工程热力学：第二章 热力学第一定律_1

1、13系学习部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院 School of Jet Propulsion Engineering Thermodynamics 13系学习部 The First Law Of Thermodynamics 第二章 热力学第一定律 13系学习部 第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 2-1. 第一定律的建立第一定律的建立 2-2. 闭口系的能量方程闭口系的能量方程 2-3. 开口系的质量守恒方程开口系的质量守恒方程 2-4. 开口系的能量方程开口系的能量方程 2-5. 能量方程的应用能量方程的应用 13系学习部 2-1. 第一定律的建立第一定律的建立 热力学第一

2、定律实际上包含热现象热力学第一定律实际上包含热现象 在内的在内的能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律 自然界一切物体都具有能量，能量有各自然界一切物体都具有能量，能量有各 种不同形式，它能从一种形式转化为另种不同形式，它能从一种形式转化为另 一种形式，从一个物体传递给另一个物一种形式，从一个物体传递给另一个物 体，在转化和传递中能量的数值不变体，在转化和传递中能量的数值不变 13系学习部 1564-1642 意大利意大利 惠更斯惠更斯（Huygens )Huygens )1669 莱布尼兹莱布尼兹（Galileo )Galileo )1686德国德国 1738丹尼尔丹尼尔. .伯努利伯努利（D

3、aniel Bernoulli )Daniel Bernoulli ) 彭塞利彭塞利 1829 法国法国 摆、斜面摆、斜面 2 m V V 弹性碰撞弹性碰撞守恒守恒 萨迪萨迪. .卡诺卡诺1796-1832法国法国 活力活力力力x x路程路程 重量重量x高度高度= =机器功效机器功效 法国法国1792-1843科里奥利科里奥利 2 1 2m V V 术语术语“功功” 22 111222 22gzpgzpV VV V 伽利略（伽利略（Galileo )Galileo ) “活力守恒活力守恒”思想的发展思想的发展 13系学习部 6 z 势能增量势能增量 机械能守恒机械能守恒 2 22 2121 1

4、 11 22 KEKEmmF dr VV x 1 2 y F r 合力功合力功 z 1 2 y RmgF r x g KEW 22 11 k ER drmgk dr k drdxidy jdzk 2 21 1 WmgdzWmg zz 动能增量动能增量 dr d r 12 KEPEW 13系学习部 7 压力势能压力势能 伯努利方程（不可压流体）伯努利方程（不可压流体） z yx mV 12 KEPEW p p pdy y V 0 p KEPE 22 1122 12 22 pp gzgz V VV V 222 21 12 111 1 p pppp wWdd m p dp Wp Vd rm 压力功压

5、力功 13系学习部 8 数学推导数学推导 z yx p p pdy y V ppp dxdydzidydxdz jdzdxdyk xyz dr dxdydz xyz d p V ppp ijk dxdydz xyz 13系学习部 热质说的失败改变了对热的认识热质说的失败改变了对热的认识 热质说热质说: :热是一种特殊的物质，称为热是一种特殊的物质，称为“热质热质（ Caloric）”。热质由没有重量的微细粒子组成，。热质由没有重量的微细粒子组成， 可以从一个物体流向另一个物体，其数量是守恒可以从一个物体流向另一个物体，其数量是守恒 的。热质的粒子互相排斥，从而物体具有热胀的的。热质的粒子互相排

6、斥，从而物体具有热胀的 性质性质。 1783法国法国拉瓦锡拉瓦锡 15世纪-18世纪 培根培根、胡克、牛顿、罗蒙诺索夫、胡克、牛顿、罗蒙诺索夫、 热动说热动说：热是组成物质的微观粒子运动的表现，热是组成物质的微观粒子运动的表现， 它可以由物质的机械运动转化而来。它可以由物质的机械运动转化而来。 13系学习部 热质说佯谬热质说佯谬 1797伦福德伦福德RumfordRumford 慕尼黑兵工厂大炮镗钻孔，发现慕尼黑兵工厂大炮镗钻孔，发现 摩擦可以无休止的产生热量摩擦可以无休止的产生热量 英国英国 1799戴维戴维H.DavyH.Davy英国英国 两块冰摩擦实验两块冰摩擦实验 13系学习部 永动机

