1、Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律2-1 2-1 热力系统的储存能热力系统的储存能热力系统储存能热力系统储存能热力学能热力学能宏观动能宏观动能、宏观位能宏观位能1.1.热力学能热力学能 不涉及化学变化和核反应时的物质分子不涉及化学变化和核反应时的物质分子热运动热运动动能动能和分子之间的和分子之间的位能位能之和，即之和，即热能热能。热力学能符号：热力学能符号：U，单位：单位：J 或或kJ。实质：能量守恒与转换定律在热力学中的应用Fundamentals of thermal engineering热工基
2、础热工基础(,)uf T v 任何状态下系统热力学能的数值不可能为零。任何状态下系统热力学能的数值不可能为零。由于在工程热力学中只计算工质在状态变化中的热由于在工程热力学中只计算工质在状态变化中的热力学能力学能变化量（变化量（u），因此热力学能的零点可以，因此热力学能的零点可以人人为为地规定，例如，取地规定，例如，取 0K 或或0时的热力学能为零。时的热力学能为零。单位质量工质的热力学能单位质量工质的热力学能 称为称为比热力学能比热力学能。符。符号：号：u；单位：单位：J/kg 或或kJ/kg。比热力学能是状态参比热力学能是状态参数数。2-1 2-1 热力系统的储存能热力系统的储存能Funda
3、mentals of thermal engineering热工基础热工基础4.储存能储存能kpEUEEJorkJ比储存能比储存能2kpf1/2eueeucgzJ kg orkJkg2.宏观动能宏观动能2kf12EmcJorkJ2-1 2-1 热力系统的储存能热力系统的储存能pEmgz JorkJ3.宏观势能宏观势能Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础2-2 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质 实质实质：热力过程中的：热力过程中的能量守恒和转换能量守恒和转换定律。定律。在热能与其它形式能的互相转换过程中，在热能与其它形式能的互相转换过程中
4、，能能的总量始终不变的总量始终不变。不花费能量就可以产生功的不花费能量就可以产生功的第一类永动机第一类永动机是是不可能制造成功的。不可能制造成功的。进入系统的能量离开系统的能量进入系统的能量离开系统的能量=系统系统储存能量的变化储存能量的变化 三种表述：三种表述：Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式闭口系统的热力学第一定律表达式 QWU21QWUUU QUW 上述公式适用条件：上述公式适用条件：1）任何工质）任何工质 2)任何过程任何过程wuq微元过程微元过程QdUWwduqFundamentals of
5、thermal engineering热工基础热工基础TdSdUpdV21QUpdV 2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式闭口系统的热力学第一定律表达式 两种特例两种特例：绝功系：绝功系 Q=dU 绝热系绝热系 W=-dU可逆过程可逆过程QTdSWpdVqdupdv21qupdv 单位质量工质的可逆过程单位质量工质的可逆过程Tdsd updvFundamentals of thermal engineering热工基础热工基础例1 有一定质量的工质从状态1沿1A2到达终态2，又沿 2B1回到初态1，并且kJWkJUUkJQBA5 10 50121221试判断沿过程1A2工质是膨胀还是压缩，并
6、且求工质沿1A2B1回到初态时的净吸热量和净功。2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式 vpA12BFundamentals of thermal engineering热工基础热工基础vpA12BkJWkJUUkJQBA5 10 501212212-3 闭口系统的热力学第一定律表达式 解:1 21 221()50 1040AAWQUUkJ 0dUWQkJWWWBA355401221kJWQ35膨胀过程Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础例2：P29 思考题4试比较图2-6所示的过程1-2与过程1-a-2中下列各量的大小：W12与W1a2；(2
7、)U12 与 U1a2；(3)Q12与Q1a22-3 闭口系统的热力学第一定律表达式 答：（1）W1a2大。（2）一样大。（3）Q1a2大。Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础例例3 P30：2-52-3 闭口系统的热力学第一定律表达式 过程Q/kJW/kJU/kJ1-2013902-303953-40-10004-10过程Q/kJW/kJU/kJ1-21390013902-30395-3953-4-10000-10004-10-55Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础11111,cvpum 2
8、2222,cvpum wsqCV12122-4 2-4 开口系统的稳定流动能量方程式开口系统的稳定流动能量方程式 1.1.稳定流动与流动功稳定流动与流动功 （1）稳定流动稳定流动 流动状况不随时间而改变的流动。即任一流通流动状况不随时间而改变的流动。即任一流通截面上工质的状态都不随时间而改变。截面上工质的状态都不随时间而改变。Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础121)mmm2)qconst稳定流动条件：constwws 3)进出口参数为常数0dCV 4）CV不变，即11111,cvpum 22222,cvpum wsqCV12122-4 开口
