第四章热力学第一定律

1、第四章第四章 热力学第一定律热力学第一定律学习目标：学习目标： 深刻理解能量、储存能、热力学能的概念，及深刻理解能量、储存能、热力学能的概念，及热力学能、焓的物理意义热力学能、焓的物理意义;掌握理想气体热力学掌握理想气体热力学能能及及焓的变化量的计算；理解焓的变化量的计算；理解容积容积功、轴功、功、轴功、技术功、流动功技术功、流动功等概念等概念The First Law of Thermodynamics深刻理解热力学第一定律的实质深刻理解热力学第一定律的实质熟练应用热力学第一定律解决具体问题熟练应用热力学第一定律解决具体问题第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律一、实质：一、实质：“第一

2、类永动机第一类永动机(Perpetual motion machine of the first kind)是是不可能不可能制成的制成的”二、热力学第一定律的表述：二、热力学第一定律的表述：热能可以从一个物体热能可以从一个物体传递传递给另一个物体，也可给另一个物体，也可以与机械能或其他能量以与机械能或其他能量相互转换相互转换，在传递和转换，在传递和转换过程中，能量的过程中，能量的总值不变总值不变。 能量能量转换转换及及守恒守恒定律在热力过程中的应用定律在热力过程中的应用输入系统的输入系统的能量能量系统输出系统输出的能量的能量系统中储存能量系统中储存能量的变化量的变化量能能 量量三、热力学第一定

3、律的一般表达式三、热力学第一定律的一般表达式传递中的能量传递中的能量系统储存的能量系统储存的能量（一一）系统的储存能系统的储存能系统储系统储存的能存的能量量内部内部储存能储存能外部外部储存能储存能热力学热力学能能机械能机械能 状态参数状态参数1.1.内部内部储存能储存能分子动能（移动、转动、振动）分子动能（移动、转动、振动） (T) 分子位能（相互作用）分子位能（相互作用） (v) 内能内能是状态量是状态量 U : 广延参数广延参数 kJ u : 比参数比参数 kJ/kg 内能内能总以变化量出现，总以变化量出现，内能内能零点人为定零点人为定说明：说明：理想气体理想气体u=fu=f(T)实际气体

4、实际气体u=fu=f(T,v)（内能）（内能）热力学能热力学能translation rotation vibrationbinding forces系统工质系统工质与重重力场力场的相互作用相互作用 所具有的能量重力位能重力位能 potential以外界外界为参考坐标参考坐标的系统宏观宏观运动运动所具有的能量 宏观动能宏观动能 kinetic 212kgEmwmgzEpmacroscopic forms of energy2.2.外部储存能外部储存能系统总储存能系统总储存能 total energyE = U + Ek + Epe = u + ek + ep功功随物质传递的能量随物质传递的能量

5、 热量热量热源热源功源功源质源质源系系统统（二二）系统与外界传递的能量系统与外界传递的能量 过程过程参数参数 状态参数状态参数热量热量 kJ 或 kcal 且l kcal=4.1868kJ定义定义：在温差作用下在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量系统与外界通过界面传递的能量。规定规定:特点特点:是传递过程中能量的一种形式，与热力过程有关是传递过程中能量的一种形式，与热力过程有关系统吸热热量为正，系统放热热量为负系统吸热热量为正，系统放热热量为负单位：单位： TdsqqTds可逆过程：可逆过程：功功除温差以外的其它不平衡势差所引起除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量的系统

6、与外界传递的能量.容积功容积功W：在力差作用下，通过系统在力差作用下，通过系统容积变化容积变化与外界传递的能量。与外界传递的能量。规定规定: 系统系统对外对外作功为作功为正正，外界，外界对系统对系统作功为作功为负负。定义定义:膨胀功是热变功的源泉膨胀功是热变功的源泉种类种类:wpdvpdvw可逆过程：可逆过程：轴功轴功Ws: Shaft work通过轴系统与外界传递的机械功通过轴系统与外界传递的机械功单位单位：l J=l Nm其他准静态功：其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等拉伸功，表面张力功，电功等随物质传递的能量随物质传递的能量212gEUmwmgz流动工质本身流动工质本身具有的能量具

7、有的能量流动功流动功(或推动功或推动功)为为推动流体推动流体通过控制体界通过控制体界面而传递的面而传递的机械功机械功.推进功推进功（流动功、推动功）（流动功、推动功） W推推 = p A dl = pV w推推= pvpApVdl流动功与其它功区别流动功与其它功区别取决于控制体进出口界面工质的热力状态取决于控制体进出口界面工质的热力状态对推进功的说明对推进功的说明1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推进功不存在有关，流动停止，推进功不存在2 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态 变化变化3 3、w推推pv与所处状态有关，是状态量与所处状态有关

