的那部分能量。2 对不流动
16、工质，焓是一个复合状态参数，没有对不流动工质，焓是一个复合状态参数，没有 明确的物理意义。明确的物理意义。3-3 闭口系能量方程闭口系能量方程 W Q一般式一般式 Q = dU + W Q = U + W q = du + w q = u + w单位工质单位工质适用条件：适用条件： 1）任何工质）任何工质 2) 任何过程任何过程Energy balance for closed systemPoint function-Exact differentials- dPath function-Inexact differentials- 闭口系能量方程中的功闭口系能量方程中的功功功 （ w） 是
17、广义功是广义功 闭口系与外界交换的功量闭口系与外界交换的功量 q = du + w准静态容积变化功准静态容积变化功 pdv拉伸功拉伸功 w拉伸拉伸= - dl表面张力功表面张力功 w表面张力表面张力= - dA w = pdv - dl - dA +.闭口系能量方程的通式闭口系能量方程的通式 q = du + w若在地球上研究飞行器若在地球上研究飞行器 q = de + w = du + dek + dep + w 工程热力学用此式较少工程热力学用此式较少准静态和可逆闭口系能量方程准静态和可逆闭口系能量方程简单可压缩系简单可压缩系准静态过程准静态过程 w = pdv简单可压缩系简单可压缩系可逆
18、过程可逆过程 q = Tds q = du + pdv q = u + pdv热一律解析式之一热一律解析式之一Tds = du + pdv Tds = u + pdv热力学恒等式热力学恒等式门窗紧闭房间用电冰箱降温门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为以房间为系统系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程QUW 0Q 0UW 0W T电电冰冰箱箱RefrigeratorIcebox门窗紧闭房间用空调降温门窗紧闭房间用空调降温以房间为以房间为系统系统 闭口系闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程QUW 0Q UQ W0W T空空调调 QQWAir-condition 3-4 开口系能量方程开口
19、系能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc能量守恒原则能量守恒原则进入进入系统的系统的能量能量 - -离开离开系统的系统的能量能量 = =系统系统储存能量储存能量的的变化变化Energy balance for open system推进功的引入推进功的引入 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv这个结果与实验这个结果与实验不符不符少了少了推进功推进功推进功的表达
20、式推进功的表达式推进功推进功（流动功、推动功）（流动功、推动功）pApVdl W推推 = p A dl = pV w推推= pv注意：注意： 不是不是 pdv v 没有变化没有变化Flow work对推进功的说明对推进功的说明1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推进功不存在有关，流动停止，推进功不存在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，无状态变化变化，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，并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，流动工质所而由外界做出，
21、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，外界与系统之由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种间所传递的一种机械功机械功，表现为流动工质进，表现为流动工质进出系统使所出系统使所携带携带和所和所传递传递的一种的一种能量能量开口系能量方程的推导开口系能量方程的推导 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout212inc212outc 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开口系能量方程微分式 Q + min(u + pv+c2/2
22、 + gz)in - Wnet - mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv工程上常用工程上常用流率流率0limQQ0limmm0limWW2cvout2innetind/2/2outQEupvcgzmupvcgzmW开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式当有多条进出口：当有多条进出口：netcv2outout2inind/2/2QEWupvcgzmupvcgzm流动时，总一起存在流动时，总一起存在焓焓Enthalpy的引入的引入定义：定义：焓焓 h = u + pvnetcv2outout2inind/2/2QEWupvcgzmupvcgzmhh开口系能量方程开口系
23、能量方程焓焓Enthalpy的的 说明说明 定义：定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 1、焓焓是状态量是状态量 state property2、H为广延参数为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh h为比参数为比参数3、对流动工质，对流动工质，焓焓代表能量代表能量(内能内能+推进功推进功) 对静止工质，对静止工质，焓焓不代表不代表能量能量4 4、物理意义：开口系中随工质物理意义：开口系中随工质流动而携带流动而携带的、取决的、取决 于热力状态的于热力状态的能量能量。3-5 稳定流动能量方程稳定流动能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgz
24、ingzout212inc212outc稳定流动条件稳定流动条件1、outinmmm2、QConst3、netsWConstW轴功轴功Shaft work每截面状态不变每截面状态不变4、,/0C VdEEnergy balance for steady-flow systems稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导outinmmmQConstnetsWConstW,/0C VdEnetcv2outout2inind/2/2QEWhcgzmhcgzm稳定流动条件稳定流动条件0mmsW稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导22soutin22ccQmhgzhgzWQmqssWmw1kg