7、梦想的破灭促使考虑能量关系永动机梦想的破灭促使考虑能量关系 热力学第一定律另一说法：热力学第一定律另一说法： 第一类永动机是不可能制成的第一类永动机是不可能制成的 从十三世纪的法国人享内考提出第一个永动从十三世纪的法国人享内考提出第一个永动 机方案到后来种种方案都以失败而告，以致法机方案到后来种种方案都以失败而告，以致法 国科学院在国科学院在17751775年声明：本科学院以后不再审年声明：本科学院以后不再审 查有关永动机的一切设计。查有关永动机的一切设计。 如果如果永动机不成立，能量永动机不成立，能量 之间应满足什么关系？之间应满足什么关系？ 13系学习部 量热学的发展提供了实验手段量热学的

8、发展提供了实验手段 1593伽利略伽利略 温度计温度计 1702阿蒙顿阿蒙顿 空气温度计空气温度计 1724华伦海特华伦海特 华氏温标华氏温标 1742摄尔修斯摄尔修斯 摄氏温标摄氏温标 荷兰荷兰 瑞典瑞典 意大利意大利 1780 J.Black布莱克布莱克英国英国 发现热的强度（温度）和热的数量（热 量）不同，他和他的学生后来正式提出 了比热、热容量、潜热（Latent heat） 等概念。 13系学习部 蒸汽机蒸汽机的发展需要热力学理论的发展需要热力学理论 1769英国英国瓦特瓦特加了冷凝器加了冷凝器 1807 富尔顿富尔顿美国美国应用于轮船应用于轮船 1825用于火车用于火车 1785应

9、用于纺织应用于纺织 为蒸汽机的进一步发展，迫切需要研为蒸汽机的进一步发展，迫切需要研 究热、功、能量间的关系，以提高热究热、功、能量间的关系，以提高热 机效率。机效率。 13系学习部 Julius Robert Mayer (1814 - 1878) 小医生与啤酒匠发现科学新理小医生与啤酒匠发现科学新理 德国德国 迈耶迈耶 1840印度尼西亚印度尼西亚 产生思产生思 想想 1842论自然力（即能）论自然力（即能） 守恒的论文守恒的论文 pVg ccR pVg J ccR 3.597/JkJkcal 同一单位同一单位 不同单位不同单位 66P 13系学习部 小医生与啤酒匠发现科学新理小医生与啤酒

10、匠发现科学新理 James rescott Joule 1818-1889 英国英国 焦耳焦耳 1841 2 QI Rt 1847热功当量实验仪热功当量实验仪 1849论热功当量论热功当量 257P 13系学习部 焦耳的实验装置焦耳的实验装置 James rescott Joule 1818-1889 13系学习部 焦耳实验的结果焦耳实验的结果 ：4040年年400400多次多次 热功当量热功当量 J = 4.1868 kJ/kcal 绝热功绝热功 222 111 . abc WWW 与路径无关与路径无关 . abc WWWW 热是与功等效的传递能量热是与功等效的传递能量 WJ Q N.mca

11、l 22 11 WQ 13系学习部 18 y 曲线积分与路径无关问题曲线积分与路径无关问题 x 1 2 a b 四个等价命题四个等价命题 2 21 1 duuu 12 w= 势函数势函数 WPdxQdy 1 21 2ab WW 0W QP xy duPdxQdy ,uu x y du 13系学习部 19 对系统作功对系统作功 22 21 11 WWdUUUU 绝热绝热热力学热力学第一定律第一定律的建立的建立 W 2 U 21 QUU 又又 由焦耳实验由焦耳实验 =+ W Q Q 1 U2 U 2 U 1 U 21 QUU 22 WUU 路径无关路径无关 2 U 内能方程内能方程 QUW 内能定

