1、一、热力学第一定律的表述一、热力学第一定律的表述 任何形式的能量，既不能消灭也不能创造，只能从一种任何形式的能量，既不能消灭也不能创造，只能从一种形式转换成另一种形式，在转换过程中能量的总量保持恒形式转换成另一种形式，在转换过程中能量的总量保持恒定，定，-能量守恒转换定律。能量守恒转换定律。2-1 2-1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质能量守恒能量守恒-能源危机能源危机？实实 质质内内 能能在工程热力学中，主要是热能和机械能之间的相互转化和总量守恒热力循环中工质热力循环中工质吸收的净热量等吸收的净热量等于工质对外所作于工质对外所作的净功的净功q=W实实 质质内内 能能本质：能量转换及
2、守恒定律在本质：能量转换及守恒定律在热过程热过程中的应用中的应用(q W)=0q W=du热力学能（热力学能（内内 能）能）q=W实实 质质内内 能能2-2 2-2 热力学能热力学能一、定义一、定义:物体因热运动而具有的能量物体因热运动而具有的能量,是存储于物体内是存储于物体内部的能量部的能量气体内部所具有的各种能量的总和热力学能热力学能 内动能内动能内位能内位能原子能化学能内热能内热能（工程热力学）（工程热力学）实实 质质内内 能能作功作功二、热力学能热力学能是状态参数是状态参数 U=f(T,v),U=f(p,v),U=f(T,v),U=f(p,v),U=f(T,p)U=f(T,p)三、表示
3、与单位：U 表示质量为m的气体 单位：J,KJ。比热力学能u：1kg气体 单位：J/kg,KJ/kg。212112211221)()(0)()(0)()(0)(bacbcaUQUQUQUQUQUQWQWQ比较：12p pv vba实实 质质内内 能能作功作功2-3热力学第一定律基本能量方程式进入系统能量离开系统能量系统中存储能量的增加q=du+wQ=U+WQq=W(q W)=0 ：wQ焓焓一定律一定律Q=U+W 适用条件：闭口系；可逆、不可逆；闭口系；可逆、不可逆；理想和实际气体；初、终态为平衡态理想和实际气体；初、终态为平衡态符号规定：符号规定：吸热吸热q q为正，放热为负为正，放热为负系统
4、对外作功为正，反之为负系统对外作功为正，反之为负系统内能增大系统内能增大为正为正,反之为负反之为负Q=H+Wt能量方程能量方程Q=U+WQ=U+W由于工质膨胀做功为正；接受外界压缩功为负，所以断定工质经历了压缩过程，外界对气体作功为34kJ.例(习题2-4)：气体在某一过程中吸收了50kJ的热量，同时热力学能增加了84kJ，问此过程中气体做功是多少？功是负值意味什么？Q=50KJ U=84KJ 解：Q=U+WW=Q-UW=50KJ-84KJ=-34KJQ=H+Wt能量方程能量方程Q=U+W2-4 2-4 开口系统能量方程式开口系统能量方程式一一 稳定流动稳定流动1.1.定义：当热力系统在任何截
5、面上工质的一切参定义：当热力系统在任何截面上工质的一切参数都不随时间变化时数都不随时间变化时-稳定流动稳定流动2.2.稳定流动的条件：稳定流动的条件：进出口处工质的状态不随时间变化进出口处工质的状态不随时间变化 进出口处工质不随时间变化，满足质量守恒进出口处工质不随时间变化，满足质量守恒 系统和外界交换的一切能量不随时间变化，满系统和外界交换的一切能量不随时间变化，满足足 能量守恒能量守恒Q=H+Wt能量方程能量方程Q=U+W3.实际热机的工作过程大多可认为是稳定过程。4.任一截面上的各种参数都不随时间改变，但各截面上参数可以不同。Q=H+Wt能量方程能量方程Q=U+W二、能量的传递和转化二、
6、能量的传递和转化能量传递的两种方式能量传递的两种方式:作功和热传递作功和热传递功在传递的过程中伴随着能量形式的变化功在传递的过程中伴随着能量形式的变化热传递过程中能量形式不发生变化热传递过程中能量形式不发生变化体积功体积功推动功推动功 技术功技术功QW一、作功一、作功焓焓内内 能能作功作功pdvW=p vx1kg工质要进入截面，必须克服反抗力 p1 A1，外界需要对工质作推动功推动功pvpv；：21 pdv比较:膨胀功焓焓内内 能能功功pvpv推动功推动功由于流进（出）系统的工质本身的状态并没有改变，因此推动功不是工质本身作的。推动功只能是由流进（出）系统的工质传递而由工质后面的物质系统作出的
7、，流进时是称之为外部功源的系统，例如，风机、水泵等所作流出时是开口系统内其它工质所作 例：1、气体流入真空容器，不该有推动功吧？2、推动功是谁作的？是不是流进（出）系统的工质本身作的？有有焓焓内内 能能功功4、技术功：、技术功：p1v1p2v2wWt=w+p1v1-p2v2W Wt t:技术功技术功W:W:膨胀功膨胀功p p1 1v v1 1-p-p2 2v v2 2 推动功之差推动功之差pv12Wt:pv12vp12W推动功推动功焓焓内内 能能功功三、焓 比焓比焓:h=H/m=u+p v :h=H/m=u+p v (J/kg(J/kg或或/kg)/kg)abcpv二、二、焓是状态参数焓是状态
