1、1 第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 First law of thermodynamics21 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质2-2 热力学能（内能）和总能热力学能（内能）和总能23 热力学第一定律基本表达式热力学第一定律基本表达式24 闭口系基本能量方程式闭口系基本能量方程式25 开口系能量方程开口系能量方程221 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质一、第一定律的实质一、第一定律的实质 能量守恒与转换定律在热现象中的应用能量守恒与转换定律在热现象中的应用。二、第一定律的表述二、第一定律的表述 热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的热是能的一种，机械能变热能，
2、或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。时候，他们之间的比值是一定的。 或：或： 热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失热可以变为功，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。与之相应量的热。322 热力学能（内能）和总能热力学能（内能）和总能一、热力学能一、热力学能(internal energy)UUchUnuUthUk 平移动能平移动能转动动能转动动能振动动能振动动能 Tf1UpvTf,2),(vTUU 二、总（储存）能二、总（储存）能(total stored energy of
3、 system)kpkpE U EEe u ee 总能总能热力学能，内部储存能热力学能，内部储存能外部储存能外部储存能宏观动能宏观动能宏观位能宏观位能4三、热力学能是状态参数三、热力学能是状态参数 测量测量 p、V、T 可求出可求出d0dddddVVTVUUUpUTVcTTpVTVT U四、热力学能单位四、热力学能单位 JkJ五、工程中关心五、工程中关心U宏观动能与内动能的区别宏观动能与内动能的区别523 热力学第一定律基本表达式热力学第一定律基本表达式 加入系统的能量总和加入系统的能量总和热力系统输出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热力系总储存能的增量EE+dEi i
4、meQWjjm ed流入：流入：i iQme流出：流出：jjWm e内部贮能的增量内部贮能的增量：dE6totdjjiiQEe me mW 或21totjjiiQEe me mW totddjmjimiEe qeqP EE+dEi imeQWjjm ed724 闭口系基本能量方程式闭口系基本能量方程式21totjjiiQEe me mW 闭口系，闭口系， 00ijmm忽略宏观动能忽略宏观动能Uk和位能和位能Up，EU ddQUWQUWquwquw 第一定律第一解析式第一定律第一解析式功的基本表达式功的基本表达式热热8讨论：讨论： 1）对于可逆过程对于可逆过程ddQUp V2）对于循环对于循环n
5、etnetdQUWQW3）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W 的的 “+”、“”、数值大小。、数值大小。ddQUWQUWquwquw 9例例 自由膨胀自由膨胀如图，如图，U解：取气体为热力系解：取气体为热力系 闭口系闭口系？开口系开口系？QUW120UUU即强调：强调：功是通过边界传递的能量。功是通过边界传递的能量。抽去隔板，求抽去隔板，求0W?例例A4302661例例A43037710Q 10归纳热力学解题思路归纳热力学解题思路1）取好热力系）取好热力系;2）计算初、终态）计算初、终态;3）两种解题思路两种解题思路从已知条件逐步推向目标从已知条件逐步
6、推向目标从目标反过来缺什么补什么从目标反过来缺什么补什么4）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手。）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手。1125 开口系能量方程开口系能量方程一、推动功一、推动功(flow work; flow energy)和和 流动功流动功(flow work; flow energy)推动功：系统引进或排除工质传递的功量。推动功：系统引进或排除工质传递的功量。pA Hpvpvp1v11o12流动功：系统维持流动流动功：系统维持流动 所花费的代价。所花费的代价。 )(1122pvvpvp推动功在推动功在p-v图上：图上：13二二、焓、焓 (enthalpy)定义：定义：H=U
7、+pV h=u+pv单位：单位：J（kJ） J/kg（kJ/kg）焓是状态参数。焓是状态参数。物理意义：物理意义：引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。dddppVHcTVTpT14三、稳定流动能量方程三、稳定流动能量方程(steady-flow energy equation) 稳定流动特征稳定流动特征：注意：区分各截面间参数可不同。注意：区分各截面间参数可不同。1）各截面上参数不随时间变化。各截面上参数不随时间变化。2）ECV = 0， SCV = 0， mCV = 0? 15流入系统的能量流入系统的能量: :2f1111 112Qmcqqup v
8、gz流出系统的能量流出系统的能量: :22222f2212smPqup vcgz系统内部储能增量系统内部储能增量: ECV=考虑到稳流特征：考虑到稳流特征： ECV=0 qm1=qm2=qm; 及及h=u+pv 22f2f12121S( )22QmmccqHHqq g zzPA2221f2f121s1( )2qhhccg zzwB16讨论：1）改写式（）改写式（B）为式（）为式（C）22221 1f 2f12112squwp vp vccg zz 热能转变热能转变成功部分成功部分输出轴功输出轴功流动功流动功机械能增量机械能增量22f 2f12121S2221f 2f121s( )221( )2
9、QmmccqHHqq g zzPAqhhccg zzwB（C）172f12tswwcg z t2 21 1( )quwp vpvD dddtwp vpvv p 2）技术功技术功(technical work)22221 1f 2f12112squwp vp vccg zz 由式（由式（C）1122vpvpwwtdtwwpv技术上可资利用的功技术上可资利用的功 wt可逆过程可逆过程183)第一定律第二解析式第一定律第二解析式ttdqhwqhw 21dddqhv pqhv p dddddddqhv pupvv pup vuw膨1)通过膨胀，由热能通过膨胀，由热能 2)第一定律两解析式可相互导出，但
10、只有在开系中第一定律两解析式可相互导出，但只有在开系中 能量方程才用焓。能量方程才用焓。2221f 2f1211( )2sqhhccg zzwB4）两个解析式的关系）两个解析式的关系功，功，w = q u总之：总之：2tsf12wwcg z 可逆可逆19四、稳定流动能量方程式的应用四、稳定流动能量方程式的应用1.1.蒸汽轮机、气轮机蒸汽轮机、气轮机(steam turbine、gas turbine) 流进系统：流进系统：1111hvpu 流出系统：流出系统：2222s,up vhw内部储能增量：内部储能增量： 0 012sthhww202.压气机压气机，水泵类，水泵类 (compressor
11、，pump)流入流入2f111s,2chgzw流出流出2f 222,2chgzq内部贮能增量内部贮能增量 0 0Ct21wwhhq 213.换热器（锅炉、加热器等）换热器（锅炉、加热器等）(heat exchanger: boiler、heater etc.)22 流入：流入：12221f113f331122mmqhcgzqhcgz流出：流出：12222f 224f 441122mmqhcgzqhcgz内增：内增： 0 0若忽略动能差、位能差若忽略动能差、位能差124312mmqhhhhq234. 管内流动管内流动流入：流入：流出：流出：内增：内增： 0 021f111 112ucgzp v2
12、2f 222212ucgzp v2f102pucgz24例例A4312661例例A4322661例例A4332771例例A433377125归纳：归纳： 1）开口系问题也可用闭口系方法求解。）开口系问题也可用闭口系方法求解。 2）注意闭口系边界面上热、功交换；尤其是边界面）注意闭口系边界面上热、功交换；尤其是边界面 变形时需考虑功的交换。变形时需考虑功的交换。 3）例）例A4333771中若有无摩擦及充分导热的活塞，结果如何？中若有无摩擦及充分导热的活塞，结果如何？ 解法三即可认为是这种情况，故无影响。解法三即可认为是这种情况，故无影响。 4）若）若A4333771活塞为绝热材料制造，活塞为绝热材料制造， 若活塞下有弹簧，若活塞下有弹簧， 若若 如何如何？下一章下一章