25、工质工质22soutin22ccqhgzhgzw2s12qhcg zw 稳定流动能量方程稳定流动能量方程2s12qhcg zw 适用条件：适用条件：任何流动工质任何流动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程Energy balance for steady-flow systems技术技术功功 technology work动能动能工程技术上可以直接利用工程技术上可以直接利用轴功轴功机械能机械能2f12sQHm cmg zW 2f12sqhcgzw 位能位能tWtwtQm hW tqhw 单位质量工质的开口与闭口单位质量工质的开口与闭口wsq稳流开口系稳流开口系tqhw quw 闭口系闭口系(1
26、kg)容积变化功容积变化功等价等价技术功技术功稳流开口与闭口的能量方程稳流开口与闭口的能量方程tqhw 容积变化功容积变化功w技术功技术功wtquw 闭口闭口稳流开口稳流开口等价等价轴功轴功ws推进功推进功 (pv)几种功的关系？几种功的关系？几种功的关系几种功的关系2t12swcg zw t()tqhwupvw quw ()twpvw wwt(pv) c2/2wsgz做功的根源做功的根源ws对对功功的小结的小结2、开口系，开口系，系统系统与与外界交换的功为外界交换的功为轴功轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统闭口系，系统与与外界交换的功为外界交
27、换的功为容积变化功容积变化功wws wt准静态下的技术功准静态下的技术功()tpdvd pvw()twpvw ()twd pvw准静态准静态()()twpdvd pvpdvpdvvdpvdp twvdp 准静态准静态qdupdvqdhvdp热一律解析式之一热一律解析式之一热一律解析式之二热一律解析式之二twvdp 技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示1 12 2ddv pp vp vp vt1 12 2wwp vp vt()wwpv121ba12341 140 1a 230 2b机械能守恒机械能守恒s2t2/wgdzdcvdpw对于流体流过管道，对于流体流过管道，0sw2102vdpd
28、cgdz 压力能压力能 动能动能 位能位能机械能守恒机械能守恒2102dpdcdzgg柏努利方程柏努利方程Bernoullis equation 3-6 稳定流动能量方程应用举例稳定流动能量方程应用举例s22/wzgchq热力学问题经常可忽略动、位能变化热力学问题经常可忽略动、位能变化例例1：透平：透平(Turbine)机械机械火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 燃气轮机燃气轮机蒸汽轮机蒸汽轮机Steam turbineGas turbine透平透平(Turbine)机械机械sqhw 1) 体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0ws
29、 = -h = h1 - h20输出的轴功是靠焓降转变的输出的轴功是靠焓降转变的例例2：压缩机械：压缩机械 Compressor火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机压气机水泵水泵制冷制冷空调空调压缩机压缩机压缩机械压缩机械sqhw 1) 体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0ws = -h = h1 - h2T0m,u,p,T00000kTp TTT pT pkTp3） T与与T0有关有关000( )kp TTkp TppTT0T000p VmRTm0m-m0带入能量带入能量T的表达式分析的表达式分析m0,u0,p0,T0h,
30、p,TT0m,u,p,T00000kTp TTT pT pkTp4） T与与p0/ p有关有关0000()kTTTpTkTTpp0/ p Tp0/ p反映充气数量反映充气数量 取系统问题之二取系统问题之二已知：已知：p1=35bar, t1 =16h0V要求：要求：输出输出4kW,持续持续30s (kW=kJ/s)允许：允许：p1 p2=3.5barvuc Tphc T718 /.vcJ kg K287/.RJ kg K求：求：需要的容积需要的容积V解解1:1:取储气罐为系统（开口）取储气罐为系统（开口）h0Vcvnet2outout2inind/2/2QEWhcgzmhcgzmcvout0d
31、Eh m21outUUh m 12outUUh m解解1:1:取储气罐为系统（开口）取储气罐为系统（开口）V12outUUh mW1 122mum uW12v 1v212pVp Vc Tc TWRTRT335v124 30 100.0152718(353.5) 10()287WVmcppRh0解解2：取气体为系统（闭口）取气体为系统（闭口）VQUW 1 122122()Wmum umm uh012WUUu2 01 122Wmum u解解3：取：取储气罐和汽机为系统（开口）储气罐和汽机为系统（开口）Vh01 122Wmum u进进 出出 内能变化内能变化内能变化：内能变化：W进：进：出：出：02
32、21 1m umu221 10 Wm umuu2 0其它功例其它功例HeQl真空真空已知：已知：缓慢加热缓慢加热He气气p1=1.013bar, p2 =3.039bar活塞面积活塞面积A=0.1m2,无摩擦无摩擦弹簧刚度弹簧刚度k=105N/m求：求：He作功量作功量W物理学过：物理学过：弹簧变形与力的关系弹簧变形与力的关系kl弹簧功弹簧功222111212llllllWdlkldlkl 弹簧解解1 1：由弹簧功求：由弹簧功求He作功量作功量HeQl真空真空222111212llllllWdlkldlkl 弹簧1110.1013p Almkk2220.3039p Almkk4.105WkJ
33、弹簧He4.105WkJ 例3 ： 一活塞气缸装置中的气体经历了 2 个过程，从状态 1 到状态 2，气体吸热500kJ，活塞对外作功 800 kJ 。从状态 2 到状态 3 是一个定压压缩过程，压力为 p= 400 kPa ，气体向外散热 450 kJ 。并且已知 U1 = 2000kJ，U3 = 3500kJ，试求过程 23中气体体积的变化。 第三章第三章 完完End of Chapter Three人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋。书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。