8、参数一、定义：一、定义：p pV V焓=热力学能+推动功(J(J或或)dh=0dh=0焓焓一定律一定律功功由于 p 、v 、u 都是状态参数，所以焓也是工质的一个状参数。对于一定状态的工质，p 、v 、u 都有确定的值，焓的值也就随之而定。三、如何计算h？h=u+p vh=u+p v一般无法测定工质的焓和热力学能的绝对值。在热工计算中关心的是两个状态间焓的变化（h)，因此，可选取某一状态的焓值为零作为计算基准。焓焓一定律一定律功功u是工质本身所具有的能量，pv则是随工质流动而转移的能量，因此焓代表工质流入（出）开口系时传递的能量。四、焓的物理意义四、焓的物理意义 工程中常碰到工质连续不断流过热
9、力设备，随工质流动而转移的能量中，取决于工质热力状态的部分是焓不是热力学能，因此焓的应用比热力学能更广泛。h=u+p vh=u+p v焓焓一定律一定律功功五、稳定流动能量方程导出 (steady-flow energy equation)1 1、由稳定流动特征、由稳定流动特征找出系统各物理量找出系统各物理量：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）E ECVCV=0=0，qqm mCVCV=0=0?(shaft work)(shaft work)81z2z1221wsqu1cf1111cf2、u2、v2、P2、qm2qm1Q=H+WtQ=U+W2、由热一定律：进入系统能量离
10、开系统能量系统中存储能量的增加sffwvpgzcueqvpgzcue:212122222221112111轴功推动功热量：推动功：稳定流动，系统中存储能量的增加=0(shaft work)81z2z1221wsqu1cf1111cf2、u2、v2、P2、qm2qm1sffwgzcvpuqgzcvpu2222221211112121Q=H+WtQ=U+W 22f 2f121212221f 2f121221()2mmSsccQHHqq g zzWAqhhccg zzwBsffwgzcvpuqgzcvpu2222221211112121讨论讨论：1）改写（B）为（C）22221 1f 2f12112
11、squwp 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（C）Q=H+WtQ=U+W2）技术功技术功(technical work)技术上可资利用的功技术上可资利用的功 wt2f12tswwcg z 定义：22221 1f 2f12112squwp vp vccg zz Wt与与p、v的关系及在的关系及在p-v图上的表示？图上的表示？Q=H+WtQ=U+W)(1122Dvpvpwuqt1122vpvpwwt:dddtwp vpvv p 对可逆过程1122vpvpwwtdtwwpv2f12tswwcg z Q=H+WtQ=U+Wdttq
12、hwqhw 2221f2f1211()2sqhhccg zzwBddQU WQUWqu wquw pdvduqpdvuq212121vdpwpdvwt过程可逆：pv12p2p1vdpdhqvdphq21六、稳定流动能量方程式的应用 1.蒸汽轮机、气轮机 n(steam turbine、gas turbine)流进系统：1111hvpu 流出系统：Swhvpu,2222内部储能增量：012SthhwwQ=H+WtQ=U+W2、压气机，水泵类(compressor、pump)流入2f111,2schgzw流出Q=H+WtQ=U+W12hhwwtcsffwzzgcchh)()(21012221212
13、)2(,1222gzchf3、换热器（锅炉、加热器等）(heat exchanger:boiler、heater)kgKJcckgKJqkgKJzmgff/45.0)230(5.0)(21/2090/98.01008.91222122五、节流h1=h21122h1h2pT dttqhwqhw Q=H+WtQ=U+W124312mmqhhhhq12Sthhwwh1=h24、管内流动3、换热器（锅炉、加热器等）1、蒸汽轮机、气轮机 5、节流21ctww hh q 2、压气机，水泵类q=q=h+Wt h+Wt 可逆，不可逆可逆，不可逆q=q=h-h-1 12 2v dp 可逆可逆dq=d h-v d
