工程热力学第三章 热力学第一定律

工程热力学三大定律
工程热力学是研究能量转化和传递的学科，其中三大定律是工程热力学的三个基本定律。

这三大定律分别是：
第一定律：能量守恒定律。

它指出，能量不能被创造或销毁，只能从一种形式转换为另一种形式。

在一个封闭系统中，能量的增加等于它的减少。

这一定律是热力学的基础，也是工程热力学的基础。

第二定律：熵增定律。

它指出，任何封闭系统中的熵都不会减少，只会增加或保持不变。

熵是一个系统混乱程度的度量，因此这个定律意味着所有自然过程都会使系统变得更加混乱。

这一定律在工程热力学中被广泛应用，特别是在热力学循环和能量转换中。

第三定律：绝对零度定律。

它指出，当一个物体的温度降到绝对零度时，它的熵将达到最小值。

这一定律是热力学的最终定律，也是工程热力学的一个基本定律。

它被用来确定理想气体的热力学性质，以及热力学循环的效率。

这三大定律是工程热力学的基础，它们在能源转换和利用中具有重要的应用价值。

了解这些定律可以帮助工程师设计更高效的能源系统，提高能源利用效率。

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第三章 热力学第一定律热力学第一定律是研究热力学的主要基础之一，也是分析和计算能量转化的主要依据，并且在我们以后的几章分析中也离不开它。

对其他热力学理论的建立也起着非常重要的作用。

热一律的建立1840—1851年间，迈耶、焦耳、赫尔姆霍茨建立了热力学第一定律，它指出了能量转化的数量关系，随着分子运动论的建立和发展，肯定了热能与机械能相互转化的实质是热能与机械能都是物质的运动，其相互转化就是物质由一种运动形态转变为另一种运动形态的运动且转化时能量守恒，把能量守恒定律应用于热力学，就叫做热力学第一定律，至此热力学第一定律完全建立。

本章重点：1 讨论热力学第一定律的实质。

2 能量方程的建立及工程实际中的应用。

3—1 热力学第一定律的实质实质：热一律的实质是能量转化与守恒定律在热现象上的应用。

能量转化守恒定律指出：在自然界中，物质都具有能量，能量有各种不同的形式，既不能创造，也不能随意消失，而只能从一种形态转化成另一种形态。

由一个系统转逆到另一个系统。

在能量转化和传递过程中，能量的总和保持不变，这个定律对任何一个系统都可写成∆⇒⇒//系统进入 离开即输入系统的能量-输出系统的能量=系统储存的能量的变化量。

能量守恒定律不适从任何理论推导出来的，而是人类在长期的生产斗争和科学实验中积累的丰富经验的总结，并为无数实践所证实。

它是自然界中最普遍、最基本的规律之一。

普遍适用于机械的、热能的、电磁的、原子的、化学的等多变过程。

物理学中的功能原理、工程力学中的机械能守恒定律等。

其实质都是能量守恒与转化定律，热一律就是能量转化与守恒定律在热现象上的应用。

这个定律指出，热能与其它形式的能量相互转化和总能量守恒。

机械能 热能 化学能 电磁能在本课程范围内主要是热能与机械能的相互转化，因此：热一律也可表示为：热→功，功→热。

一定量热消失时，必产生与之数量相当的功。

消耗一定量的功时，必产生相当数量的热。

用数学形式表示：Q AW = 1427kcalA kg m =⋅W TQ = 1kg m J kcal A⋅=Q W = kJ这一关系表明，热一律确立了热与机械能相互转化时，热量与功量在数量上的关系。

第3章 热力学第一定律3-1 一辆汽车 1 小时消耗汽油 34.1 升，已知汽油发热量为 44000kJ/kg ，汽油密度 0.75g/cm3 。

测得该车通过车轮出的功率为 64kW ，试求汽车通过排气，水箱散热等各种途径所放出的热量。

解： 汽油总发热量Q = 34.1×10-3m3 ×750kg/m3 ×44000kJ/kg =1125300kJ汽车散发热量Qout = Q-W ×3600 = (1125300-64×3600)kJ/h = 894900kJ/h3-2 气体某一过程中吸收了 50J 的热量，同时，热力学能增加 84J ，问此过程是膨胀过程还是压缩过程？对外作功是多少 J ？解 取气体为系统，据闭口系能量方程式 Q = ΔU +WW = Q -ΔU = 50J -84J = -34J所以过程是压缩过程，外界对气体作功 34J 。