8、，是状态量4 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化并非工质本身的能量（动能、位能）变化 引起，由外界做出，流动工质引起，由外界做出，流动工质所携带的能量所携带的能量 W Q一般式一般式 Q = dU + W Q = U + W q = du + w q = u + w单位工质单位工质适用条件：适用条件： 1）任何工质）任何工质 2) 任何过程任何过程Energy balance for closed system第二节第二节 闭口系统热一律表达式闭口系统热一律表达式 系统吸热：系统吸热：Q0； 系统放热：系统放热： Q 0。 系统对外做功：系统对外做功：W 0； 外界对系统做功：外界对系统

9、做功： W0 系统内能增加：系统内能增加： U 0； 系统内能减少：系统内能减少： U 0功功 （ w） 是广义功是广义功 闭口系与外界交换的功量闭口系与外界交换的功量容积功容积功 pdv拉伸功拉伸功 w拉伸拉伸= - dl表面张力功表面张力功 w表面张力表面张力= - dA w = pdv - dl - dA +.简单可压缩系统简单可压缩系统 w =pdv w = pdv可逆过程可逆过程 q = Tds适用于适用于任何工质任何工质 、可逆过程、可逆过程的热一律表达式的热一律表达式任何工质、可逆过程任何工质、可逆过程 q = du + pdv q = u + pdvTds = du + pdv

10、 Tds = u + pdv单位工质单位工质理想气体内能变化计算理想气体内能变化计算Tcuvvuq 适用于理想气体理想气体一切一切过程或者实际气体实际气体定容定容过程 用定值比热计算用定值比热计算:102000121221tctcdtcdtcdtcutvmtvmtvtvttv用平均比热计算用平均比热计算:Tcuvmq = u + w定容定容过程: 0w 适用于适用于理想气体理想气体 、任意过程任意过程的热一律表达式的热一律表达式 q = cvdT + w q = cv T+ w单位工质单位工质 q = cvdT+ pdv q = cv T+ pdvTds = cvdT + pdv Tds =

11、cv T + pdv单位工质单位工质适用于适用于理想气体理想气体 、可逆过程可逆过程的热一律表达式的热一律表达式1 250 kJ AQ2110 kJUU2 15kJBW 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，并且试判断沿过程1A2工质是膨胀还是压缩，并且求工质沿1A2B1回到初态时的净吸热量和对外作的净功。 解：（1）在1A2过程中1 21 221()50 1040(kJ)AAWQUU1 20AW2 1122 1()10515(kJ)BBQUUW 1 22 150 1535(kJ)ABQQQ110UUU35 kJWQUQ 因为（2）在2B1过程中工质沿1A

12、2B1回到初态时的净吸热量为：工质沿1A2B1回到初态时的净功为所以系统对外界做功，工质膨胀。由于工质沿1A2B1回到初态系统经历了一个循环，内能变化量为以房间为以房间为系统系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程T电电冰冰箱箱QUW 0Q 0W 0UW 例例2 ：门窗紧闭的房间内有一台电冰箱正在运行,若敞开冰箱的大门就有一股凉气扑面,感到凉爽。于是有人就想通过敞开冰箱大门达到降低室内温度的目的,你认为这种想法可行吗?解：解：闭口系闭口系T空空调调 Q以房间为以房间为系统系统 闭口系能量方程闭口系能量方程QUW 0Q 0W 0UQ W解：解：例例3 ：为什么在门窗紧闭的房间内安装

13、空调器后却能使温度降低呢? 0QW课堂总结课堂总结能能 量量传递中传递中的能量的能量系统储存系统储存的能量的能量内部储存能内部储存能(热力学能热力学能)外部外部储存能储存能理想气体热力学能的变化量理想气体热力学能的变化量热力学第一定律实质热力学第一定律实质表达式表达式1讨论下列问题：1) 气体吸热的过程是否一定是升温的过程。2) 气体放热的过程是否一定是降温的过程。3) 能否以气体温度的变化量来判断过程中气体是吸热还是放热。2. 对工质加热，其温度反而降低，有否可能？3对空气边压缩边进行冷却，如空气的放热量为1kJ，对空气的压缩功为6kJ，则此过程中空气的温度是升高，还是降低。4 空气边吸热边

14、膨胀，如吸热量Q=膨胀功，则空气的温度如何变化。课堂练习课堂练习4 空气边吸热边膨胀，如吸热量Q=膨胀功，则空气的温度如何变化。5试分析下列过程中气体是吸热还是放热(按理想气体可逆过程考虑)1) 压力递降的定温过程。2) 容积递减的定压过程。3) 压力和容积均增大两倍的过程。第三节第三节 稳定流动能量方程稳定流动能量方程稳定流动：稳定流动：工质流动时，流动状况不随时间改变工质流动时，流动状况不随时间改变Energy balance for steady-flow systems112z1zq22sw11,pv22,pv0011,guw22,guw稳定流动条件稳定流动条件12mmmsWConst

