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第二章 热力学第一定律2-1 热力学第一定律的实质实质：能量守恒及转换定律在热现象中的应用能量守恒和转换定律—能量是可以相互转 换的，且转换前后的总量保持不变。
热力学第一定律—热能与机械能是可以相 互转换的，且转换前后的总量保持不变。
焦耳实验1、重物下降，输 入功，绝热容 器内气体 T ↑ 2、绝热去掉，气 体 T ↓，放出 热给水，T 恢复 原温。
焦耳实验水温升高可测得热量， 重物下降可测得功 热功当量 1 cal = 4.1868 J热力学第一定律热可以变为功，功也可以变为 热，一定量的热消失时，必产生与之 数量相当的功；消耗一定量的功时必 出现与之对应的一定量的热。
闭口系循环的热一律表达式系统经历一个热力循环后，它所接受的 净热量转换为对外所作的净功。
即：δQ = ∫ δW ∫要想得到功，必须花费热能或其它能量 热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”关于永动机问题的思考 各种永动机问题长期困扰着科技界与社会 第一类永动机—不消耗能量而能对外连续作功的 机器。
第二类永动机—从单一热源取热，并将其全部转 变机械功的机器（或：热效率等于100%的机器）[有 关问题在第五章中将详细讨论]。
长期以来一直有人在追求、研究各种形式的永动 机，无一有所收获。
希望同学们树立正确的思想方法，不要误入歧途。
大气机压气机 从大气中取气压力容器pw取回部分功量 驱动压气机某人的永动机构思？？机水分解装置 H2 w 氢气发动机水取回部分功量驱动水分 解装置2-2 热力学能（内能）和总能一、热力学能(internal energy) UUch Unu Uth 平移动能 旋转动能 振动动能UkEf1(T)U=U(T,v)UpE f2(T，v) — 二、总(储存)能(total stored energy of system)热力学能，内部储存能E=U+EK+Ep总能宏观动能 宏观位能 外部储存能e=u+ek+ep热力学能的性质分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）核能化学能•U :•u :√√系统总能宏观动能Ek= mc2/2宏观位能Ep = mgz机械能E U E k E p e u e k e p2-3 能量的传递和转化作功，传热能量转换的热力学过程单纯机械能过程热一律的文字表达式热一律:进入能量离开能量内部储存能量变化热力学能U 的物理意义δWδQd U 微热量微功量系统内部能量定义d U δQ δW热力学能U 状态函数δQ =d U +δW Q =∆U +W闭口系2-5 闭口系能量方程δWδQδQ= d U+δWQ= ∆U+Wδq=d u+δw单位工质q=∆u+w）任何工质2) 任何过程准平衡和可逆闭口系能量方程准平衡过程δw p d vδq=d u+p d vq∆u p d v可逆过程T d s= d u+ p d vT d s∆u p d v门窗紧闭房间用电冰箱降温系统Q U W=∆+Q=0 U W∆=−>0W<电冰箱门窗紧闭房间用空调降温系统闭口系Q U W=∆+Q<U Q W ∆=−0W<空调Q W>开口系统能量方程式δW i δQδm δm out u in u out gz ingz out212in c 212o u t c 能量守恒原则进入能量离开能量储存能量变化推动功的引入iδm out12c2o u tinδm out u c2/2gzδW i d E cv推动功的表达式推动功推动工质流入、流出pAp V△lv v W 推p △l pV对推动功的说明1、流动2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、w＝pv状态量推4、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时所携带和所传递的一种能量开口系能量方程的推导δW iδQpv inδm out u inu out gz ingz out 212in c 212o u tc δQ δm in (u +c 2/2+gz )in δm out (u +c 2/2+ gz )-δW i =d E cvδm inpv out开口系能量方程微分式δQ δm in u pv c 2/2gz δW iδm out u pv c 2/2gz d E cv工程上常用流率热流率质流率内部功率τδd Q=Φτδd m q outm =τδd W P ii =iin m in outm out cvP q gz cpv u q gz c pv u d dE ++++−++++=Φ,2,2)2()2(τ∑∑+++−+++++=Φiinm in jout m out icvq gz c pv u q gz c pv u P d dE ,2,2)2()2(τ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∑∑+++−+++++=Φiinm in jout m out icvq gz c pv u q gz c pv u P d dE,2,2)2()2(τ焓的引入定义：焓h u pvh h 开口系能量方程焓（Enthalpy)定义：h u pv（比焓）H U pV[ kJ ]1、焓2、H H U pV m u pv= m hh3、焓热力学能推动功焓能量4、流动而携带能量稳定流动能量方程Steady State Steady