3-3 1kg 氧气置于图 3-1 所示气缸内，缸壁能充分导热，且活塞与缸壁无磨擦。

初始时氧气压力为 0.5MPa ，温度为 27℃，若气缸长度 2l ，活塞质量为 10kg 。

试计算拔除钉后，活塞可能达到最大速度。

解：由于可逆过程对外界作功最大，故按可逆定温膨胀计算：w = RgT ln V2/ V1 = 0.26kJ/(kg •K)×(273.15+ 27)K图3-1 图3-2×ln（A×2h）/ （A×h）= 54.09kJ/kgW =W0 + m'/2*Δc 2 = p0(V2 -V1)+ m'/2*Δc 2 （a ）V1 =m1RgT1/ p1=1kg×260J/(kg•K)×300.15K /0.5×106Pa = 0.1561m3 V2 = 2V1 = 0.3122m3代入(a)c2 = （2×(54.09J/kg×1kg×103-0.1×106Pa×0.1561m3)/10kg）1/2= 87.7m/s3-4 有一飞机的弹射装置，如图 3-2，在气缸内装有压缩空气，初始体积为 0.28m3 ，终了体积为0.99m3，飞机的发射速度为61m/s ，活塞、连 杆和飞机的总质量为 2722kg 。

工程热力学的公式大全1.热力学第一定律：ΔU=Q-W其中，ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统所吸收的热量，W表示系统所做的功。

2.理想气体状态方程：PV=nRT其中，P表示气体的压力，V表示气体的体积，n表示气体的物质的分子数，R表示气体常数，T表示气体的温度。

3.等温过程：Q=W在等温过程中，系统所吸收的热量等于所做的功。

4.绝热过程：P1V1^γ=P2V2^γ在绝热过程中，气体的压强与体积之积的γ次方是一个常数，γ为气体的绝热指数。

5.等容过程：ΔU=Qv在等容过程中，系统内能的变化等于吸收的热量。

6.等压过程：Q=ΔH在等压过程中，系统所吸收的热量等于焓的变化。

7.等焓过程：ΔH=Qp在等焓过程中，焓的变化等于吸收的热量。

8.热机效率：η=1-，Qc，/，Qh热机效率表示热机从高温热源吸收的热量减去放出的低温热量占高温热量的比例。

9.士温定理：η=1-(Tc/Th)士温定理是热力学第二定律的一种表述，表示热机效率与高温热源温度和低温热源温度的比值有关。

10.开尔文恒等式：η=1-(Tc/Th)=1-(，Qc，/，Qh，)开尔文恒等式是士温定理的另一种形式，表示任何热机的效率都不可能达到100%。

11.准静态过程：ΔS=∫(dQ/T)准静态过程中，系统的熵变等于系统吸收的微小热量除以系统的温度积分得到。

12.绝热可逆过程：ΔS=0在绝热可逆过程中，系统的熵不发生变化。

13.熵的增加原理：ΔS总=ΔS系统+ΔS环境≥0根据熵的增加原理，系统与环境的熵的变化之和大于等于0。

14.卡诺循环效率：η=1-(Tc/Th)卡诺循环是理想热机，其效率由高温热源温度和低温热源温度决定。

15.等温膨胀系数：β=(1/V)*(∂V/∂T)p等温膨胀系数表示单位温度升高时体积的变化与体积的比值。

16.等压热容量：Cp=(∂Q/∂T)p等压热容量表示在等压条件下单位温度升高吸收的热量与温度的比值。

17.等容热容量：Cv=(∂Q/∂T)v等容热容量表示在等容条件下单位温度升高吸收的热量与温度的比值。

第三章 热力学第一定律本章要求：掌握储存能、热力学能、焓的物理意义，掌握膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的联系与区别，熟练选取热力系统，应用热力学第一定律解决具体问题。

1.基本概念热力学第一定律:能量既不能被创造，也不能被消灭，它只能从一种形式转换成另一种形式，或从一个系统转移到另一个系统，而其总量保持恒定，这一自然界普遍规律称为能量守恒与转换定律。

把这一定律应用于伴有热现象的能量和转移过程，即为热力学第一定律。

第一类永动机：不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机，称为第一类永动机。

热力学能：热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和。

外储存能：也是系统储存能的一部分，取决于系统工质与外力场的相互作用（如重力位能）及以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量（宏观动能）。

这两种能量统称为外储存能。

轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功称为轴功。

流动功（或推动功）：当工质在流进和流出控制体界面时，后面的流体推开前面的流体而前进，这样后面的流体对前面的流体必须作推动功。

因此，流动功是为维持流体通过控制体界面而传递的机械功，它是维持流体正常流动所必须传递的能量。

焓：流动工质向流动前方传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量。

对于流动工质，焓=内能+流动功，即焓具有能量意义；对于不流动工质，焓只是一个复合状态参数。

稳态稳流工况：工质以恒定的流量连续不断地进出系统，系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化，称稳态稳流工况。