15、qConst22222212sgwup vwgzhupv221112221122gsgqhwgzwhwgz212sgqwhwg z 211 11112gqup vwgz一、开口系统稳定流动能量方程一、开口系统稳定流动能量方程能量守恒原则能量守恒原则:进入系统的能量进入系统的能量- -离开系统的能量离开系统的能量= =系统储存能量的变化系统储存能量的变化 h的物理意义开口系中随工质流动而携带的、取决于开口系中随工质流动而携带的、取决于热力状态的能量。热力状态的能量。112z1zq22sw11,pv22,pv0011,guw22,guw稳定流动能量方程稳定流动能量方程适用条件：适用条件：任何流动工

16、质任何流动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程212gsqhwg zw 动能动能工程技术上可以直接利用的机械能工程技术上可以直接利用的机械能轴功轴功位能位能tqhw 二、技术二、技术功功 technology work2t12gswwg zw t()tqhwupvw quw ()twpvw 三、三、Wt与与W的关系的关系wwt(pv)wg2/2wsgz做功的根源做功的根源等价等价pv12o3456dp vdv p四、可逆过程的技术功四、可逆过程的技术功()twpvw ()twd pvw()tpdvd pvw()()twpdvd pvpdvpdvvdpvdp twvdp twvdp P增大，wt

17、0技术功是过程函数技术功是过程函数 注意：注意：五、理想气体的焓五、理想气体的焓hupvuRT( )hf T( , )hf T p实际气体实际气体理想气体理想气体h只与只与T有关有关理想气体焓变化计算理想气体焓变化计算phcT 适用于理想气体理想气体一切一切过程或者实际气体实际气体定压定压过程 用定值比热计算用定值比热计算:221211020100tttttppppmpmthc dtc dtc dtctct 用平均比热计算用平均比热计算:pmhcT 用真实比热计算用真实比热计算:21pTThc dT phqq = h + wt定压定压过程: 0tw q = cpdT + wt q = cp T

18、+ wt单位工质单位工质适用于适用于理想气体理想气体 、任意过程任意过程的热一的热一律表达式律表达式对于开口系统对于开口系统： q = cpdT- vdpq = cp T- vdpTds = cpdT - vdp Tds = cp T - vdp单位质量的理想气体、可逆过程单位质量的理想气体、可逆过程开口系统热一律表达式开口系统热一律表达式 的适用范围是 _。 A理想工质，封闭系统 B任意工质，封闭系统 C理想工质，开口系统 D任意工质，开口系统 2 的适用范围是_。 A开口系统，可逆过程 B封闭系统，可逆过程 C开口系统，任意过程 D封闭系统，任意过程dddqhv pdddqup v课堂练习

19、课堂练习4.试分析下列过程中气体是吸热还是放热(按理想气体可逆过程考虑)1) 压力递降的定温过程。2) 容积递减的定压过程。3) 压力和容积均增大两倍的过程。3开口系统的工质在可逆流动过程中，如压力降低，则_。 A系统对外做技术功 B外界对系统做技术功 C系统与外界无技术功的交换 D无法确定课堂总结课堂总结理想气体理想气体焓焓的变化量的变化量稳定流动稳定流动稳定流动能量方程稳定流动能量方程技术技术功功第四节第四节 稳定流动能量方程的应用稳定流动能量方程的应用一、换热器一、换热器Heat Exchangers1、定义：实现冷热流体热量交换的设备。2、应用：锅炉、蒸发器、冷凝器、空气冷却器。3、特

20、点：（1）工质与外界只有热量交换，没有功的交换。（2）进出口工质的动能变化忽略不计，4、q= h=h2-h15、可逆流动：定压过程。二、喷管和扩压管二、喷管和扩压管Nozzles and Diffusers 1、定义：（1）喷管：利用流体压降使流体加速的设备。（2）扩压管：利用流体流速降低使流体压力升高的设备。2、特点：（1）可简化为一元稳定流动；（2）与外界无轴功ws交换；（3）无外界热量交换可忽略。（1）喷管：wg2wg1，h2h1。工质流经喷管动能的增加全部来自于焓值的减少。（2）扩压管： wg2 wg1， h2 h1。工质流经扩压管焓值的增加全部来自于动能的减少。 2 221121()2ggwwhh三、涡轮机三、涡轮机Turbine和压气机和压气机Compressor1、定义：（1）涡轮机：工质膨胀推动叶轮输出机械功。（2）压气机：消耗机械功压缩工质。2、特点：（1）工质与外界只有机械功的交换，没有热量的交换。（2）进出口工质动能的变化可以忽略不计。3、Ws=h1-h24、（1）涡轮机：Ws 0，h1 h2。涡轮机输出的轴功来自于工质焓的减少。（2）压气机：Ws 0，h1 h2。压气机消耗的轴功用于增加工质的焓。四、绝热节流四、绝热节流Th