Flow(SSSF)稳定流动条件δW i δQδm in δm out u inu outgz ingz out212in c 212o u t c 1、2、3、4、m out m in m q q q ==,,Const =ΦConstP i =0/,=τd dE V C∑∑++−++++=Φiinm in joutm out i cv q gz ch q gz c h P d dE ,2,2)2()2(τm q m q 0iw z g c h q +∆+∆+∆=221上式除以q m mq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iw z g c h q +∆+∆+∆=221iwz g ch q +∆+∆+∆=221if w z mg c m H Q +∆+∆+∆=221技术功动能内部功机械能位能tW tw tQ m h W =∆+tq h w =∆+单位质量工质的开口与闭口w iqtq h w =∆+q u w=∆+体积变化功等价技术功uq w ∆−=iwz g ch q +∆+∆+∆=221ti w w z g c pv w =+∆+∆=∆−221)(则)(1122v p v p w w t −−=vdpw t −=δ稳定流动能量方程式tq h w =∆+tw dh q δδ+=tW dH Q δδ+=∫−∆=21vdph q vdpdh q −=δ∫−∆=21VdpH Q VdpdH Q −=δ微元过程若过程可逆稳流开口与闭口的能量方程tq h w =∆+w w t q u w=∆+w i pv对功的小结2、内部功w i3、1、体积变化功ww i w tw w t△(pv)△c2/2g△z做功的根源w i例1：动力机械（动力机）火力发电 核电 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 蒸汽轮机燃气轮机动力机械(动力机）q = ∆h + wi1) 体积不大 2）流量大 3）保温层q≈0输出的轴功是靠焓降转变的wi = -△h = wt = h1 - h2>0例2：压缩机械（压气机）火力发电 核电 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 制冷 空调 水泵压气机压缩机压缩机械（压气机）q = ∆h + wi1) 体积不大 2）流量大输入的轴功转变为焓升wi = -△h+q = -wt h1 - h2<0例3：换热设备（换热器）火力发电： 锅炉、凝汽器 核电： 制冷 空调 热交换器、凝汽器 蒸发器、冷凝器换热设备（换热器）h1热流体 冷流体h2q = ∆h + wi没有作功部件wi = 0h1’ h2’ q = ∆ h = h2 − h1焓变热流体放热量： q = ∆ h = h2 − h1 < 0 冷流体吸热量： q = ∆ h = h − h > 0' ' 2 ' 1例4：绝热节流管道阀门 制冷 空调 膨胀阀、毛细管绝热节流h1 h2q = ∆h + wi没有作功部件 wi = 0 绝热 q = 0 ∆h = 0 h1 = h2例5：喷管和扩压管火力发电 核电 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 蒸汽轮机静叶压气机静叶喷管和扩压管喷管目的： 压力降低，速度提高 扩压管目的： 速度降低，压力升高1 q = ∆h + ∆c 22+ g∆z + wi动能参与转换，不能忽略 喷管wi = 0q = 0 g ∆z = 0扩压管1 2 ∆c = −∆h 2 动能与焓变相互转换。
工程热力学第三版第二章热力学第一定律热力学第一定律 ( 能量守恒与转换定律) :自然界中的一切物质都具有能量 ,能量不可能被创造,也不可能被消灭;但能量可以从一种形态转变为另一种形态 , 且在能量的转化过程中能量的总量保持不变。
它确定了热力过程中热力系与外界进行能量交换时 , 各种形态能量数量上的守恒关系。
能量是物质运动的度量。
分子运动学说阐明了热能是组成物质的分子、原子等微粒的杂乱运动———热运动的能量。
根据气体分子运动学说, 热力学能是热力状态的单值函数。
在一定的热力状态下 , 分子有一定的均方根速度和平均距离 , 就有一定的热力学能 , 而与达到这一热力状态的路径无关 ,因而热力学能是状态参数。
由于气体的热力状态可由两个独立状态参数决定 , 所以热力学能一定是两个独立状态参数的函数, 如: u = f( T, v)或u =f( T, p) ; u = f( p, v)能量传递方式 : 作功和传热。
作功来传递能量总是和物体的宏观位移有关。
功的形式除了膨胀功或压缩功这类与系统的界面移动有关的功外 ,还有因工质在开口系统中流动而传递的功 ,这种功叫做推动功。
对开口系统进行功的计算时需要考虑这种功。
开口系统和外界之间功的交换。
取燃气轮机为一开口系统 , 当 1 kg 工质从截面 1 - 1流入该热力系时,工质带入系统的推动功为 p 1 v 1 ,工质在系统中进行膨胀,由状态1膨胀到状态2,作膨胀功 w,然后从截面 2 - 2流出,带出系统的推动功为p 2 v 2。
推动功差( pv) = p 2 v 2 -p 1 v 1是系统为维持工质流动所需的功, 称为流动功（系统为维持工质流动所需的功）。
在不考虑工质的动能及位能变化时, 开口系与外界交换的功量是膨胀功与流动功之差w -( p 2 v 2- p 1 v 1 );若计及工质的动能及位能变化, 则还应计入动能差及位能差。
热能和机械能的可逆转换总是与工质的膨胀和压缩联系在一起的。