12、理内能定理 13系学习部 20 212211kpkp EEEUEUE 热力学热力学第一定律第一定律的建立的建立 tot W 2 U 2kp E =+ W Q Q 1 U1kp E 2 U 2kp E 2 U 1kp E 2 U 1kp E 1 U 1kp E 21 QUUW 21kpkp WEE f c 2121kpkp EEUU tot QEW W 机械能守恒机械能守恒 2 1 2kpf Emcmgz 21kpkp WEE 总能方程总能方程 WWQ kp EUE tot WWW 13系学习部 inout QQQ E out Q in Q totoutin WWW 一般情况一般情况 tot Q

13、EW . kpem EUEEE 动动内内势势电电磁磁 与物质种类无关与物质种类无关与物种有关与物种有关 热力学热力学第一定律第一定律 外参数外参数 内参数内参数 内参数内参数：与坐标系无关：与坐标系无关外参数外参数：与坐标系有关：与坐标系有关 , , , , ,p T v u h s 2 1 2 , f cgz 13系学习部 热力学能热力学能是是储存能储存能，状态函数状态函数，广延广延 量量，用符号，用符号 U 表示，其绝对值无法测表示，其绝对值无法测 定，只能求出它的变化值。定，只能求出它的变化值。 热力学能（内能）的特点热力学能（内能）的特点 热力学能零点人为定热力学能零点人为定 热力学能

14、是由微观粒子的动、势能构成热力学能是由微观粒子的动、势能构成 13系学习部 微观粒子的动能微观粒子的动能 分子移动分子移动分子转动分子转动分子振动分子振动 电子移动电子移动电子自旋电子自旋原子核自旋原子核自旋 气体气体 占主占主 固体固体 占主占主 微动能对温度有贡献微动能对温度有贡献 13系学习部 微观粒子的势能微观粒子的势能 气体气体固体固体 共价键共价键 离子键离子键 核键核键 分子间力分子间力 分子间力（强）分子间力（强）分子间引力（弱）分子间引力（弱） 化学键力化学键力 核键力核键力 微势能对温度和微势能对温度和 比体积有贡献比体积有贡献 13系学习部 25 热力学能（内能）的微观意

15、义热力学能（内能）的微观意义 内动能内动能 内位能内位能 化学能化学能 核能核能 热力热力 学能学能 U 热能热能 相变位能相变位能 非相变位能非相变位能 13系学习部 比参数型比参数型 ( )/m 2-2. 闭口系的能量方程（闭口系的能量方程（总能方程总能方程） tot qe w totptot ww +w 容积功（变形功容积功（变形功 ) )压差功压差功（刚体功（刚体功 ) ) 22 11 1 p dppd w 1pdpdp mdVV 2 1 dp mV 2 1 1 pd 压力功压力功 压力势能压力势能 2 21 1 d ppp vvv 22 11 dppd vv kptot qupe w

16、v 动势能动势能 kptot he w 比焓比焓 13系学习部 可逆、不可逆可逆、不可逆 21 QUWUUW 初终平衡初终平衡 微元过程微元过程QdUW QW 比参数型比参数型 ( )/mqu w qduw q w 2-2. 闭口系的能量方程（闭口系的能量方程（内能方程内能方程） 循环循环 可逆（可逆（简单可压缩简单可压缩） QdUpdV 2 1 QUpdV 2 1 qupd v qdupdv 准静态准静态 f Wp dVW 不可逆功不可逆功 13系学习部 热力学第一解析式与第二解析式热力学第一解析式与第二解析式 hupv vuhp dqupdvdquw d t qhw 热力学第一解析式热力学

17、第一解析式 可逆可逆 v pqdhd d t pwwv 可逆可逆 技术功技术功 变形功（静变形功（静 态功）态功） ddd t ppp wvvv 热力学第二解析式热力学第二解析式 13系学习部 热力学第一解析式与第二解析式热力学第一解析式与第二解析式 2 1 qupd v qu w t qh w 热力学第一解析式热力学第一解析式 可逆可逆 d 2 1 qhp v t pwwv 可逆可逆d 2 1 t p wv 热力学第二解析式热力学第二解析式 =面积面积12ba 13系学习部 dV 一般处于非平衡非均匀态，微元处于局部平衡状态一般处于非平衡非均匀态，微元处于局部平衡状态 M 强度量强度量, ,