14、 p 可逆可逆 ,微元微元Q=Q=H+WH+Wt t 总质量总质量 开开口口系系Q=H+WtQ=U+W解：取气体为热力系 闭口系？开口系？120UUU即强调：功是通过边界传递的能量。例 绝热刚性容器内自由膨胀如图，U抽去隔板，求0QUWQ0W?Q=H+WtQ=U+W例题一闭口系沿一闭口系沿acb途径由状态途径由状态a变化到状变化到状态态b吸入热量吸入热量84kJ对外作功对外作功32kJ,如如图所示图所示:1.若沿途径若沿途径adb变化时变化时,对外作功对外作功10kJ,问进入系统的热量时多少问进入系统的热量时多少?2.当系统沿着曲线当系统沿着曲线ba途径从途径从b返回到返回到初始状态初始状态a
15、时时,外界对系统作功外界对系统作功20kJ,则系统与外界交换热量的大小和方则系统与外界交换热量的大小和方向向3.若若Ua=0 Ud=42kJ,过程过程ad和和db中交中交换的热量又是多少换的热量又是多少?acbdpvQ=H+WtQ=U+W解：对过程a-b-c,有Uacb=Qacb-Wacb =84-32=52KJ对过程a-d-c,有Qadb=Uadb+Wadb=5210=62KJUacb=Uadb a ac cb bd dpv已知：沿acb途径由状态a变化到状态b吸入热量84kJ对外作功32kJ求：Qadb=?1）由闭口系闭口系Q=U+W Qba=？Qba=Uba+Wba Uacb=Uba解：
16、Qba=Uba+Wba=5220=72KJ2、当系统沿着曲线ba途径从b返回到初始状态a时,外界对系统作功20kJ,则系统与外界交换热量的大小和方向？a ac cb bd dpvUacb=52KJUad=Ud Ua=42KJ解：Qad=Uad+WadWad=Wadb=10KJQad=Uad+Wad=4210=52KJQdb=Udb+Wdb0Udb=Uadb Uad=52-42=10KJQdb=Udb=10KJ3 3、若、若U Ua a=0 U=0 Ud d=42kJ,=42kJ,过程过程adad和和dbdb中交换的热量又是中交换的热量又是多少多少?a ac cb bd dpv补充题:过程 Q
17、KJW KWUKJ1-2139002-30-3953-4-100004-10定量工质定量工质,经历了一个由四个过程组成的循环经历了一个由四个过程组成的循环,试填充下列表中所缺数据试填充下列表中所缺数据.1390395-10005-5解：Q=U+W 例三.某一蒸汽轮机进口蒸汽参数为P1=9MPa,t1=500,h1=3386.8KJ/kg,C1=50m/s.出口蒸汽汽参数为P2=4MPa,h2=2226.9KJ/kg,C2=140m/s.进出口高度差为12m,每Kg蒸汽经汽轮机的散热损失为15KJ,试求1.单位质量蒸汽流经气轮机对外输出之功单位质量蒸汽流经气轮机对外输出之功;2.不计进出口动能的
18、变化不计进出口动能的变化,对输出功的影响对输出功的影响;3.不计进出口位能的差不计进出口位能的差,对输出功的影响对输出功的影响;4.不计散热损失对输出功的影响不计散热损失对输出功的影响;5.若蒸汽流量为若蒸汽流量为220t/h,汽轮机功率有多大汽轮机功率有多大?Q=H+WtQ=U+W解：1)选气轮机为开口系2221f 2f1211()2sqhhccg zzwBWs=15(2226.9-3386.8)0.5(1402 502)103 9.8(12)103=1.136103KJ/KgQ=H+WtQ=U+W2.不计进出口动能的变化不计进出口动能的变化,对输出功的影响对输出功的影响;%5.110136
19、.1105014021213322sfKEwc%01.010136.110)12(8.933spEwzg%3.110136.1153sqwqKwwqPsm4331094.610136.13600102203.不计进出口位能的差不计进出口位能的差,对输出功的影响对输出功的影响;5.若蒸汽流量为若蒸汽流量为220t/h,汽轮机功率有多大汽轮机功率有多大?4.不计散热损失对输出功的影响不计散热损失对输出功的影响;Q=H+WtQ=U+W归纳热力学解题思路热力学解题思路 1）取好热力系取好热力系 2）列方程列方程 3）计算初、终态计算初、终态 4）求求解：两种解题思路解：两种解题思路从已知条件逐步推向目
20、标从已知条件逐步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*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 知识点：基本能量方程、焓、各种功的表达、闭口系、开口系和稳定流动能量方程及其常用的简化形式、能量方程的内在联系与共性，热变功的实质。重点：热一定律的实质，焓、各种功的表达、闭口、开口系统热一定律解析式的表述形式及适用条件，在不同工程场合中的计算 难点：焓、各种功的表达、深刻理解第一定律的普遍适用性，牢固掌握各种热力学第一定律表达式的适用条件，并能将理论与工程实际相联系。习题：2-3 2-4 2-9 2-12 第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律