9、系统的稳定流动能量方程式开口系统的稳定流动能量方程式Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础2-4 开口系统的稳定流动能量方程式开口系统的稳定流动能量方程式（2）流动功流动功推动工质流动所作的功，也称为推动工质流动所作的功，也称为推进功推进功。fWpAdxpdVpvdmfwpvFundamentals of thermal engineering热工基础热工基础outCVinEEEoutCVineee11121121vpucgzqein22222221vpucgzwesout0CVeswzzgccvpuvpuq)()(21)()(122122111
10、2222 开口系统的稳定流动能量方程单位工质2-4 2-4 开口系统的稳定流动能量方程式开口系统的稳定流动能量方程式11111,cvpum 22222,cvpum wsqCV1212Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础swzgchq221twhqpvuh令比焓 h 为状态参数swgdzdcdhq221微元 适用条件：任何流动工质、任何稳定流动过程tquwqhw 方程2-4 2-4 开口系统的稳定流动能量方程式开口系统的稳定流动能量方程式stwzgcw221令 技术功Fundamentals of thermal engineering热工基础热
11、工基础几种功：容积变化功w、轴功ws、技术功wt、推动功（pv）212tswcg zw ttwpvuwhq)(wuq212()tscg zwwwpv2-4 开口系统的稳定流动能量方程式Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础容积功 ,是由于工质体积变化所做的功。21wpdv流动功 是工质通过控制面时带入控制体的功,它是流动工质的流动能。pv轴功 是从热式设备上所能传出的技术上可被利用的外功,对转动机械而言是指转动机械输出的功。sw技术功则是工质流动的动能,重力势能的变化及轴功三项之和的总称。2-4 开口系统的稳定流动能量方程式Fundamental
12、s of thermal engineering热工基础热工基础pdvwpvdwt)(vdppvdpdvwt)(vdpwtvdpdhq可逆过程 技术功在示功图上的表示面积123412-4 开口系统的稳定流动能量方程式Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础 1quw 2qduw 2132sqHcg zw 214QHpdV 下面所写的热力学第一定律的表达式是否正确？若不正确，请改正。例例4Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础 1quw 2qduw 2132sqhcg zw 214QHVdp 解：上述四
13、式均不正确。Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础1 锅炉和各种热交换器锅炉和各种热交换器 工质所吸收的热量等于焓的增量；工质所吸收的热量等于焓的增量；若焓值减小，则工质向外放热。若焓值减小，则工质向外放热。2-5 稳定流动能量方程式的应用稳定流动能量方程式的应用 工程上，除了工程上，除了喷管喷管、扩压管扩压管外，常见热工设备的进出外，常见热工设备的进出口动、位能的变化一般都可以忽略不计。口动、位能的变化一般都可以忽略不计。stsqhwww s210wqhhFundamentals of thermal engineering热工基础热工基础12
14、0sqwhhh 2 动力机械（汽轮机、燃气轮机等）动力机械（汽轮机、燃气轮机等）工质所做的功等于工质的焓降。工质所做的功等于工质的焓降。2-5 稳定流动能量方程式的应用稳定流动能量方程式的应用210sqwhhh 外界所提供的功等于工质的焓的增量。外界所提供的功等于工质的焓的增量。3 压缩机、泵和风机等压缩机、泵和风机等Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础问题讨论：问题讨论：1）工质膨胀是否一定对外作功？）工质膨胀是否一定对外作功？相变过程（冰融化，水汽化）相变过程（冰融化，水汽化）2-5 稳定流动能量方程式的应用稳定流动能量方程式的应用2222
15、112110,0,()22sqwchcchh 即4 喷管喷管工质动能的增量等于焓降。工质动能的增量等于焓降。2）定容过程是否一定不作功？）定容过程是否一定不作功？向真空膨胀，自由膨胀向真空膨胀，自由膨胀3）定温过程是否一定不传热？）定温过程是否一定不传热？vdpwt 开口系，技术功，开口系，技术功，水轮机，水轮机Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础例例5P29 思考题思考题 2、5Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础1、理解热力学第一定律的实质和表达式，并能进行计算；2、掌握第一定律的基本应用：换热器、喷管和扩压管、汽轮机（泵）、节流装置等第二章 小 结Fundamentals of thermal engineering热工基础热工基础作作 业业2-1 2-4 2-8