18、 ,x y z t, , ,T pv,. 广延量广延量 V dV 比参数比参数 局部状态内参数满足简单局部状态内参数满足简单 可压缩物质状态公理可压缩物质状态公理 , ,u h u,. ,p M tf T M tM t ,v . , ,M x y zpf Tv, 开口系的基本假定开口系的基本假定 13系学习部 进出口局部区域态函数均布进出口局部区域态函数均布 开口系的基本假定开口系的基本假定 A pA 进口体积流量进口体积流量 f Ac 面积面积 速度速度 0 xyz f c 进口压力进口压力 进出口有无热量进出口有无热量 , , ,x y z t , , ,T pv,. 热一律可用于局部平衡

19、系统热一律可用于局部平衡系统 13系学习部 单位时间进入系统的质量单位时间进入系统的质量 离开系统的能量离开系统的能量 = = 系统质量的变化系统质量的变化 m q CV m m dt 无核反应无核反应 单位时间通过进出单位时间通过进出 口断面的质量流量口断面的质量流量 CV mm inout dm qq dt 多进出口求和多进出口求和 1 ff AcAc v 控制体内系统的质量控制体内系统的质量 CV m 2-3. 开口系的质量守恒方程开口系的质量守恒方程 CV V mdV ,m in q ,m out q 13系学习部 2-4. 开口系的能量方程开口系的能量方程 p W in p in A

20、 out A CV Et out m e W s W in m out p Q isep WWWW CV Etdt 2 1 2 f eucgz 流动能流动能m e 1 f mAc dt v 推动功推动功 f pAc dtm pv dt时段闭口系时段闭口系 tot QdEW 13系学习部 2-4. 开口系的能量方程开口系的能量方程 CVCV outin dEEtdtEtmeme 流动功流动功 推动功推动功 p p v 单位质量推动功单位质量推动功(压能压能) i outin Wm pm pvv dt 时段时段 能差能差 功功热热 outin m pm pvv Q 2 1 2 f eucgz CV

21、outini outin QdEmepmepWvv 13系学习部 CVkpkpi outin QdEm hem heW vv CVoutkpinkpi exin QdEmupemupeW 比焓比焓 2-4. 开口系的能量方程开口系的能量方程 状态量状态量 焓焓 多进出口多进出口 hupvHmhUpV 2 1 2 kpf ecgz CVoutkpinkpi outin QdEmh emh eW 13系学习部 开口系稳定流能量方程开口系稳定流能量方程 稳定流定义：稳定流定义：, , ,x y z t , , ,T pv,. 0 t 强度量强度量 广延量广延量 V dV, ,u h u,.0 d d

22、t 实现条件：实现条件：. Q const d t . i i W Pconst d t . m m qconst dt 不随时间变不随时间变 ,m inm out qq 质量守质量守 恒方程恒方程 任意进出口任意进出口 , CV m outm in dm qq dt 13系学习部 开口系稳定流能量方程开口系稳定流能量方程 CVkpkpi outin QdEm hem heW CV mkpmkpi outin dE qheqheP dt 稳定流稳定流 mkpmkpi outin qheqheP 单进出口单进出口 ,m outm inm qqq m q q i i m P q w 2 2 f i c qhg z w 13系学习部 38 稳定流动能量方程稳定流动能量方程( (积分型积分型) ) 单进出口单进出口 12 tt 12 mmm 22 21 2121 2 ff i cc QHHmmg zzW 2 2 f c hgz 12mmm qqq 222 111 12 ttt mmm ttt q dtqdtq dt 质量守质量守 恒方程恒方程 21mmi qqP 2222 1111 21 tttt mmi tttt dtqdtqdtPdt 2222 1111 21 tttt mmi tttt dtq dtq dtPdt Hmh 稳定流稳