技术功：在热力过程中可被直接利用来作功的能量，称为技术功。

动力机：动力机是利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备。

压气机：消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备称为压气机。

节流：流体在管道内流动，遇到突然变窄的断面，由于存在阻力使流体压力降低的现象。

2.常用公式外储存能：1．宏观动能：221mc E k =2．重力位能：mgz E p =式中g —重力加速度。

第三章热力学第一定律第一节 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质是能量守恒与转换定律。

能量守恒与转换定律的核心内容就是：自然界中一切物质都具有能量，能量既不可能被创造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变为另一种形式，在转换中，能量的总量恒定不变。

量守恒与转换定律是人类对长期实践经验和科学实验的总结，是自然界的一个基本规律。

将能量守恒与转换定律应用于热力学所研究的与热能相关的能量传递与转换，得到的就是热力学第一定律。

热力学第一定律有许多种表述方法。

历史上，最早的表述为：“热可以变为功，功也可以变为热。

消失一定量的热时，必产生数量相当的功；消耗一定量的功时，亦必出现相应数量的热”。

当初所以这样表述，是因为在热力学第一定律提出之前，对于热的认识还很模糊，热量的单位与功的单位也不统一，导致表述比较繁杂。

最早的另外一种表述为：“第一类永动机是不可能制造成功的”。

所谓第一类永动机是一种不花费能量就可以产生动力的机器。

历史上，有人曾幻想要制造这种机器，但由于违反了热力学第一定律能量守恒的原则，结果总是失败。

这种表述是从反面说明要得到机械能必须花费热能或其它能量。

热力学第一定律可以简单地表述为：在热能与其它形式的能量互相转换时，能的总量保持守恒。

热力学第一定律是热力学的基本定律，是热力过程能量传递与转换分析计算的基本依据。

它普遍适用于任何工质、任何过程。

用热力学第一定律分析一个发生能量传递与转换的热力过程时，首先需要分析列出参与过程的各种能量，依据热力学第一定律能量守恒的原则，建立能量平衡方程式。

对于任何一个具体的热力系所经历的任何热力过程，热力学第一定律能量平衡方程式都可以一般地表示为：进入系统的能量一离开系统的能量 =系统储存能的变化（3-1）（3-1）式是一种以热力系为对象，用方程式的形式对热力学第一定律的表述。

它的成立，并不依赖系统某种工质或某个热力过程的个别属性，所依据的仅是热力学第一定律能量守恒的原则。

第三章 热力学第一定律 习题参考答案思考题3-1门窗紧闭的房间……答：按题意，以房间（空气+冰箱）为对象，可看成绝热闭口系统，与外界无热量交换，Q=0电冰箱运转时，有电功输入，即W 为负值，按闭口系统能量方程：WU +Δ=0 或即热力学能增加，温度上升。

0>−=ΔW U 3-6 下列各式，适用于何种条件？ 答：答案列于下表公式适用条件w du q δδ+= 闭口系统，任何工质，任何过程，不论可逆与不可逆 pdv du q +=δ 闭口系统，任何工质，可逆过程 pdv dT c q v +=δ闭口系统，理想气体，可逆过程dh q =δ 闭口系统，定压过程； 或开口系统与环境无技术功交换。

vdp dT c q v −=δ开口系统，理想气体，稳态稳流，可逆过程3-10 说明以下结论是否正确： （提示：采用推理原则，否定原则） ⑴ 气体吸热后一定膨胀，热力学能一定增加。

答：错误，如等容过程吸热后不膨胀；如不是等容过程吸热后热力学能也不一定增加，当对外净输出功量大于吸热量时，则热力学能不增加。

⑵ 气体膨胀一定对外作功。

答：错误，如气体向真空膨胀则不作功，另外气体膨胀对外作膨胀功的充要条件是：气体膨胀和要有功的传递和接受机构。

⑶ 气体压缩时，一定消耗外功。

答：错误，如处于冷却过程的简单可压缩系统，则会自发收缩（相当于被压缩），并不消耗外功。

⑷ 应设法利用烟气离开锅炉时带走的热量。

答：错误不应说设法利用烟气离开锅炉时带走的热量。

因为热量是过程量，不发生则不存在。

应该说设法利用烟气离开锅炉时带走的热能（或热焓）。

习 题3-1 已知：min 202000/400===time N hkJ q 人人求：?=ΔU 解：依题意可将礼堂看作绝热系统，思路：1、如何选取系统？2、如何建立能量方程？ ⑴ 依题意，选取礼堂空气为系统，人看作环境，依热力学第一定律，建立能量方程：kJ time N q Q U W W Q U 51067.2602020004000×=××=⋅⋅==Δ∴=−=Δ人Q⑵ 如选“人+空气”作系统， 依据热力学第一定律：W Q U −=Δ0,0,0=Δ∴==U Q W Q如何解释空气温度升高：该系统包括“人+空气”两个子系统 ，人散热给空气，热力学能降低，空气吸热，能内升高，二者热力学能代数和为零。